（已结贴）工控求职面试题擂台第十八期—变频器的一些基础知识 点击：3670 | 回复：26
擂台一：变频器分类中的“交—直—交是什么意思？”，请详细回答并解释原因，附有相关图片解释的更佳。
擂台二：变频器的逆变器中的“SPWM代表什么？”其与“PWM”逆变器有什么区别和优势？请详细回答并解释原因，附有相关图片解释的更佳。
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变频器的逆变器中的“SPWM代表什么？”其与“PWM”逆变器有什么区别和优势？
SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。
在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。
SPWM脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔宽度是由正弦波(基准波或调制波)和等腰三角波(载波)的交点来决定的
1、变频器分类中的“交—直—交”是将三相{或单相}不可调工频电源经过整流桥整流成直流电，再经过逆变桥把直流电逆变成频率任意可调的交流电，以实现无级调速。如图所示：
功率部分:交直交变频器的主电路如图所示，变频器调速过程中出现的许多现象都应通过主电路来进行分析,因此，熟悉主电路的结构，透彻了解各部分的原理，具有十分重要的意义。
1 交-直变换电路
⑴图中（VD1-VD6）为交直变换全波整流电路，在中小容量变频器中，整流器件采用不可控整流二极管或二极管模块。(2)图中（CF1 CF2）为滤波电容器，由于交流电被整流出的直流电中会有交流含量，为了获取平稳的直流电而设置滤波电容。（3）因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组CF1 和CF2的电容量常不能完全相等，这将导致各自压降不相等。为了使其压降相等，在CF1 CF2旁各并联一个阻值相等的均压电阻RC1和RC2。（4）（RH HL）为电源指示电路，除此之外HL也具有提示保护的作用，当变频器切断电源后,由于CF的容量较大，导致CF的电压高，如不放完电，对人身安全会构成威胁。（5）（RL SL）为限流电路。当变频器刚接入电源的瞬间，将有一个很大的冲击电流经整流桥到滤波电容，使整流桥可能因此受到损坏，限流电阻RL就是为了削弱该冲击电流而串联在整流桥和滤波电容之间。限流电阻常接在电路中会影响到直流电压U，也增大了电路的损耗，所以当U增大到一定程度时，令短路开关SL接通切除RL。
2 能耗电路（RB VB）为能耗电路。电动机的降速和停机通过逐渐减少频率来实现，但由于机械惯性的原因，导致电机处于再生制动状态，它将引起直流U升高，过高的直流电压将使变频器件受到损害，因此当直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路将再生的电能消耗掉，所以制动单元中VB RB起到和消耗电能的作用。
3 直-交变换电路
（1）三相逆变桥工作原理，以单相逆变为例，如图：
擂台一：
变频器的结构主要包括主功率部分和控制部分。主功率电路大体上又可分为电压型和电流型两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。目前应用最多是电压型变频器。
1. 整流电路
整流电路（Rectifying Circuit），把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由整流主电路、电抗器和滤波器等组成。主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成；滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分；电抗器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可以减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。
整流电路按其组成器件可分为不控整流电路、半控整流电路和全控整流电路。后两种电路按其控制方式又可分为相控整流电路和斩波整流电路。
相控整流电路由于采用电网换相方式，不需要专门的换相电路，因而电路简单、工作可靠，得到广泛应用。但相控整流电路在控制角α较大时，功率因数较低，网侧电流谐波含量较大。因而在大功率调速传动中，低速运行时，采用斩控整流电路可解决功率因数变坏的问题。
2. 逆变电路
逆变电路，将直流电能变换为交流电能的变换电路。逆变电路是通用变频器核心部件之一，起着非常重要的作用。它的基本作用是在控制电路的控制下将直流母线上输出的直流电转换为频率和电压都任意可调的交流电。
为了满足不同用电设备对交流电源性能参数的不同要求，目前已发展了多种逆变电路，并大致可按以下方式分类：
按输出电能的去向
有源逆变，将直流电变成和电网同频率的交流电反送到电网中。
无源逆变，将直流电变成为某一频率或可变频率的交流电直接供负载使用。
