通用變頻器基礎(chǔ)知識

1、通用變頻器基礎(chǔ)知識 變頻器用途可分為兩類，一類是作為靜止電源，即將直流逆變?yōu)槿嗾医涣麟?；另一類是作調(diào)速電源，即為交流電動機調(diào)速提供頻率和電壓均可變化的電源。由于變頻器在節(jié)能方面經(jīng)濟效果顯著，因此在建筑、化纖、塑料、紡織等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；由于利用變頻器可實現(xiàn)交流電動機無級調(diào)速，因此被廣泛用于風(fēng)機、水泵、壓縮機等流體機械的驅(qū)動電動機的調(diào)速；由于利用變頻器的自動控制性能可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，因此在機電一體化和傳統(tǒng)機械改造方面具有獨特優(yōu)越性?？梢哉f隨著變頻器技術(shù)的成熟，它所用器件的模塊化、大規(guī)模集成化和控制手段全數(shù)字化，以及產(chǎn)品的智能化、系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)小型化、專用化，必然使其在各行各業(yè)得到充分利

2、用。因為交流異步電動機采用變頻調(diào)速可以實現(xiàn)無級調(diào)速，所以得到廣泛應(yīng)用。 變頻調(diào)速核心技術(shù)就是變頻技術(shù)。目前變頻方式有交直交變頻和交交變頻兩種，而普遍采用的是交直交變頻技術(shù)。2.1通用變頻器結(jié)構(gòu)與分類 變頻器的種類很多、型號很多，但其結(jié)構(gòu)形式和采用的技術(shù)基本相同。下面先介紹變頻器的分類，然后介紹變頻器結(jié)構(gòu)。變頻器的分類 變頻紹器可以按變流環(huán)節(jié)、輸出電壓調(diào)制方式、開關(guān)器件、控制方式和濾波環(huán)節(jié)分類。 1變頻器按變流環(huán)節(jié)分類 變頻器變流方式有兩種，一種是交流變直流再變交流，另一種是交流變交流。 交流變直流再變交流的變頻方式，先將固定頻率的正弦交流電壓經(jīng)整流電路變換為波紋度較大的直流電壓，接著將波紋度較

3、大的直流電壓經(jīng)過濾波電路濾波，使之變?yōu)椴y度較小的直流電壓，再經(jīng)過逆變電路的作用，使直流電變?yōu)榻涣麟娸斔徒o電器。由于將直流逆變?yōu)榻涣鞯沫h(huán)節(jié)很容易控制，而且逆變后的交流電頻率調(diào)節(jié)范圍和電壓調(diào)節(jié)范圍都大，這對交流電動機運行非常有利；目前交流電動機變頻調(diào)速多采用此類的變頻器。 交流一變交流變頻器是將固定頻率的交流電直接轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電，要特別注意這類變頻器輸出電壓相數(shù)與輸入相數(shù)相同。交流一變交流變頻器通常采用三相反并晶閘管可逆橋式變流器組成。此類變頻器具有過載能力強、效率高、電壓波形好等優(yōu)點，但它存在輸出電壓頻率在輸入電壓頻率的50%以下，功率因數(shù)低和高次諧波對電網(wǎng)影響大等缺點。目前此類變頻器

4、用的很少。 2.變頻器按輸出電壓調(diào)制方式分類 變頻器的逆變電路依據(jù)逆變電路輸出電壓調(diào)制方式有脈幅調(diào)制PAM（Pulse Amplitude Modulation）、脈寬調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation)、正弦脈寬調(diào)制SPWM等3種類型。有關(guān)變頻器輸出電壓調(diào)制方式詳細知識將在后面章節(jié)中介紹。 3.變頻器按開關(guān)器件分類 （1)用晶閘管SCR組成逆變電路的變頻器（簡稱為SCR變頻器） SCR晶閘管屬于電壓控制元件，用晶閘管 SCR組成逆變電路的變頻器，即可用于感性負載，也可用于阻性負載，也就是具有通用性。在不超過變頻器容量條件下，可以多臺電動機并接使用同一臺變頻器，但電動機不

