1.4 间接变换方式（交-直-交变频）

1.4.1 交-直-交变频器的基本结构

目前，变频器主要采用交-直-交（Variable Voltage Variable Frequency，VVVF）变频方式，先把工频交流电通过整流器变换成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电以供给交流异步电动机，它又称为间接交流变流电路，最主要的优点是输出频率不再受输入电源频率的制约。

交-直-交变频器电路一般由整流器、直流电路、逆变器和控制电路四部分组成。由于整流器、直流电路和逆变器三部分是给异步电动机提供调频调压功能的电力部分，故这三部分又称为交-直-交变频器的主电路。整流器将交流电变换成直流电，直流电路对整流器的输出进行平滑滤波，逆变器将直流电再逆成交流电；控制电路完成对主电路的控制。另外，变频器还有操作显示电路和保护电路，交-直-交变频器的基本构成如图1-7所示。图1-8给出ABB ACS5000交-直-交6kV水冷变频器结构实例。

图1-7 交-直-交变频器的基本构成

图1-8 ABB ACS 5000交-直-交6kV水冷变频器结构实例

1.4.2 多脉冲二极管/晶闸管整流电路

整流电路（整流器）把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫作整流。一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成，它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路（逆变器）和控制电路提供所需要的直流电源。

传统三相整流器由于输入电流中含有大量谐波，对电网及其他用电设备都带来了较大的危害。谐波污染殃及同一电网上的其他用电设备，甚至影响电力系统的正常运行；谐波还会干扰通信和控制系统，严重时会使通信中断、系统瘫痪；谐波电流也会使电动机损耗增加，因而发热增加，效率及功率因数下降，以至不得不“降额”使用。从本质而言，任何中、高压变频器或多或少都会产生输入谐波电流，只是程度不同而已。

在变频器输入侧消去谐波的方法很多，其中之一就是将整流器输入电路产生谐波的相位差，利用并联两组以上脉冲电路谐波相位差，将谐波分量相互抵消，常用多脉冲二极管/晶闸管整流器。为降低网侧线电流畸变，目前中、高压变频器常用12、18、24、30或更高脉冲的二极管/晶闸管整流器。一般说来，二极管/晶闸管整流器的脉波数目越多，输出网侧电流的谐波畸变越小，但制造成本会增加。图1-9所示为不控整流和24脉冲变压整流输入电流谐波对比^[2]，由图可得，不控整流输入电流谐波较大，24脉冲整流输入电流谐波仅含24k±1（k=1，2，3）次谐波，满足了IEEE519—1992电源系统谐波控制推荐规程和要求标准的谐波要求。因此，多脉冲整流技术能够有效降低输入电流的谐波含量。例如，西门子公司、罗宾康公司的3～10kV完美无谐波变频器采用了18～48脉冲二极管整流器，ABB公司6kV的ACS 5000采用36脉冲二极管整流器。

图1-9 不控整流和24脉冲变压整流输入电流谐波对比图

多脉冲二极管整流器多用于电压源型逆变器（Voltage Source Inverter，VSI）传动系统。多脉冲晶闸管整流器多用于电流型逆变器（Current Source Inverter，CSI）传动系统。

由于多脉冲变压整流技术可有效降低输入电流谐波含量，提高功率因数，减小输出电压脉动，同时又具有可靠性高、过载能力强、适合宽变频输入、EMI低等优点，所以目前采用多脉冲变压整流技术的中、高压变频器成为主流产品。

后文1.6节和1.7节对于多脉冲二极管/晶闸管整流器进行了较详细的介绍。

1.4.3 （电流源型、电压源型）直流电路及再生制动

变频器的直流电路有滤波电路和制动电路等不同形式。滤波电路是指直流中间电路用储能元件——电容器或电感来缓冲感性负载电动机和直流电路之间的无功功率交换，对整流电路的输出波形进行平滑处理，减小直流电压或电流的波动，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电。直流电路分为电流源型直流电路和电压源型直流电路。

1.电流源型直流电路

当交-直-交变频器的直流电路采用大电感滤波时，经电感滤波后加于逆变器的电流波形比较平直，输出电流基本不受负载的影响（如果串联电感非常大，就成为恒流源了），电源外特性类似电流源，因而称为电流源型直流电路，如图1-10所示。

电流源型变频器一个突出的优点是当电机处于再生发电状态时，反馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流电网，不需要主电路中附加任何设备，而是通过逆变器的换流（电力电子器件交替通和断）改变电动机绕组中功率流向，同时也不需要增加输入部分的电气器件。这种电流源型变频器有制动发电能力，又可设置电流环提高承载能力，适合需要快速减速和调速范围宽的场合。

2.电压源型直流电路

在交-直-交变频器中，当直流电路采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，具有这种直流电路的逆变装置称为电压源型逆变器，电压源型直流电路如图1-11所示。中、高压变频器采用多脉冲变压二极管整流器时，多用于电压源型逆变器传动系统。

