變頻器（Variable-frequencyDrive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。
變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。
變頻器基本組成
變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。
整流單元：將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。
高容量電容：存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后的電能。
逆變器：由大功率開關(guān)晶體管陣列組成電子開關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波。
控制器：按設(shè)定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。
變頻器的發(fā)展也同樣要經(jīng)歷一個(gè)徐徐漸進(jìn)的過程，最初的變頻器并不是采用這種交直交：交流變直流而后再變交流這種拓?fù)?，而是直接交交，無中間直流環(huán)節(jié)。這種變頻器叫交交變頻器，目前這種變頻器在超大功率、低速調(diào)速有應(yīng)用。其輸出頻率范圍為：0-17（1/2－1/3輸入電壓頻率），所以不能滿足許多應(yīng)用的要求，而且當(dāng)時(shí)沒有IGBT，只有SCR，所以應(yīng)用范圍有限。
變頻器其工作原理是將三相工頻電源經(jīng)過幾組相控開關(guān)控制直接產(chǎn)生所需要變壓變頻電源，其優(yōu)點(diǎn)是效率高，能量可以方便返回電網(wǎng)，其最大的缺點(diǎn)輸出的最高頻率必須小于輸入電源頻率1/3或1/2，否則輸出波形太差，電機(jī)產(chǎn)生抖動(dòng)，不能工作。故交交變頻器至今局限低轉(zhuǎn)速調(diào)速場合，因而大大限制了它的使用范圍。
矩陣式變頻器是一種交交直接變頻器，由九個(gè)直接接于三相輸入和輸出之間的開關(guān)陣組成。矩陣變換器沒有中間直流環(huán)節(jié)，輸出由三個(gè)電平組成，諧波含量比較?。黄涔β孰娐泛唵?、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負(fù)載電壓；矩陣變換器的輸入功率因數(shù)可控，可在四象限工作。
雖然矩陣變換器有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在其換流過程中不允許存在兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的或者關(guān)斷的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。矩陣變換器最大輸出電壓能力低，器件承受電壓高也是此類變換器一個(gè)很大缺點(diǎn)。
應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電中，由于矩陣變換器的輸入輸出不解耦，即無論是負(fù)載還是電源側(cè)的不對(duì)稱都會(huì)影響到另一側(cè)。另外，矩陣變換器的輸入端必須接濾波電容，雖然其電容的容量比交直交的中間儲(chǔ)能電容小，但由于它們是交流電容，要承受開關(guān)頻率的交流電流，其體積并不小。
交-交變頻就是直接變頻，少了一個(gè)環(huán)節(jié)，但是用的器件量很多，三相的需要36個(gè)晶閘管，控制復(fù)雜。我們老師開玩笑說誰調(diào)通了36個(gè)管子就可以立即畢業(yè)。還有交-交變頻只能往工頻一下調(diào)節(jié)頻率，一般調(diào)到工頻的1/3-1/2，差不多20Hz。
我們把這種交流變直流而后再變交流這種變頻器叫交直交變頻器，分為兩種，一種是交直交電壓型，另外一種是交直交電流型。其中前者廣泛使用，現(xiàn)在的通用變頻器就是采用這種拓?fù)洹?/p>
其特點(diǎn)是：中間為電解電容儲(chǔ)存提供母線電壓，前級(jí)采用二極管不控整流，簡單可靠，逆變采用三相PWM調(diào)制（目前調(diào)制算法是空間電壓矢量）。由于采用了一定容量的電解電容，所以直流母線電壓穩(wěn)定，此時(shí)只要控制好逆變IGBT的開關(guān)順序（輸出相序、頻率）和占空比（輸出電壓大?。涂梢垣@得非常優(yōu)越的控制特性。
交—直—交變頻器則是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，再經(jīng)過逆變器把這個(gè)直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。
交直交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件設(shè)計(jì)等各種因素，電壓型逆變器應(yīng)用比較廣泛。傳統(tǒng)的電流型交直交變頻器采用自然換流的晶閘管作為功率開關(guān)，其直流側(cè)電感比較昂貴，而且應(yīng)用于雙饋調(diào)速中，在過同步速時(shí)需要換流電路，在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用的不多。
采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點(diǎn)，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量，并且該結(jié)構(gòu)通過直流母線側(cè)電容完全實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的分離。
電壓型交直交變頻器的雙饋發(fā)電機(jī)定子磁場定向矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于風(fēng)機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤的發(fā)電機(jī)有功和無功的解耦控制，是目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)代表方向。
此外，還有一種并聯(lián)的交直交逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要思想是通過一個(gè)交直交電流型和一個(gè)交直交電壓型變頻器并聯(lián)，電流型逆變器作為主逆變器負(fù)責(zé)功率傳輸，電壓型逆變器作為輔逆變器負(fù)責(zé)補(bǔ)償電流型逆變器諧波。
這種結(jié)構(gòu)主逆變器有較低的開關(guān)頻率，輔逆變器有較低的開關(guān)電流。同上面提到的交直交電壓型逆變器相比較，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有低開關(guān)損耗，整個(gè)系統(tǒng)的效率比較高。其缺點(diǎn)也是顯而易見的，大量電力電子器件的使用導(dǎo)致成本的上升以及更加復(fù)雜的控制算法，另外該種結(jié)構(gòu)電壓利用率比較低。
盡管交—直—交變頻器具有輸出頻率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，但交—直—交變頻器仍存在許多待改進(jìn)的問題：
（1）當(dāng)前大功率高電壓電力電子器件處在發(fā)展期，GTO元件面臨淘汰，IGBT，IGCT尚待成熟；
（2）采用IGCT（或者GTO）、IECT的變流器，器件故障造成直通短路的保護(hù)還是難題；電源側(cè)變流器如果發(fā)生直通短路會(huì)造成電網(wǎng)短路，所以變流器必須采用高漏抗輸入變壓器，一般要求15%，甚至高達(dá)20%；
（3）交—直—交變頻器低頻運(yùn)行時(shí)過載能力減低，一般運(yùn)行在5Hz以下時(shí)變頻器過載能力減半；
（4）交—直—交變頻器輸出PWM調(diào)制電壓波形的電壓變化率du/dt很高，容易造成電機(jī)和電器的絕緣疲勞損傷；輸出導(dǎo)線較長時(shí)，共模反射電壓會(huì)在電機(jī)側(cè)產(chǎn)生很高的電壓，如果是兩電平的變流器，這個(gè)電壓的峰值是直流電壓的兩倍，如果是三電平的變流器，這個(gè)電壓的峰值是中間一半電壓的三倍；
（5）交—直—交變頻器PWM調(diào)制將產(chǎn)生諧波、噪聲、軸電流等問題。
