普通变频器的主电路设计与优化

变频器的主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上由三部分构成： 整流电路、中间环节电路和逆变电路，其原理如图3.13 所示。

1.整流电路

其作用是将工频电源变换为直流电源，分单相整流和三相整流，大多采用桥式全波整流电路。在中、小容量的变频器中，整流器件一般采用不可控的整流二极管或二极管模块，当三相线电压为380 V 时，整流后的峰值电压为537 V，平均电压为515 V。某些具有大量再生能量的场合可用晶闸管变流器，由于其功率方向可逆，可以实现能量的回馈。

2.中间环节电路

图3.14 所示为变频器的主电路与中间环节电路。中间环节电路主要包括： 滤波电路、均压电路、限流电路、泵升电压限制电路、直流信号检测和保护电路等。

图3.12　通用变频器的框图

1）滤波电路

图3.14 所示的CF1和CF2由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，再由两个电容器组CF1和CF2串联而成，其中间的连接点为变频器的中性点。在整流器整流后的直流电压中，含有电源6 倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，则可以省去电感采用简单的平波回路。

图3.13　交-直-交变频器的主电路结构原理

图3.14　变频器的主电路与中间环节电路

2）均压电路

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的电容量常常不能完全相等。其结果是各电容器组承受的电压UD1和UD2不相等，使承受电压较高一侧的电容器组容易损坏。为了使UD1和UD2相等（保证逆变电路正负电源对称），在CF1和CF2旁各并联一个阻值相等的均压电阻R1和R2。

3）限流电路

限流电路是指串接在整流桥和滤波电容器之间，由限流电阻RL和短路开关SL（或晶闸管）组成的并联电路。限流电阻RL的作用是： 变频器在接入电源之前，滤波电容CF上的直流电压UD=0。因此，当变频器接入电源的瞬间，将有一个很大的冲击电流经整流桥流向滤波电容，使整流桥可能因此而受到损坏。如果电容器的容量很大，则会使电源电压瞬间下降而对电网形成干扰。限流电阻RL就是为了削弱该冲击电流而串接在整流桥和滤波电容之间的。短路开关SL的作用是限流电阻RL如长期接在电路内，会影响直流电压UD和变频器输出电压的大小，所以，当UD增大到一定程度时，令短路开关SL接通，把RL切出电路。SL大多由晶闸管构成，在容量较小的变频器中，也常由接触器或继电器的触点构成。

4）电源指示灯

电源指示灯HL除了表示电源是否接通外，还有一个十分重要的功能，就是在变频器切断电源后，表示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。由于CF的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以CF没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于CF上的电压较高，电荷如果不放完，则对人身安全将构成威胁。故在维修变频器时，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。所以，HL也具有提示保护的作用。

5）能耗制动电路（泵升电压限制电路）

在变频调速系统中，电动机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的。在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转速未变。当同步转速低于转子转速时，转子绕组切割磁力线的方向相反了，转子电流的相位几乎改变了180°，使电动机处于发电状态，也称再生制动状态。

电动机再生的电能经如图3.15 所示的续流二极管（VD7～VD12）全波整流后反馈到直流电路中。由于直流电路的电能无法回输给电网，只能由CF1和CF2吸收，使直流电压升高，称为“泵升电压”，过高的直流电压将使变流器件受到损害。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，这条放电回路就是能耗制动电路。能耗电路由制动电阻RB和制动单元VTB构成，制动电阻RB用于消耗掉直流电路中的多余电能，使直流电压保持平稳。制动单元VTB的功能是控制放电回路的工作。具体来说，当直流回路的电压UD超过规定的限值时，VTB导通，使直流回路通过RB释放能量，降低直流电压。而当UD在正常范围内时，VTB将可靠截止，以避免不必要的能量损失。

图3.15　逆变电路

3.逆变电路

1）逆变主电路

与整流电路相反，逆变主电路是将直流电源变换为所要求频率的交流电源，以确定的时间使6 个开关器件轮流导通、关断就可以得到三相交流输出。晶闸管逆变器所输出的三相电源是方波，含有大量的高次谐波，对电动机的运行很不利。目前，中小容量的变频器中，开关器件大部分使用IGBT 功率管并采用SPWM 控制方式，使输出的电压波形尽可能地接近正弦波，以提高三相交流电动机的运行性能。

