3.4 通用变频器的分类

这里主要就交-直-交间接式变频器按不同角度进行如下分类。

3.4.1 按直流电源的性质分类

当逆变器输出侧的负载为交流电动机时，在负载和直流电源之间将有无功功率的交换。用于缓冲无功功率的中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此，变频器分成电压型变频器和电流型变频器两大类。

1.电流型变频器

电流型变频器主电路的典型构成方式如图3-8所示。其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，无功功率将由该电感来缓冲。由于电感的作用，直流电流I_d趋于平稳，电动机的电流波形为方波，电压波形接近于正弦波。直流电源的内阻较大，近似于电流源，故称为电流源型变频器。

电流型变频器的一个较突出的优点是，当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流电网，不需在主电路内附加任何设备。

这种电流型变频器可用于频繁急加减速的大容量电动机的传动。在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。

2.电压型变频器

电压型变频器典型的一种主电路结构形式如图3-9所示，图中逆变器的每个导电臂，均由一个可控开关器件和一个不控器件（二极管）反并联组成。晶闸管VT₁～VT₆称为主开关器件，VD₁～VD₆称为回馈二极管。

图3-8 电流型变频器的主电路

图3-9 电压型变频器的主电路

该电路的特点是，中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲。由于大电容的作用，主电路直流电压U_d比较平稳，电动机端的电压为方波。直流电源内阻比较小，相当于电压源，故称为电压源型变频器或电压型变频器。

对负载电动机而言，变频器是一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性。

缺点是电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的无功能量难于回馈给交流电网。要实现这部分能量向电网的回馈，必须采用可逆变流器。如图3-10所示，网侧变流器采用两套全控整流器反并联。

图3-10 再生能量回馈型电压型变频器

3.4.2 按输出电压调节方式分类

变频调速时，需要同时调节变频器的输出电压和频率，以保证电动机主磁通的恒定。对输出电压的调节主要有两种方式：PAM方式和PWM方式。

1.PAM方式

脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation）方式，简称PAM方式，是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。在变频器中，逆变器只负责调节输出的频率，而输出电压的调节则由相控整流器（见图3-9）或直流斩波器（见图3-11）通过调节直流电压U_d去实现。采用相控整流器调压时，网侧的功率因数随调节深度的增加而变低。而采用直流斩波器调压时，网侧功率因数在不考虑谐波影响时，可以达到cosφ₁≈1。

PAM控制方式，高压和低压时的输出线电压的波形如图3-12所示。

2.PWM方式

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）方式，简称PWM方式，其最常见的主电路如图3_-13a所示。变频器中的整流器采用不可控的二极管整流电路。变频器的输出频率和输出电压的调节均由逆变器按PWM方式来完成。调压波形如图3-13b所示。利用参考电压波u_R与载频三角波u_C互相比较来决定主开关器件的导通时间而实现调压。利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。这种参考信号为正弦波输出电压平均值近似为正弦波的SPWM方式称为正弦PWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）方式。通用变频器中，采用SPWM方式调压是一种最常采用的方案。

图3-11直流斩波器电路

a）高压时 b）低压时

图3-13 PWM变频器

a）主电路 b）调压波形

3.高载波频率的PWM方式

这种方式与上面所述的PWM方式的区别仅在于调制频率有很大的提高。主开关器件的工作频率较高，普通的功率晶体管已经不能适应，常采用开关频率较高的IGBT或MOSFET。因为开关频率达到10～20kHz，可以使电动机的噪声大幅度降低（达到了耳难于感知的频段），其主电路（以IGBT作逆变器开关器件为例）如图3-14所示。

图3-14 高载波频率PWM变频器（IGBT变频器）

这种采用IGBT的高载波频率的PWM通用变频器已经投放市场，正在取代以BJT为开关器件的变频器。

3.4.3 按控制方式分类

1.U/f控制

按照电压、频率关系对变频器的频率和电压进行控制，称为U/f控制方式。基频以下可以实现恒转矩调速。

图3-15 U/f控制原理框图

U/f方式又称为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制方式，其简化的原理性框图如图3-15所示。主电路中逆变器采用BJT，用PWM方式进行控制。逆变器的控制脉冲发生器同时受控于频率指令f∗和电压指令U，而f∗与U之间的关系是由U/f曲线发生器（U/f模式形成）决定的。这样经PWM控制之后，变频器的输出频率f、输出电压U之间的关系，就是U/f曲线发生器所确定的关系。由图3-15可见，转速的改变是靠改变频率的设定值f∗来实现的。电动机的实际转速要根据负载的大小，即转差率的大小来决定。负载变化时，在f∗不变的条件下，转子转速将随负载转矩的变化而略有变化，故它常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。