5、應(yīng)同時啟動，以避免沖激電流過大。 (2)用門極可關(guān)斷晶閘管GTO組成逆變電路的變頻器（簡稱為GTO變頻器） 門極可關(guān)斷晶閘管GTO是電壓控制元件；門極可關(guān)斷晶閘管是通斷均可控元件。因此GTO變頻器具有開關(guān)頻率高、頻帶比寬、低速頻特性比較好、效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點。GTO變頻器比SCR變頻器更適用于PWM調(diào)制方式和SPWEM調(diào)制方式。要注意GTO變頻器屬于窄脈沖信號觸發(fā)變頻器。 (3)用雙極型晶體管GTR組成逆變電路的變頻器（簡稱為GTR變頻器） 雙極型晶體管GTR是電流基極電流Ib控制集電極電流Ic所以GTR變頻器具有開關(guān)頻率高、頻帶比寬、低速頻特性比較好、效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點。

6、GTR變頻器比SCR變頻器更適用于PWM調(diào)制方式和SPWEM調(diào)制方式。要注意GTR變頻器屬于長信號控制變頻器。 (4)用絕緣柵雙極型晶體管IGBT組成逆電路的變頻器（簡稱為IGBT變頻器） 絕緣柵雙極型晶體管IGBT有柵極G,集電極C和發(fā)付射極E等3個極；它通過柵極電壓UGE控制集電極電流Ic，所以IGBT變頻器比GTR變頻器功耗小，其他特性相同。 (5)用MOS單極型場效管組成逆變電路的變頻器（簡稱為MOS變頻器） MOS單極型場效管有柵極G,源極S和漏極D等3個極；它通過柵極電壓UGS控制漏極電流ID，所以MOS變頻器比IGBT變頻器功耗小，其他特性相同。 4.變頻器按控制方式分類 變頻器

7、按控制方式分類，可分為U/f（電壓頻率）控制方式、轉(zhuǎn)差率控制方式、矢量控制方式等3種類型。 （1) U/ f（電壓頻率）控制方式 U/f（電壓頻率）控制方式是指U/f=恒值的控制方式。它適用于變頻器輸出電壓頻率低于輸入電網(wǎng)電壓頻率狀態(tài)下的電動機調(diào)速，其實質(zhì)是電動機恒力矩調(diào)速；最常用于速度精度要求不高的機械設(shè)備的電動機調(diào)速，如風(fēng)機和水泵電動機的調(diào)速。 （2）轉(zhuǎn)差率控制方式 轉(zhuǎn)差率控制方式是一種速度閉環(huán)控制為方式，即將通過速度傳感器測得實時轉(zhuǎn)速送給轉(zhuǎn)差率控制器，經(jīng)過與設(shè)定轉(zhuǎn)速相比較和運算，最后向轉(zhuǎn)差率控制器發(fā)出逆變器頻率和電壓的控制信號。轉(zhuǎn)差率控制方式經(jīng)常用于變頻器輸出電壓頻率高于輸入電網(wǎng)電壓頻率

8、狀態(tài)下的電動機調(diào)速，其實質(zhì)是電動機恒功率調(diào)速。 (3）矢量控制方式 矢量控制方式是交流電動機調(diào)速最理想的控制方式，其實質(zhì)是通過將交流異步電動機的定子電流分解為激磁電流Im和有功電流分量Ia，并分別加以控制，即通過改變異步機定子電流幅值和相位的控制方式實現(xiàn)調(diào)速；這是電流矢量法控制方式，所以稱為矢量控制方式。采用矢量控制的交流異步電動機調(diào)速特性可與直流電動機相類同。 5.變頻器按濾波環(huán)節(jié)分類 變頻器常用的濾波有3種類型，一類電容濾波，另一類是電感濾波，還有一類是電感電容組合濾波。 （1)電容濾波 電容濾波是低通濾波。電容與整流電路輸出端并聯(lián)，利用電容電壓不能躍變特性，使電容濾波后的電壓很平滑。采用