按直流电源的性质
电压型逆变电路，又叫电压源型逆变电路（Voltage Source Type Inverter），其特点：直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；阻感负载时需要提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通路，逆变桥各臂开关器件需并联反馈二极管。
电流型逆变电路，又叫电流源型逆变电路（Current Source Type Inverter），其特点：直流侧串有大电感，电流基本无脉动，相当于电流源；交流侧输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同；直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管；多采用半控型器件，换向方式有负载换向、强迫换向。
按主电路的器件
全控型逆变电路，具有自关断能力的全控型器件组成的逆变电路。
半控型逆变电路，由无关断能力的半控型器件组成的逆变电路，必须利用换流电压以关断导通的器件。若换流电压取自逆变的负载端，称为负载换流式逆变电路，仅适用于容性负载；对于非容性负载，换流电压由辅助的专门换流电路产生，称自换流式逆变电路。
按电流波形
正弦逆变电路，开关器件中的电流为正弦波，其开关损耗较小，宜工作于较高频率。
非正弦逆变电路，开关器件中的电流为非正弦波，因其开关损耗较大，故工作频率比正弦逆变电路低。
按输出相数
单相逆变电路
多相逆变电路
目前，应用最广的逆变电路是三相桥式电压源型逆变电路。
擂台一：变频器分类中的“交—直—交是什么意思？”，请详细回答并解释原因，附有相关图片解释的更佳。
整流器把交流变成直流，经过平滑滤波，再经过逆变回路，把直流变成不同频率的交流。使电动机获得无级调速所需要的电压、电流、频率。这种变频器叫交-直-交变频器。
组成：VD1～VD6（三相桥式二极管整流器）
功能：将工频交流电整流为脉动直流电。
组成：C1、C2、R1、R2
功能：将脉动直流电变为较平滑的直流电。
组成：VT1~VT6、VD7~VD12
功能：将直流电变为频率和电压可调的三相交流电
组成：VT7、R5
功能：消耗电动机制动过程中的回馈能量
擂台一：变频器分类中的“交—直—交是什么意思？”，请详细回答并解释原因，附有相关图片解释的更佳。
交直交变频器是目前应用最广的变频器，因此对想了解变频器的新手们，学会交直交变频器是最基本的要求，为了对帮助你们更好的了解交直交变频器，我从互联网上整理出了交直交变频器的相关信息。
变频器原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。交—直—交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。
交直交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。传统的电流型交直交变频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电中应用的不多。采用电压型交直交变频器这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点，可以明显地改善双馈发电机的运行状态和输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离。电压型交直交变频器的双馈发电机定子磁场定向矢量控制系统，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解耦控制，是目前变速恒频风力发电的一个代表方向。
此外，还有一种并联的交直交逆变器拓扑结构。这种结构的主要思想是通过一个交直交电流型和一个交直交电压型变频器并联，电流型逆变器作为主逆变器负责功率传输，电压型逆变器作为辅逆变器负责补偿电流型逆变器谐波。这种结构主逆变器有较低的开关频率，辅逆变器有较低的开关电流。同上面提到的交直交电压型逆变器相比较，该拓扑结构具有低开关损耗，整个系统的效率比较高。其缺点也是显而易见的，大量电力电子器件的使用导致成本的上升以及更加复杂的控制算法，另外该种结构电压利用率比较低。
高压变频器可分为交－直－交变频器和交－交变频器，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点： 效率高，调速过程中没有附加损耗； 应用范围广，可用于笼型异步电动机； 调速范围大，特性硬，精度高； 技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。
整流电路把电源提供的交流电压变换为直流电压，电路型式分为不可控整流电路和可控整流电路。
中间电路分为滤波电路和制动电路等不同的形式，滤波电路是对整流电路的输出进行电压或电流滤波，经大电容滤波的直流电提供给逆变器的称为电压型逆变器，经大电感滤波的直流电提供给逆变器的称为电流型逆变器；制动电路是利用设置在直流回路中的制动电阻或制动单元吸收电动机的再生电能实现动力制动。