U/f控制是转速开环控制，无须速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。

2.转差频率控制

在没有任何附加措施的情况下，采用U/f控制方式下，如果负载变化，转速也会随之变化，转速的变化量与转差率成正比。U/f控制的静态调速精度显然较差，为提高调速精度，需采用转差频率控制方式。

根据速度传感器的检测，可以求出转差频率Δf，再把它与速度设定值f∗相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值f₁∗，就实现了转差补偿。这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制方式。与U/f控制方式相比，其调速精度大为提高。但是，使用速度传感器求取转差频率，要针对具体电动机的机械特性调整控制参数，因而这种控制方式的通用性较差。

转差频率控制方式的原理框图如图3-16a所示。对应于转速的频率设定值为f∗，经转差补偿后定子频率的实际设定值则为f₁^∗=f^∗+Δf。

由图3-16b可见，由于转差补偿的作用，调速精度提高了。

图3-16 转差频率控制方式

a）电路结构 b）机械特性

3.矢量控制

上述的U/f控制方式和转差频率控制方式的控制思想都是建立在异步电动机的静态数学模型上。因此，动态性能指标不高。对于轧钢、造纸设备等动态性能要求较高的应用，可以采用矢量控制变频器。

采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。

在矢量控制方式中，磁场电流i_m1和转矩电流i_t1可以根据可测定的电动机定子电压、电流的实际值经计算求得。磁场电流和转矩电流再与相应的设定值相比较并根据需要进行必要的校正。高性能速度调节器的输出信号可以作为转矩电流（或称有功电流）的设定值，如图3-17所示。动态频率前馈控制df/dt可以保证快速动态响应。

图3-17 矢量控制原理框图

3.4.4 按主开关器件分类

变频器主开关器件的性能，往往对变频器装置的性能有较关键的影响。通用变频器中最常用的主开关器件都是自关断器件，主要有IGBT、GTO和BJT三大类。目前采用以IGBT为主开关器件的IPM也成为一种趋势，但仅在小容量变频器中开始采用。

IGBT的性能优于BJT，且容量范围可以覆盖BJT。实际上，BJT被IGBT取代已成定势。但在变频器发展的历史进程中，作为通用变频器的主开关器件，BJT曾为一枝独秀，以前的大量通用变频器大多都是BJT变频器。所以在研究变频器原理及性能时，还必须关注它。

目前生产厂商新出品的通用变频器，大多数都已采用IGBT。短短几年中，IGBT已经发展了三代产品，到目前各器件生产厂商还在不断地改进设计和制造工艺，以提高其性能。近两年日本东芝公司为突破IGBT难于达到4000V以上的难关，开发一种沟道栅结构的IGBT，称为IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor），之所以如此命名，是因为其工作机理与原来意义的IGBT有所不同，主要区别是器件导通时引入了“电子注入增强效应”。

GTO的特点是电压高、电流大，已出现6000V/6000A、11000V/10000A的巨型GTO。目前GTO主要用于高压大容量变频器。原来它在中等容量领域所占有的地位，将被IGBT所取代。

就通用变频器来看，将来将以IGBT变频器为主，BJT变频器不会再有新上市的产品，IPM的应用会逐步增加。

IGBT变频器有如下特点：

1）可以制成所谓静音式变频器，使负载电动机的噪声降到工频电网供电时的水平。

2）电流波形更加正弦化，有利于减轻电动机转矩的脉动，并增加低速时的转矩。

3）用于矢量控制时，动态响应特性更快。

4）与BJT变频器相比较，更容易制成上限频率较高的变频器。PWM控制方式更简单，可以省去“分段同步调制”的麻烦。

5）与BJT变频器相比较，驱动功率小，驱动电路简单，整机体积小，质量轻。