9、電容濾波的變頻器，可稱為電壓型變頻器。 （2）電感濾波 電感濾波是高通濾波。電感串于整流電路輸出端，利用電感電流不能躍變特性，使電感濾波后的電流很平滑。采用電感濾波的變頻器，可稱為電流型變頻器。 (3）電感電容組合濾波。 通過以上分忻析可知，電感濾波是高通濾波，電感串于整流電路輸出端，利用電感電流不能躍變特性，使電感濾波后的電流很平滑；而電容濾波是低通濾波，電容與整流電路輸出端并聯(lián)，利用電容電壓不能躍變特性，使電容濾波后的電壓很平滑；采用電感和電容組合濾波，可以使變頻器的逆變電路得到穩(wěn)定的直流電壓和電流，所以采用電感電容組合濾波的變頻器工作更穩(wěn)定。變頻器的外部結(jié)構(gòu) 目前最常用的變頻器有靜止條件

10、下使用的變頻器和交流異步電動機調(diào)速用的變頻器兩大類；本節(jié)主要介紹變頻器在交流異步電動機調(diào)速中的應(yīng)用。 調(diào)速用變頻器種類很多，型號各異，但其結(jié)構(gòu)和工作原理基本類同，操作面板和參數(shù)設(shè)定有差。在此僅給出BT12S, SB12, BT40, FR-700系列變頻器外觀圖如圖2-1所示，并簡單說明變頻器的安裝方式。 變頻器有掛壁式和直立式兩種類型。掛壁式變頻器多采用底部送風(fēng)式冷卻方式，直立式多采用頂部抽風(fēng)式冷卻方式。安裝變頻器時一定要按照產(chǎn)品手冊的安裝規(guī)定留足變頻器周圍空間，以便其散熱。變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)變頻器的內(nèi)部組成主要包括交流輸入、整流濾波環(huán)節(jié)、電壓采樣、逆變環(huán)節(jié)、驅(qū)動電路、主控電路、輸出等組成，圖2

11、-2所示給出變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。 整流濾波環(huán)節(jié)是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。 電壓采樣環(huán)節(jié)是將直流電壓變化值輸送給主控電路。 電流采樣環(huán)節(jié)是將電動機線電流變化值輸送給主控電路。 逆變環(huán)節(jié)是將直流電壓轉(zhuǎn)換為交變電壓，并輸出給三相電動機。 驅(qū)動電路是將主控電路發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)換為逆變管所需的矩形波信號，并將信號有序地送到對應(yīng)的逆變管。 顯示與操作鍵盤可完成對變頻器工作狀態(tài)顯示和有關(guān)頻率設(shè)定及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，并通過專用傳輸線與主控電路進行相關(guān)數(shù)據(jù)的互相傳送。 主控電路是變頻器控制中心，它要接收有關(guān)信息，并做出相應(yīng)的運算處理，最后產(chǎn)生指令信號控制相對應(yīng)的其他環(huán)節(jié)。2.2變頻器工作原理 由電動機原理可知

12、，電動機每相定子繞組的感應(yīng)電動勢Ea與電動機的結(jié)構(gòu)系數(shù)Kr1、電源頻率f1、 繞組匝數(shù)N1和主磁通M 關(guān)系。 Ea= Kr1 f1 N1 M (2-1)式中：Kr1一電動結(jié)構(gòu)系數(shù)； Ea-每相繞組電動勢，單位V; f1一電源電壓頻率，單位Hz N1一每相繞組匝數(shù)； M一主磁通，單位Wb。 由式(2-1)可知，當定子繞組感應(yīng)電動勢Ea不變的情況下，若只改變頻率fl會使主磁通M改變，即f1f1N則使M下降，會使電磁力矩下降，電動機工作在恒功率調(diào)速狀態(tài)；當f1f1N,因定子繞組感應(yīng)電動勢Ea不變，會使M上升，會引起磁飽和，使電動機勵磁電流增大，引起電動機的功率因數(shù)和效率下降，不利于電動機正常運行，有

13、可能使電動機燒毀，所以當頻率f1f1N時，電壓也要隨之調(diào)低，以保證M基本不變，電動機工作在恒力矩調(diào)速狀態(tài)。這樣作可實現(xiàn)Ea/ f1=常數(shù)，使電動機正常運行。 通過以上分析可知，異步電動機變頻調(diào)速時必須按照一定規(guī)律使變頻和調(diào)壓合理配合，變頻器的整流慮波電路和逆變電路就是要完成此項任務(wù)。下面首先介紹變頻器的組成主要環(huán)節(jié)，然后具體介紹整流慮波電路和逆變電路的工作原理。變頻器的整流慮波電路和逆變電路分類 變頻器的整流慮波電路和逆變電路依據(jù)電路中所用的半導(dǎo)器件分類，可分為二極管單相橋式整流和三相逆變電路、二極管三相橋式整流和三相逆變電路、晶閘管三相橋半控式整流和三相逆變電路、晶閘管三相橋全控式整流和三相

