常用的中壓直接變頻器有三種：

1. 電壓型三電平變頻器

三電平變頻器主電路示于圖1。它的輸入側(cè)是12脈動(dòng)不控整流，輸出側(cè)是三電平逆變器。

三電平變頻的特點(diǎn)：

1. 1. 通過中點(diǎn)箝位實(shí)現(xiàn)串聯(lián)開關(guān)器件均壓，比兩電平線路提高輸出電壓一倍；
   2. 輸出電平為正、零和負(fù)三個(gè)，改善了輸出波形，減少諧波；
   3. 輸入12脈波整流，網(wǎng)側(cè)電流諧波不大，一般能滿足工業(yè)電網(wǎng)要求，特殊要求也可24脈波整流，諧波更小。多脈波不控整流，功率因數(shù)高（> 0.95）；
   4. 電壓型變頻，中間直流儲(chǔ)能元件是電容器，效率高；
   5. 主電路比H橋級(jí)聯(lián)簡(jiǎn)單，器件數(shù)少。

三電平變頻器的問題：

1. 使用高壓開關(guān)器件，輸出波形dV/dt 高，必須使用變頻專用電機(jī)或加接正弦波濾波器，體積大，增加損耗；
2. 輸出電壓達(dá)不到6 kV或10 kV。Siemens公司用3300V IGBT器件，在器件不串條件下，最大輸出電壓2300V，若圖1中每個(gè)器件為2串，最大輸出電壓4160V。ABB公司用4500V IGCT器件，在不串條件下輸出3000V。我國(guó)中山明陽(yáng)電器公司用4500V IGCT兩串，輸出6 kV，仍達(dá)不到10 kV。

2. 電壓型H橋級(jí)聯(lián)變頻器

H橋級(jí)聯(lián)變頻器主電路示于圖2.a，每相多個(gè)H橋串聯(lián)，每個(gè)H橋（圖2.b）輸入為三相不控整流，接一組變壓器副邊，輸出為4個(gè)1700V低壓IGBT接成的單相橋。

H橋級(jí)聯(lián)的特點(diǎn)：

1. 使用低壓IGBT，H橋級(jí)聯(lián)，輸出電壓波形電平數(shù)多（每H橋三電平），波形好，dV/dt小，不用專用電機(jī)或?yàn)V波器；
2. 級(jí)聯(lián)數(shù)越多，輸出電壓越高，Robicon公司用5～6個(gè)橋級(jí)聯(lián)輸出6 kV，我國(guó)一些公司用9～10個(gè)串聯(lián)，輸出10 kV（外國(guó)公司認(rèn)為在這容量范圍內(nèi)使用10 kV不合理，都不生產(chǎn)10 kV變頻器）；
3. 變壓器副邊多，通過移相20º使網(wǎng)側(cè)電流諧波小，功率因數(shù)高（> 0.95）；
4. 電壓型變頻，電容儲(chǔ)能效率高。

H橋級(jí)聯(lián)的特點(diǎn)：

1. 線路復(fù)雜，器件數(shù)多，影響可靠性；
2. 變壓器副邊繞組數(shù)太多，制造接線復(fù)雜；
3. 橋太多，提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩困難?，F(xiàn)開發(fā)了諧波注入制動(dòng)方法，制動(dòng)力矩僅10％左右，且制動(dòng)能量消耗在電機(jī)中，導(dǎo)致發(fā)熱增加。

3. 電流型PWM變頻器

Rockwell公司生產(chǎn)的電流型PWM變頻器主電路示于圖3。它的輸入側(cè)是18脈動(dòng)（也可12脈動(dòng)）晶閘管可控整流，通過移相控制，控制直流電流，輸出側(cè)是由直接串聯(lián)的SGCT串（SGCT——正反阻斷電壓一樣的IGCT，稱對(duì)稱IGCT）組成的三相橋，控制輸出電流、頻率和相位，輸出電壓6500V。

