1.4 变频器的基本结构与原理

变频器从系统结构上分可分为交-交变频器和交-直-交变频器两种形式。交-直-交变频器在频率的调节范围以及改善变频后电动机的特性等方面都具有明显的优势，是目前迅速普及应用的主流变频器。本节以交-直-交变频器为例来介绍变频器的基本结构与原理。

1.4.1 变频器的基本构成

如图1-17所示为通用变频器（VVVF）控制原理框图。它通常由主电路和控制回路两部分组成。

1. 主电路部分

变频器主电路给异步电动机提供调压调频电源，它是变频器电力变换部分，图1-18所示为典型的电压逆变器电路。其主电路由三部分组成：将工频电源变换成直流功率的“整流器”、吸收在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。另外，若异步电动机需要制动，有时要附加“制动回路”。

（1）整流器。在中小容量的变频器中，整流器一般由不可控的整流二极管构成全波整流桥，把工频电源变换成直流电源，也可用两组晶闸管变流器构成可逆变流器。

（2）平波电路。整流器输出的直流电压是含有电源6倍频率的脉动直流电压，必须加以滤波。为了抑制电压波动，采用电感和电容来吸收脉动电压（电流）。

（3）逆变器。逆变器是变频器的核心部件之一，它的基本作用是在控制回路的作用下将平波回路输出的直流电变成频率、电压可调的交流电源。

提示

实际应用中变频器采用三相逆变电路，最常见的结构形式是由六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路，通过有规律地控制开关器件的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流电输出。

（4）制动回路。在电动机减速过程中，逆变器输出的交流电频率下降，由于惯性原因，异步电动机的转子转速会短时间高于同步转速，处于再生制动状态，它会产生电动势通过逆变电路对滤波电容反向充电，使电容两端电压升高，达到危险的地步。通常变频器用可逆变流器向电源反馈或设置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。

2. 控制回路部分

变频器的控制回路主要是向主电路提供控制信号，其主要任务是完成对逆变器开关器件的开关控制和提供多种保护功能。控制方式有模拟控制和数字控制两种。

通用变频器控制回路框图如图1-19所示，它主要由主控板、键盘与显示板、电源板与驱动板、外接控制电路等构成。

1）主控板

主控板是变频器运行的控制中心，其核心器件是控制器（单片微机）或数字信号处理器（DSP），其主要功能如下：

（1）接收并处理从键盘、外部控制电路输入的各种信号，如修改参数、正/反转指令等。

（2）接收并处理内部的各种采样信号，如主电路中电压与电流的采样信号、各部分温度的采用信号等。

（3）向外电路发出控制信号及显示信号，如正常运行信号、频率到达信号等；检测主电路的电压、电流等，一旦发现过载或者过电压等异常情况，立刻发出保护指令进行保护或停车，并输出故障信号。

提示

主控板电路中的重要组成部分是SPWM波形调制处理、频率信号处理、系统控制、参数控制、串行通信接口、PID调节、运算模型和控制方式功能单元等。

2）键盘与显示板

键盘与显示板总是组合在一起，键盘向主控制板发出各种信号或指令，主要用于向变频器发出运行控制指令或修改运行数据等，如图1-20所示。显示板将主控板提供的各种数据进行显示，大部分变频器配置了液晶或数码管显示屏，有“RUN（运行）”、“STOP（停止）”、“FWD（正转）”、“REV（反转）”、“FLT（故障）”等状态指示灯，以及单位指示灯，如“Hz”“A”“V”等。

3）电源板与驱动板

变频器的内部电源普遍使用开关稳压电源，具有体积小、效率高等优点。电源输入为变频器主回路直流母线电压或将交流380V整流。通过脉冲变压器的隔离变换和变压器副边的整流滤波可得到多路输出直流电压。它主要提供如下直流电源。

（1）主控板电源：具有极好稳定性和抗干扰能力的一组直流电源。

（2）驱动电源：逆变电路中上桥臂的三只逆变管驱动电路的电源是相互隔离的三组独立电源，下桥臂三只逆变管驱动电源则可共地，但驱动电源与主控板电源必须可靠接地。

（3）外控电源：为变频器外电路提供的稳恒直流电源。

中小功率变频器驱动电路往往与电源电路在同一块电路板上，驱动电路接收主控板发来的SPWM调制信号，在进行光电隔离、放大后驱动逆变管的开关工作。

4）外接控制电路

外接控制电路可实现由电位器、主令电器、继电器及其他自控设备对变频器的运行控制，并输出其运行状态、故障报警、运行数据信号等。它一般包括：外部给定电路、外接输入控制电路、外接输出电路、报警输出电路等。

提示

在大多数中小容量通用变频器中，外接控制电路往往与主控电路设计在同一块电路板上，以缩小整机的体积，提高电路可靠性，降低生产成本。

1.4.2 变频器的工作原理

变频器在使用时，其输出电压为等效的PWM波形，如图1-21所示。之所以形成这样的波形，是因为变频器是利用内部半导体器件来实现波形的转换的。

1. 交-直整流

交-直整流功能由整流器完成。整流器一般由整流电路、平波电路、冲击电流抑制电路三部分组成，如图1-22所示。

整流电路通常是由二极管或晶闸管构成的桥式整流电路。根据输入电源的不同，桥式整流电路分为单相桥式整流电路和三相桥式整流电路。通用变频器多采用三相380V输入的桥式整流电路，其输出电压波形如图1-23所示。

