变频器的发展经历的过程

以简单地说，交直交变频器需要使用太多的元件，难以控制，而交直交变频器使用的元件较少，控制简单，因此大多数交直交结构的变频器。

1.变频器的开发。

变频器的发展也需要经历一个缓慢而渐进的过程。最初的变频器不使用这种交流：交流变为直流，然后交流拓扑，而是直接交流，没有中间直流链接。该变频器称为交流变频器。目前，该变频器用于超大功率和低速调速。其输出频率范围为0-17（1/2-1/3输入电压频率），因此不能满足许多应用程序的要求。此外，当时没有IGBT，只有SCR，因此应用范围有限。

交叉变频器的工作原理是通过几组相控开关控制三相工频电源直接生成所需的变压变频电源。其优点是效率高，能量方便返回电网。其最大缺点的最大输出频率必须小于输入电源频率的1/3或1/2，否则输出波形太差，电机抖动，无法工作。因此，交叉变频器目前仅限于低速调速场合，因此其使用范围大大限制。

矩阵变频器是一种交叉直接变频器，由九个直接在三相输入和输出之间的开关阵组成。矩阵变换器没有中间直流环节，输出由三个电平组成，谐波含量相对较小；功率电路简单、紧凑，输出频率、振幅值和相位可控正弦负载电压；矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限下工作。虽然矩阵变换器有许多优点，但在转换过程中不允许两个开关同时导致或关闭，这更难实现。

矩阵变换器最大输出电压能力低，设备承受电压高也是此类变换器的一大缺点。应用于风力发电中，由于矩阵变换器的输入输出不解耦，即负载和电源侧的不对称性都会影响另一侧。此外，矩阵变换器的输入端必须连接滤波器电容。虽然其电容的容量小于储能电容，但由于它们是交流电容，因此需要承受开关频率的交流电流。

交-交变频是直接变频，缺少一个环节，但使用的设备数量很多。三相需要36个晶闸管，控制复杂。我们老师开玩笑说，谁调了36根管子就可以马上毕业了。此外，交-交变频只能调整到工频的频率，一般调整到工频的1/3-1/2，差不多20Hz。

二、交直交变频器。

我们将这种交流转换为直流，然后转换为交流。这种变频器被称为交流交流变频器，分为两种类型，一种是交流交流电压型，另一种是交流交流电流型。前者被广泛使用，现在通用变频器使用这种拓扑。其特点是：中间为电解电容器存储提供母线电压，前二极管不控制整流，简单可靠，逆变器采用三相PWM调制（目前调制算法为空间电压矢量）。由于采用了一定容量的电解电容器，直流母线电压稳定。此时，只要逆变IGBT的开关顺序（输出相序、频率）和空比（输出电压大小）得到控制特性。

交-直交变频器首先通过整流器将交流电流整流成直流电，直流中间电路平滑过滤整流电路的输出，然后通过逆变器将直流电流变成频率和电压可变的交流电。

交直交变频器可分为电压型和电流型。由于控制方法、硬件设计等因素，电压逆变器得到了广泛的应用。传统的电流交直交变频器采用自然换流晶闸管作为电源开关，其直流侧电感昂贵，应用于双馈调速。过同步速度时需要换流电路，在低转差频率下性能差，在双馈异步风力发电中应用不多。

整流变频装置采用电压交直交变频器，结构简单，谐波含量低，固定转子功率因数可调，可显著提高双馈发电机的运行状态和输出电能质量，结构通过直流母线侧电容完全实现网络侧与转子侧的分离。电压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有功和无功解耦控制，是变速恒频风力发电的代表方向。

此外，还有一种并联的交直交逆变器拓扑结构。该结构的主要思想是通过交直交电流和交直交电压变频器并联，电流逆变器作为主逆变器负责功率传输，电压逆变器作为辅助逆变器负责补偿电流逆变器谐波。该结构的主逆变器开关频率低，辅助逆变器开关电流低。与上述交直交电压逆变器相比，拓扑结构开关损耗低，整个系统效率高。其缺点也很明显，使用大量的电力电子设备导致成本上升和更复杂的控制算法，结构电压利用率相对较低。

3.交直交变频器需要改进的地方。

虽然交-直交变频器具有输出频率高、功率因数高等优点，但交-直交变频器仍存在许多问题需要改进：

(1)目前大功率高压电力电子设备正处于发展阶段，GTO元件正面临淘汰，IGBT、IGCT尚待成熟；

(2)IGCT(或GTO)、IECT变流器、设备故障导致直接短路保护或问题；如果电源侧变流器直接短路，会导致电网短路，因此变流器必须使用高泄漏阻力输入变压器，一般需要15%甚至20%；

(3)低频运行时交-直-交变频器过载能力降低，5Hz以下一般运行时变频器过载能力减半；

（4）交-直-交变频器输出PWM调制电压波形的电压变化率du/dt非常高，容易对电机和电器造成绝缘疲劳损坏；当输出导线较长时，共模反射电压会在电机侧产生较高的电压。如果是两级变流器，则该电压的峰值是直流电压的两倍。如果是三级变流器，则该电压的峰值是中间半电压的三倍；

(5)PWM调制交-直-交变频器会产生谐波、噪声、轴电流等问题。