電流型PWM變頻器的特點(diǎn)是：

1. 直流儲(chǔ)能元件是電感，不怕逆變橋直通（橋直通是電壓型逆變器的問題），但電抗器體積，重量，損耗大，是低效儲(chǔ)能元件；
2. 輸入側(cè)18脈動(dòng)整流，網(wǎng)側(cè)諧波小，但移相控制導(dǎo)致功率因數(shù)降低；
3. 輸出端接有電容，輸出電壓接近正弦，不用專用電機(jī)或加濾波，但這輸出電容是1000 Hz的交流電容，體積大，價(jià)高；
4. 電流型逆變器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回饋電網(wǎng)容易，不用另加環(huán)節(jié)。

4. 轉(zhuǎn)子側(cè)串調(diào)

    轉(zhuǎn)子側(cè)調(diào)速適用于繞線異步機(jī)，定子接中壓電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接調(diào)速裝置，有兩種調(diào)速方法：只從同步速下調(diào)的系統(tǒng)通常稱串調(diào)；在同步速兩側(cè)都調(diào)節(jié)的系統(tǒng)稱雙饋。絕大多數(shù)風(fēng)機(jī)和泵只需要下調(diào)，故本文僅限于串調(diào)系統(tǒng)。

串調(diào)系統(tǒng)有許多非常適合大功率風(fēng)機(jī)和泵應(yīng)用的特點(diǎn)：

1. 用低壓設(shè)備控制中壓電機(jī)

繞線異步機(jī)的轉(zhuǎn)子是低壓

U_R＝SU_R0                             （2）

式中：S＝（n₀－n）/ n₀——滑差，U_R0——轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)（S＝1）的轉(zhuǎn)子電壓，通常U_R0 < 1000 V 。風(fēng)機(jī)和泵要求40％調(diào)速范圍，S ≤ 0.4，U_R ≤ 400 V。可以用低壓400 V調(diào)速裝置控制6 kV 或10 kV電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2. 調(diào)速裝置容量小

轉(zhuǎn)子輸出功率

     P_r / P_N ≈ (U_RI_R) / (U_R0I_RN)

式中：I_R和I_RN——轉(zhuǎn)子電流和它的額定值，I_R / I_RN ≈ m ——轉(zhuǎn)矩相對(duì)值。代入式（2）

     P_r / P_N = S(1－S)²                      (3)

高速時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩m大，滑差S小，P_r不大；低速時(shí)S大，m小，P_r也不大；最大值出現(xiàn)在S = 1/3時(shí)，

     P_r.max ≈ 0.15 P_N                        (4)

調(diào)速裝置的功率按P_r.max選取，可以用15％P_N調(diào)速裝置控制100％P_N的電機(jī)。由于風(fēng)機(jī)和泵的負(fù)載特性不嚴(yán)格遵循二次方關(guān)系，通常按P_r.max = ( 0.2～0.3 ) P_N計(jì)算。

3. 旁路和起動(dòng)容易

旁路指在變頻故障時(shí)，去掉變頻器，直接將電機(jī)接入電網(wǎng)恒速工作，中壓變頻器旁路需用高壓斷路器，操作不當(dāng)會(huì)引起電流沖擊，跳閘。另外大功率電機(jī)直接起動(dòng)也較困難。串調(diào)系統(tǒng)在旁路時(shí)不必操作高壓斷路器，只需將電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出端短路就行。起動(dòng)時(shí)可通過轉(zhuǎn)子回路中串頻敏變阻器限制起動(dòng)電流，起動(dòng)平穩(wěn)。

串調(diào)系統(tǒng)的不足：

1. 只能用于繞線異步機(jī)，有滑環(huán)和電刷，大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)可接受，但某些場(chǎng)合不能用?，F(xiàn)也有無刷雙饋電機(jī)，有繞線機(jī)的性能，但無刷，這種電機(jī)本身性能較差，功率因數(shù)低，體積和重量大，非特殊場(chǎng)合不宜推廣；
2. 電網(wǎng)進(jìn)線功率因數(shù)比中壓變頻低，因?yàn)橛呻姍C(jī)勵(lì)磁和轉(zhuǎn)子整流重疊角引起的無功得不到補(bǔ)償或僅部分補(bǔ)償；
3. 高速區(qū)（S < 10 ~ 15%）調(diào)速困難（一些水泵要求這種工況）。異步機(jī)轉(zhuǎn)子本身電阻很小，直接短路時(shí)額定滑差S_N = 4～5％左右，現(xiàn)串入調(diào)速裝置后，轉(zhuǎn)子回路電阻加大，高速區(qū)轉(zhuǎn)子電流又大，小滑差調(diào)節(jié)難實(shí)現(xiàn)。