冲击电流抑制电路的作用是：在变频器工作中，为防止冲击电流损坏整流模块，再接通电源时，一段时间内强制串联电阻器，以抑制冲击电流。完成后，使该电阻器的两端短路，将电阻器从电路切除。冲击电流抑制电路如图1-24所示。

滤波电路分为电容滤波和电感滤波两种。由于电容两端的电压不能突变，流过电感的电流不能突变，所以用电容滤波就构成电压型变频器，用电感滤波就构成电流型变频器。

2. 直-交逆变

逆变是将直流电转变为交流电的过程，逆变器是把直流电（DC）变成为交流电（AC）的装置，是交-直-交变频器的核心部分。

1）逆变原理

（1）直流电变换成交流电的方法。如图1-25所示，电路中用灯假设电动机负载。连接到DC电源上的4个开关S1 到S4 交替地通断，其电流波形如图1-26所示。

分析：

① 接通S1、S4，电流按A方向方向流过灯L。

② 接通S2、S3，电流按B方向方向流过灯L。

这样交替地通断S1、S4 和S2、S3 开关组就产生交流电，流过灯L的电流方向也交替换向。

（2）改变频率的方法。通过改变开关通断的时间可以改变频率。例如，S1、S4 接通0．5s后S2、S3 接通0．5s，交替进行就会产生1s换向一次的交流电，即频率为1Hz的交流电，如图1-27所示。

一般S1、S4 和S2、S3 接通相同的时间，假设在一个周期内持续时间共为t0（如图1-28所示），则频率f为

（3）三相交流电的转换。三相逆变器的等效电路如图1-29所示。

如图1-30所示，依次通断开关S1 ～S6，在U-V、V-W及W-U端会产生等效于逆变器的脉冲波形，该矩形波AC电压向电动机供电。通过改变开关通断周期，就可以得到要求的电动机供电频率；而通过改变DC电压，则可以改变电动机的供电电压。

2）逆变器电路的构成

如图1-31所示，用6个晶体管代替6个开关构成逆变器电路，该电路连接三相电动机，晶体管的交替通断电使电动机运转，通过改变晶体管接通顺序，就可以改变电动机的旋转方向。

晶体管有3个引脚：集电极（C）、发射极（E）和基极（B）（栅极G，IGBT）。当基极无信号时，C、E两端断路（开关断开）；当基极有信号时，C、E两端接通（开关合上）。即晶体管像开关S那样，快速地完成通断功能，如图1-32所示。

提示

逆变过程与整流过程相反，分为有源逆变和无源逆变两种。两者之间的区别是：有源逆变是把直流电逆变为电源同频率的交流电反送到电网中去；无源逆变则是将直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载。

1.4.3 PWM控制技术

1. PWM控制技术基本原理

实现变频变压的方法有多种，目前应用较多的是脉冲宽度调制技术，简称PWM技术。PWM控制是指在保持整流得到的直流电压大小不变的条件下，利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变换为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲的宽度（或用占空比表示）或周期来实现改变等效输出电压的一种方法。

PWM的输出电压基本波形如图1-33所示。在半个周期内，输出电压平均值的大小由半周中输出脉冲的总宽度决定。在半周中保持脉冲个数不变而改变脉冲宽度，可以改变半周内输出电压的平均值，从而达到改变输出电压有效值的目的。脉宽调制的方法很多，从调制脉冲的极性上看，可分为单极性和双极性调制两种；从载频信号和参考信号（基准信号）频率之间的关系来看，又可以分为同步式和非同步式两种。

2. 正弦波脉宽调制（SPWM）控制

PWM的输出电压的波形是非正弦波，用于驱动三相异步电动机运行时性能较差。如果使整个半周内脉冲宽度按正弦规律变化，使脉冲宽度先逐渐增大，然后再逐渐减小，输出电压也会按正弦规律变化。这就是目前实际中应用最多的正弦PWM法，简称SPWM，其波形如图1-34所示。

SPWM波形产生的方法是：在变频器的控制电路中，由调制波信号发生器提供的一组三相对称正弦波信号作为变频器输出的基波，与三角波振荡器提供的三角波载波信号相叠加。通过其交点时刻控制主电路半导体开关器件的通断，得到一组等幅而不等宽且两侧窄、中间宽的脉冲电压波形，其大小和频率可通过调节正弦波调制信号的幅值和频率来控制，即按正弦规律变化。

提示

虽然SPWM电压波形与正弦波相差甚远，但由于变频器的负载是电感性负载电动机，而流过电感的电流是不能突变的，当把调制为几千赫兹的SPWM电压波形加到电动机上时，其电流波形就是比较好的正弦波了。

SPWM的优点是能消除与抑制谐波，并可同时控制频率和电压。利用SPWM控制技术，将输出波形进行调整，可以大大削弱某些谐波，使负载电机在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，调速范围宽。

近年来，带驱动和保护电路的各种智能模块（IPM）也相继应用在变频系统中，IPM模块集成了过热和锁定保护电路，系统的可靠性得到进一步提升，新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方便用户使用。用户只需要了解接口电路和定义，就可以很快组成并运行系统，从而缩短新产品的开发周期。