二、变频器的结构

变频器电路如图21所示。

（一）整流器

电源电压一般是固定频率的三相或单相交流电压（3×400V/50Hz或1×240V/50Hz），它们的特征值可以用图22来表示。

如图22所示，三相在时间上有相位移，而且相电压不断地改变方向。频率是以每秒钟的周期数来表示的。频率为50Hz就是意味着每秒钟有50个周期，即每个周期为20ms。

变频器中的整流器可由二极管或晶闸管单独构成，也可由两者共同构成。由二极管构成的是不可控整流器，由晶闸管构成的是可控整流器。二极管和晶闸管都用的整流器是半控整流器。

图2-1 变频器电路

图2-2 单相及三相交流电压

1.不可控整流器

二极管的工作模式如图23所示。

图2-3 二极管的工作模式

二极管只允许电流单方向流过，即从阳极（A）流向阴极（K）。二极管不能像某些半导体器件那样控制流过的电流。加在一个二极管上的交流电压被变换成脉动的直流电压。如三相交流电压加在一个三相不可控的整流器上，直流电压将是连续的脉动电压。

图24所示是一个三相不可控整流器。它由两组二极管构成。二极管VD₁、VD₃和VD₅为一组，VD₂、VD₄和VD₆为另一组。每只二极管导通1/3周期（即120°）。在每组二极管中，二极管是按顺序导通的，而对两组二极管的控制上有1/6周期（即60°）的相位差。

当所加电压为正时，二极管VD₁、VD₃、VD₅导通。如果L₁相的电压达到正的峰值，A端的电压值就是L₁相的值。另外两只二极管分别被加上大小为U_L1-2和U_L1-3的反压。

这同样适用于二极管组VD₂、VD₄、VD₆。这里三端接受负的相电压。在某一时刻如VD₃低于一个负的门限值，则二极管VD₆导通，其他两只二极管承受大小为U_L3-1和U_L3-2的反压。

图2-4 不可控整流器

不可控整流器的输出电压是两个二极管组上电压的差。输出的脉动直流电压平均值为1.35×线电压。

不可控三相整流器的输出电压如图2-5所示。

2.可控整流器

在可控整流器中，晶闸管取代了二极管。像二极管一样，晶闸管只能允许电流从阳极（A）流向阴极（K）。晶闸管与二极管的区别是晶闸管有第三个端子“门极”（G）。在晶闸管导通前，门极必须输入一个信号。当晶闸管流过电流后直到这个电流减小到零为止，晶闸管始终保持导通。

流过晶闸管的电流不会因门极的信号而中断。晶闸管被用于整流器和逆变器。

所谓门极信号是晶闸管的控制信号α，它是一个时间延迟信号，以相位角的度数来计量。这一角度表示电压过零时刻与晶闸管导通时刻之间的时间延迟。

晶闸管的工作模式如图2-6所示。

图2-5 不可控三相整流器的输出电压

图2-6 晶闸管的工作模式

如α在0°和90°之间，晶闸管被用作整流器。当α在90°和270°之间时，晶闸管被用作逆变器。

三相可控整流器如图2-7所示。

图2-7 三相可控整流器

可控整流器除了晶闸管受控于α之外，基本上与不可控整流器相同。晶闸管在电压过零后30°时开始导通。

调节α可使整流电压值改变，可控整流器提供的直流电压平均值为1.35×线电压×cosα。三相可控整流器的输出电压如图2-8所示。

与不可控整流器相比，可控整流器将造成较大的损耗及对电源的干扰，因为当晶闸管的导通时间较短时，整流器要从电源吸取较大的无功电流。但是可控整流器也有优点，就是能量可以反馈给电源。

（二）中间电路

中间电路可看做是一个能量的存储装置，电动机可以通过逆变器从中间电路获得能量。和逆变器不同，中间电路可根据三种不同的原理构成。

1.电流源逆变器（I-converters）

可变直流电流型中间电路如图2-9所示。

图2-8 三相可控整流器的输出电压

图2-9 可变直流电流型中间电路

在使用电流源逆变器时，中间电路由一个大的电感线圈构成，它只能与可控整流器配合使用。电感线圈将整流器输出的可变直流电压转换成可变的直流电流。电动机电压的大小取决于负载的大小。

2.电压源逆变器（U-converters）

固定直流电压型中间电路如图2-10所示。

图2-10 固定直流电压型中间电路

在使用电压源逆变器时，中间电路由含有电容器的一个滤波器构成，两种整流器都可以与它配合使用。这个滤波器使整流器输出的脉动直流电压（U_z1）变得平滑。

在使用可控整流器时，针对逆变器每一个给定的输出频率，整流器的输出电压应为一个对应的定值，因此可控整流器为逆变器提供幅值可变的纯净的直流电压（U_z2）。在使用不控整流器时，逆变器的输入电压是幅值一定的直流电压。