逆变电路是将直流电变换为频率和幅值可调节的交流电，对逆变电路中功率器件的开关控制一般采用SPWM控制方式。
1 不可控整流电路
不可控整流电路使用的元件为功率二极管，不可控整流电路按输入交流电源的相数不同分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。
三相桥式整流电路共有六只整
流二极管，其中VD1、VD3、VD5三只管子的阴极连接在一起，称为共阴极组；VD4、VD6、VD2三只管子的阳极连接在一起，称为共阳极组。共阴极组三只二极管VD1、VD3、VD5在t1、t3、t5换流导通；共阳极组三只二极管VD2、VD4、VD6在t2、t4、t6换流导通。一个周期内，每只二极管导通1／3周期，即导通角为120°。通过计算可得到负载电阻RL上的平均电压为Uo = 2.34U2
2 可控整流电路
三相桥式全控整流电路
三相交流电源电压uR、uS、uT正半波的自然换相点为1、3、5，负半波的自然换相点为2、4、6。当α＝0°时，让触发电路先后向各自所控制的6只晶闸管的门极(对应自然换相点)送出触发脉冲，即在三相电源电压正半波的1、3、5点向共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5 输出触发脉冲；在三相电源电压负半波的2、4、6点向阳极组晶闸管VT2、VT4、VT6 输出触发脉冲，负载
上所得到的整流输出电压ud波形如图，所示的由三相电源线电压uRS、uRT、uST、uSR、uTR和uRS的正半波所组成的包络线 。
二、中间电路
1滤波电路
虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但是这种电压或电流含有频率为电源频率6倍的纹波，则逆变后的交流电压、电流也产生纹波。因此，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。这种电路称为滤波电路。
1. 电容滤波
通常用大容量电容对整流电路输出电压进行滤波。由于电容量比较大，一般采用电解电容。
二极管整流器在电源接通时，电容中将流过较大的充电电流(亦称浪涌电流)，有可能烧坏二极管，必须采取相应措施。图3-7给出几种抑制浪涌电流的方式。
三、逆变电路的工作原理及基本形式
逆变电路的工作原理
逆变电路也简称为逆变器，图单相桥式逆变器，四个桥臂由开关构成，输入直流电压E，逆变器负载是电阻R。当将开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，电阻上得到左正右负的电压；间隔一段时间后将开关S1、S4打开，S2、S3闭合，电阻上得到右正左负的电压。我们以频率f交替切换S1、S4和S2、S3，在电阻上就可以得到图3-13b所示的电压波形。
图为半桥逆变电路原理图，直流电压Ud加在两个串联的足够大的电容两端，并使得两个电容的连接点为直流电源的中点，即每个电容上的电压为Ud/2。由两个导电臂交替工作使负载得到交变电压和电流，每个导电臂由一个功率晶体管与一个反并联二极管所组成。
2、电压型逆变器
电压型逆变器直流侧一定接有大电容滤波，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗，相当于电压源。
电压型逆变器的主要特点有：① 由于直流电压源的恒压作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形及其相位因负载阻抗角的不同而异；② 当交流侧为电感性负载时，需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的能量提供通路，各臂都需并联反馈二极管；③ 逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，必然由直流电流的脉动影响功率的脉动。
三相逆变电路应用最为广泛， 图为三相桥式逆变器的主电路。
3、电流型逆变器
电流型变频器一般在直流侧串接有大电感，使直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗，相当于电流源。
电流源的主要特点有：① 逆变电路中的开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形及相位因负载阻抗角不同而异，电感负载时其波形接近正弦波；② 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故开关器件不必反并联二极管；③ 逆变器从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电流无脉动，输出直流电压的脉动引起功率的脉动。
图a是电流型三相桥式逆变电路 。图b给出了逆变电路输出的三相电流波形及线电压波形。
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