2）续流电路(www.xing528.com)

续流电路由VD7～VD12构成，如图3.15 所示，其功能是为电动机绕组的无功电流返回直流电路时提供通路； 当频率下降（同步转速下降）时，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路； 为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路。

3）缓冲电路

缓冲电路由（R01～R06、C01～C06、VD01～VD06）构成，逆变管在关断和导通的瞬间，其电压和电流的变化率是很大的，有可能使逆变管受到损害。因此，每个逆变管旁还应接入缓冲电路，以减小电压和电流的变化率。缓冲电路的结构因逆变管的特性和容量不同而有较大差异，图3.15 所示为比较典型的一种。各元件的功能如下： 逆变管VT1～VT6每次由导通状态转换为截止状态的过程中，集电极（C 极）和发射极（E 极）之间的电压UCE将迅速由近乎0 上升至直流电压值UD，在此过程中，电压增长率是很高的，为了防止逆变管因过高的电压增长率而受到损坏，可在VT1～VT6旁并联缓冲电路，电容C01～C06通过二极管VD01～VD06充电； 而在截止状态转换为导通状态时，通过电阻R01～R06放电。

4）逆变电路的SPWM 控制方式

逆变电路的功能是把直流电转换成三相交流电，用一系列幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列来代替一个正弦半波，这种控制方式称为SPWM 控制。

把正弦半波N 等分，看成N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等； 将这N 个脉冲序列用同样数量的、等幅、不等宽、中点重合、面积（冲量）相等、宽度按正弦规律变化的矩形脉冲来代替，即SPWM 波形，如图3.16 所示。要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。

单相逆变电路的控制，分单极性和双极性两种控制方式，如图3.17 所示。

单极性SPWM 控制方式：

在ur和uc的交点时刻控制IGBT 的通断。ur正半周，V1保持通，V2保持断，当ur>uc时，使V4通，V3断，uo=Ud； 当ur<uc时，使V4断，V3通，uo=0。ur负半周，V1保持断，V2保持通，当ur<uc时，使V3通，V4断，uo=-Ud； 当ur>uc时，使V3断，V4通，uo=0，虚线uof表示uo的基波分量。其波形如图3.18 所示。

图3.16　用SPWM 波形代替正弦半波

（a）正弦半波； （b）SPWM 波

图3.17　单相桥式SPWM 逆变电路

双极性SPWM 控制方式：

在ur半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM 波也有正有负。在ur一周期内，输出PWM 波只有±Ud两种电平，仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同，当ur>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号，如io>0，V1和V4通； 如io<0，VD1和VD4通，uo=Ud； 当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号，如io<0，V2和V3通； 如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud。其波形如图3.19 所示。

图3.18　单极性PWM 控制方式波形

图3.19　双极性PWM 控制方式波形

图3.20 所示为三相桥式逆变电路，图中uc为三相SPWM 控制公用信号，三相的调制信号分别为urU、urV和urW依次相差120°。

以U 相为例分析其控制规律：

当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN′=Ud/2，当urU<uc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN′=-Ud/2； 当给V1（V4）加导通信号时，可能是V1（V4）导通，也可能是VD1（VD4）导通。uUN′、uVN′和uWN′的SPWM 波形只有±Ud/2 两种电平，uUV波形可由uUN′-uVN′得出，当VD1和VD6通时，uUV=Ud； 当VD3和VD4通时，uUV=-Ud； 当VD1和VD3或VD4和VD6通时，uUV=0，其波形如图3.21 所示。

图3.20　三相桥式逆变电路

图3.21　三相桥式SPWM 逆变电路波形

输出线电压SPWM 波由±Ud和0 三种电平构成，负载相电压PWM 波由（ ±2/3）Ud、（ ±1/3）Ud和0 五种电平组成。

同一相上、下两臂的驱动信号互补，为防止上、下臂直通造成短路，留一小段上、下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由器件关断时间决定。死区时间会给输出PWM 波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。