3.可变直流电压型中间电路

可变直流电压型中间电路如图2-11所示。

图2-11 可变直流电压型中间电路

如图2-11所示，在可变直流电压型中间电路中，一个斩波器被加在滤波器前。

斩波器有一个晶体管，它的工作像一只开关使整流电压接通和断开。控制电路将滤波器后的可变电压（U_v）和输入信号进行比较，依此调节斩波器。如果有误差，晶体管导通时间和关断时间之比就受到调节。这将改变直流电压的有效值。直流电压可表示为

当斩波器晶体管切断电流时，滤波电感线圈会使加在晶体管两端的电压无限升高。为了防止出现这一现象，用续流二极管来保护斩波器。当晶体管如图2-12所示导通和关断时，情况2的输出电压较高。

图2-12 斩波器晶体管调节中间电路

中间电路的滤波器使斩波器输出的方波电压变得平滑。滤波器的电容和电感使输出电压在给定频率下维持一定。中间电路还能提供如下一些附加功能，这取决于中间电路的设计。例如：

1）使整流器和逆变器解耦；

2）减少谐波；

3）储存能量以承受断续的负载波动。

（三）逆变器

逆变电路及其输出电压如图2-13所示。

图2-13 逆变电路及其输出电压

（1）逆变电路的结构与输出电压

逆变电路由开关器件VT₁～VT₆构成，称为逆变桥。其功能是把直流电转换成频率可调的三相交流电。

逆变电路实际输出线电压的波形是经过SPWM调制后的高频脉冲系列，如图2-13b所示。但就宏观效果而言，它和图2-13c所示的正弦波是等效的。因此，分析过程中，为了便于理解，把逆变电路的输出线电压就看成正弦波电压。

（2）反向二极管的作用

图2-13中，每个IGBT旁边都反并联一个二极管（VD₇～VD₁₂），这是外加电压和电动机定子绕组的反电动势之间的相互作用的需要。具体作用可以通过电动机的不同状态来说明。

1.逆变电路的电流路径

（1）电动机状态（n_M<n₀）

电动机状态如图2-14所示。

图2-14 电动机状态

a）空载示意图 b）矢量图 c）电路图 d）电压、电流曲线

假设电动机带动一个起升机构向下运行，如图2-14a所示。当吊钩处于空钩状态时，吊钩的自身重量不足以向下动行，必须由电动机来带动。故电动机处于电动状态。

这时，电动机转子的转速低于同步转速，转子绕组以和磁场旋转的相反方向切割磁力线，所产生的电磁转矩方向和磁场旋转方向相同，是带动吊钩下降的（见图2-14a）。

（2）发电机状态（n_M>n₀）

当吊钩所带重物很重时，重物的重力加速度将使转子的转速超过同步转速，转子绕组切割磁力线的方向和磁场旋转方向相同，转子电流以及电磁转矩都和磁场的旋转方向相反，如图2-15a所示。电流与电压的瞬时值曲线如图2-15d所示。这时反电动势克服电源电压，经反向二极管流向直流电路而霎时间超过了电源电压克服反电动势经IGBT流向电动机而做功的时间（t₁>t₂）。所以总的来说，是电动机的反电动势在做功，或者说是重物的位能通过电动机发电而做功，电动机处于发电状态，也叫再生状态。

电动机产生发电效应的场合：

1）停机降速时，当停机设置了频率下降时间，因电动机的惯性大，转速高于了变频器的输出频率，电动机变为发电机。

2）起重设备重物下降时，重物拉着电动机转动，为了给电动机一个制动力矩，变频器输出频率低于电动机的转速，使电动机发电，发出的电能被制动电阻所消耗，电动机保持匀速下降。

3）在正常工作中，不规则的反冲击负载造成电动机快转，产生发电效应。

4）调速设备中，当速度下降得过快，产生发电效应。

发电机状态如图2-15所示。

图2-15 发电机状态

a）重载示意图 b）矢量图 c）电路图 d）电压、电流曲线

2.逆变桥输出的禁忌

输入、输出不允许接错如图2-16所示。

（1）主电路的输入、输出不允许接错

假设在某一瞬间，电源电压为L₁“+”、L₂“-”，在同一瞬间，恰值VT3导通，则电流从L₁经VD₇、VT₃至L₂，形成短路，VT₃将立即损坏，由于VT₃和VT₆是交替导通的，中间只隔几微秒，所以VT₆也随即损坏，又由于是双极性调制，所以瞬间6只IGBT全部损坏。

图2-16 输入、输出不允许接错

a）电源接至输出侧 b）接错的后果

输出侧接电容器的后果如图2-17所示。

图2-17 输出侧接电容器的后果

（2）输出侧不能接电容器

如图2-16所示，如果在逆变电路的输出端接入了电容器，则当与直流电路“+”端相接的逆变管（VT₁、VT₃、VT₅）导通时，逆变管将额外地增加了电容器的充电电流，而当与直流电的“-”端相接的逆变管（VT₄、VT₆、VT₂）导通时，逆变管将额外地增加了电容器的放电电流。由于充、放电电流的峰值往往较大，所以将影响逆变管的使用寿命。如果电容器的容量较大，甚至使逆变管直接损坏。