图1-10 电流源型直流电路

图1-11 电压源型直流电路

对变动的直流电流而言，电容器的内阻抗小，电容器上的电压比较稳定，更不可能反向，但电动机的电流易于变动，其非常适合电动机负载快速变化的场合。由于一般电压源型直流电路采用的多脉冲二极管整流器是三相不可控的，直流电路的电压不能反向，当要求电动机^[1]四象限运行时，即将再生电能逆变为与电网同频率、同相位的交流电回馈电网，解决这个问题的最有效办法是采用有源逆变技术，如图1-12所示^[3]。图中所示主电路是为节能降耗，对已运行的变频调速系统进行了改造的方案。对于新建项目，采用电流追踪型PWM整流器组成方式，实现功率的双向流动，同时这样的拓扑结构可完全控制交流侧和直流侧之间无功功率和有功功率的交换，效率高、经济效益好，后文第7章对电压源型四象限变频器有较详细的阐述。

图1-12 逆变器与能源再生变频器组合时的连接电路

在电压源型逆变器传动系统中，对负载电动机而言，变频器是一个交流电压源。在不超过电压容量的情况下，可以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性。

电压源型逆变器采用大电容对直流平波，有时为了减小电源合闸时对电容器和整流器的涌流冲击，也可在电容器之前串一个小的电抗或电阻，如图1-12中的限流电阻R及开关S构成的电路，但电容器是起主导作用的。

3.再生制动电路

当异步电动机负载在再生制动区域使用时（转差率为负），断开交流输入电源后，存储在滤波电容器中的再生能量会使直流环节电压升高。为抑制电压升高，利用设置在中间的直流电路中的电力电子开关快速接通制动电阻，制动电阻吸收电动机的再生电能，实现快速能耗制动，这就是设置再生制动电路的目的。图1-13所示为吸收电动机再生电能的制动电阻电路原理图。再生制动电路还可采用可逆整流电路把再生能量反馈给电网，图1-14所示为回馈电网制动电路的原理图^[3]。

图1-13 吸收电动机再生电能的制动电阻电路原理图

图1-14 回馈电网制动电路的原理图

图1-14中采用电流追踪型PWM整流器，这样容易实现功率的双向流动，且具有很快的动态响应速度。同时，这样的拓扑结构使得我们能够完全控制交流侧和直流侧之间的无功功率和有功功率的交换，且效率可高达97%，经济效益较高，热损耗为能耗制动的1%，还不污染电网。所以回馈电网制动电路特别适用于需要频繁制动的场合，电动机的功率也较大，此时节电效果明显。按运行的工况条件不同，平均约有20%的节电效果^[3]。

1.4.4 电流源型与电压源型变频器的性能比较及应用

电流源型与电压源型变频器的性能比较及应用见表1-2。

表1-2 电流源型与电压源型变频器的性能比较及应用

电流源型变频器输入侧的功率因数比较低、谐波大，而且随着工况的变化而变化，电抗器的发热量较大，效率比电压源型变频器低，输出滤波器的设计比较困难，主要应用在需要回馈电能的负载和超大功率场合。

1.4.5 多电平、多重化的逆变电路

逆变电路（逆变器，Inverter）是变频器最主要的部件之一。它的主要作用是在控制电路的控制下，将电源电路输出的直流电变换为频率和电压都任意可调的交流电。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。

当输出电压较高时，为了避免器件串联引起的静态和动态均压问题，同时降低输出谐波及du/dt的影响，逆变器可以采用中性点钳位的多电平方式逆变器，也称为中性点钳位（Netural Point Clamped，NPC）方式，可参考1.8.3节有关内容。

一般来讲，在高压供电而功率器件耐压能力有限时，如果采用低压开关器件IGBT串联，由于开关频率较高，均压等技术问题的解决难度很大，逆变器可采用多重化（功率器件串联）的方法来解决，可参考1.9节有关内容。

1.4.6 控制电路

变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极（基极）驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，也是变频器的核心部分。控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极（基极）驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。

1.4.7 操作显示电路和保护电路

操作显示电路用于运行操作、参数设置、运行状态显示和故障显示。

保护电路接收主控制电路输入的保护指令并实施保护，同时也直接从检测电路接收检测信号，以便对某些紧急情况实施保护。保护电路的功能分为对变频器的保护和对异步电动机的保护两种。

对变频器的保护有：由变频器负载侧短路等引起的瞬时过电流保护；由负载过大等引起的过载保护；由电动机快速减速引起的再生过电压保护；由瞬时停电时间超过数十毫秒引起的瞬时停电保护；由变频器负载侧接地引起的接地过电流保护；由冷却风机故障引起的冷却风机异常保护等。

对异步电动机的保护有：由电动机负载过大或起动频繁引起的过载保护；由变频器输出频率（或电动机速度）超过规定值引起的超频（超速）保护等。