轉(zhuǎn)子串調(diào)系統(tǒng)有三種：

1. 傳統(tǒng)串調(diào)

傳統(tǒng)串調(diào)主回路示于圖4

    電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出功率經(jīng)二極管DR整流，平波電抗器L濾波，晶閘管逆變器TI逆變，變壓器TF返回電網(wǎng)，通過晶閘管移相控制改變直流母線電壓來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

影響傳統(tǒng)串調(diào)推廣應(yīng)用的主要障礙是：

1. 設(shè)備多，且龐大

盡管P_r.max只有0.148，但DR和TI都必須按最大電壓和最大電流之積（U_r.max• I_r.max）來選取，留10％電壓裕量后為50％P_N，相應(yīng)變壓器TF的容量約為60％P_N。電抗器L的體積，重量和價(jià)格取決于它的儲(chǔ)能能力。本線路L中流過全部經(jīng)整流的轉(zhuǎn)子電流值，很大，電感量L與電感上電壓頻率成反比，該線路中為300H_Z，不高，L不小，所以電抗器也很大。

2. 功率因數(shù)低，諧波較大

串調(diào)的無功由4部分組成：

• • • 電機(jī)的勵(lì)磁容量Q_ex。這部分無功與電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)基本無關(guān)，可

視為固定量，約為0.3～0.4 P_N；

• • • 電機(jī)漏感使DR整流時(shí)出現(xiàn)較大換相重疊角θ_u，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流滯

后于電勢(shì)產(chǎn)生無功Q_u。在額定轉(zhuǎn)矩時(shí)產(chǎn)生大約為30％P_N的無功；

• • • 諧波引起的無功。這部分較小，粗略計(jì)算可以忽略；
    • 逆變器TI移相控制產(chǎn)生的無功Q_TI；

電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，S越小，U_R越小，移相角α越接近90º，Q_TI越大。在額定速附近α接近90º，全部逆變電流都是無功，而這時(shí)轉(zhuǎn)子電流又最大，Q_TI.max ≈ 60％P_N，致使整個(gè)串調(diào)在額定工作點(diǎn)的功率因數(shù)降至0.6～0.65左右。

串調(diào)的諧波由兩部分組成：

• • • DR產(chǎn)生的諧波。由于換相重疊角θ_u較大，這部分諧波量較小，

但也會(huì)通過氣隙影響定子電流，產(chǎn)生低頻諧波；

2. • • TI產(chǎn)生的諧波，由于TI的容量較大，故諧波量仍較大。
3. 流過L和TF中的電流大，損耗較大。

2. 內(nèi)反饋電機(jī)＋斬波式串調(diào)

內(nèi)反饋電機(jī)就是在電機(jī)定子繞組中加一套輔助電源繞組，由它向逆變器提供電源，接受由轉(zhuǎn)子返回來的能量，把電機(jī)和變壓器合為一體，從而去掉龐大的變壓器，簡(jiǎn)化串調(diào)主電路。所謂斬波式串調(diào)就是在傳統(tǒng)串調(diào)基礎(chǔ)上，在直流回路中加入升壓式（Boost）斬波器BC，參見圖5。

BC由斬波開關(guān)器件CS，二極管SD，儲(chǔ)能電感L_s及電容C_s（C_s是直流電容，體積較?。┙M成。當(dāng)開關(guān)器件CS導(dǎo)通時(shí)，AB兩端短路，I_DR增加，L_s增加儲(chǔ)能；當(dāng)CS斷時(shí)，I_DR經(jīng)SD向電容C_s充電，L_s放出剛才增加的儲(chǔ)能。直流母線電壓：

               U_DR＝（1－D）U_D

式中 D——CS導(dǎo)通占空比，0<D<1，U_D>U_DR。

工作時(shí)，TI的移相角固定在最小逆變角β＝30º，U_D為固定值。若D大，U_DR小，電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓低，滑差小，轉(zhuǎn)速高；反之若D小，U_DR大，電機(jī)轉(zhuǎn)速低，通過改變D調(diào)速。

與傳統(tǒng)串調(diào)相比，加入斬波后有如下好處：

1. 1. 無論轉(zhuǎn)速高低，TI都工作在β＝30º，UD維持最大逆變電壓不變，

逆變器的容量S_TI和電機(jī)輔助繞組容量S_aw都按轉(zhuǎn)子最大輸出功率  P_r.max來算，

 ，   

大大小于傳統(tǒng)串調(diào)。這樣小的S_aw可以在不改變電機(jī)尺寸情況下將輔助繞組裝入定子（斬波串調(diào)中的整流DR，電抗器L_s，斬波開關(guān)CS，仍按最大電壓和最大電流選）；

1. 2. 由于TI容量減小及工作時(shí)β角小，它產(chǎn)生的無功遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)串調(diào)，

高速時(shí)，S小，P_r和Q_TI小，這時(shí)串調(diào)總無功略低于電機(jī)本身產(chǎn)生的無功，功率因數(shù)應(yīng)在0.8左右；

1. 3. 由于S_TI比傳統(tǒng)串調(diào)小2～3倍，逆變器產(chǎn)生的諧波也減小相應(yīng)倍數(shù)；
   4. 由于S_TI小，相應(yīng)電抗器L的體積，重量和價(jià)格也減小，但增加了一

臺(tái)斬波電抗L_s。

斬波串調(diào)的不足是：

1. 有兩臺(tái)電抗器，體積、重量和損耗大；
2. 功率因數(shù)偏低，特別是在S＝0.2～0.3范圍內(nèi)（調(diào)速風(fēng)機(jī)和泵經(jīng)常工

作的區(qū)域）功率因數(shù)下降很快，僅0.6左右；

3. 在定子電流中仍存在TI產(chǎn)生的5、7次諧波及DR產(chǎn)生的低頻諧波。

3. 轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速

     轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速主電路示于圖6，從原理上說屬斬波串調(diào)，只是逆變器為IGBT電壓型PWM逆變器BI。

與圖5系統(tǒng)比，本方法有如下特點(diǎn)：

1. 用IGBT斬波，開關(guān)頻率高，圖5中電抗器L_s取消。電壓型IGBT

逆變器直流側(cè)有直流電容，無電抗，圖5中電抗器L取消，儲(chǔ)能電容C_s就用逆變器中電容?，F(xiàn)在的IGBT模塊已將IGBT斬波器件和二極管做在一起，因此調(diào)速裝置主電路就只有DR、BC、BI三大件，非常簡(jiǎn)明，實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)逆向應(yīng)用的在直流母線中插入斬波開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)電壓型IGBT變頻器，故稱為轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速；

2. 改用IGBT逆變器后，逆變器產(chǎn)生的無功可以從感性到容性任意調(diào)節(jié)

（包括無功為零）。在轉(zhuǎn)子變頻系統(tǒng)中，無功調(diào)至容性，無功量設(shè)定為

                      （5）

只要P_r < S_BI，BI可產(chǎn)生容性無功去補(bǔ)償由勵(lì)磁和整流重疊角產(chǎn)生的感性無功。如果保持內(nèi)反饋電機(jī)輔助繞組和BI容量與晶閘管斬波串調(diào)一樣，計(jì)算結(jié)果表明BI產(chǎn)生的容性無功Q_I可基本上補(bǔ)償?shù)粲烧髦丿B角引起的感性無功Q_u，總的功率因數(shù)在高速時(shí)達(dá)0.9以上，在n=0.7n_N時(shí)仍有0.8；

3. 改用IGBT逆變器后，由于采用正弦波PWM調(diào)制，輸出電流為近似

的正弦波，且逆變器容量小，僅為（0.2～0.3）P_N，所以它的諧波對(duì)電網(wǎng)影響很?。?/font>BI產(chǎn)生一些開關(guān)頻率的諧波，但頻率高，可被電機(jī)漏感濾掉，影響不大）。二極管整流產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的影響還可以在不改變主電路前提下，通過在控制電路中增加有源濾波環(huán)節(jié)，經(jīng)BI消除。^［3］