14、逆變電路等4類。 變頻器的整流慮波電路和逆變電路依據(jù)逆變電路中所用的半導(dǎo)體器件分類，可分為用晶體三極管組成的三相橋式逆變電路、用絕緣柵雙極型晶體三極管組成的三相橋式逆變電路、用門極晶閘管組成的三相橋式逆變電路、用MOS場效應(yīng)管組成的三相橋式逆變電路等4種類型。變頻器的整流濾波電路和逆變電路常用的元器件 在整流中最常用的元器件有電力二極管和大功率可控硅管（又稱為晶閘管）。在濾波電路中常用的元器件有電感器和電解電容器。在逆變電路中常用的半導(dǎo)體器件有電力晶體三極管（簡稱為晶體管）、門極晶閘管、MOS場效應(yīng)管。為了很好地理解整流濾波電路和逆變電路工作原理，在此對整流二極管、可控硅管（又稱為晶閘管）、電

15、力晶體三極管（簡稱為晶體管）、門極可關(guān)斷晶閘管、MOS場效應(yīng)管等5種半導(dǎo)體器件的電氣符號及導(dǎo)電傳輸特性作介紹。 1變頻器整流電路所用電力二極管和晶閘管 變頻器整流電路所用二極管和晶閘管通過的電流大、沖激電流大、承受的反向電壓高，這就需要特殊的二極管和晶閘管，即電力二極管和大功率晶閘管。 （1)電力二極管 電力二極管是指能承受反向高電壓和正向大電流的整流二極管。電力二極管應(yīng)依據(jù)整流值配有相應(yīng)的散熱片。電力二極管為面接觸二極管，只有一個PN結(jié)，加正向電壓導(dǎo)通，加反向電壓截止，具有單向?qū)щ娞匦浴ｋ娏ΧO管的外形圖和電氣符號及伏安特性曲線如圖2-3所示。 由圖2-3可見，電力二極管和普通二極管主電氣符

16、號和伏安特性曲線相同，uAK是二極管正向電壓值，uST是二極管正向?qū)ㄞD(zhuǎn)折電壓，uRO是二極管反向擊穿電壓，uRSM是二極管反向不重復(fù)峰值電壓，uRRM是二極管反向阻斷重復(fù)峰值電壓。 (2）晶閘管（可控硅） 整流電路所用晶閘管（可控硅）有普通整流電路用晶閘管和門極可關(guān)斷晶閘管兩種類型；下面先介紹普通整流電路用晶閘管的相關(guān)知識，然后介紹門極可關(guān)斷晶閘管的相關(guān)知識。普通整流電路用晶閘管外形圖和電氣符號如圖2-4所示，其伏安特性曲線如圖2-5所示。由圖2-4可見晶閘管有3個電極，即陽極A、陰極K和控制極G；當陽極A和陰極K之間加正向電壓時(uAK電壓小于自然開啟電壓uDSM) I控制極G有觸發(fā)信號，

17、晶閘管可以導(dǎo)通；晶閘管導(dǎo)通后控制極G觸發(fā)信號失去作用，只有在陽極A和陰極K之間加反向電壓時，晶閘管才關(guān)斷，故而稱普通整流電路用晶閘管為半控元件。 在圖2-5中的uAK是晶閘管正向電壓值，uDSM是晶閘管在IG=0時正向?qū)ㄞD(zhuǎn)折電壓，uDSM是晶閘管在IG=0時正向不重復(fù)峰值電壓，uDRM是晶閘管在IG=O時正向重復(fù)峰值電壓，uR0是晶閘管反向擊穿電壓，uRSM是反向不重復(fù)峰值電壓，uRRM是反向阻斷重復(fù)峰值電壓，IH是晶閘管正向?qū)ňS持電流（晶閘管正向?qū)娏鱅A小于維持電流IH,會使晶閘管關(guān)斷）。 2.變頻器逆變電路所用電力晶體管和門極可關(guān)斷晶閘管 （1)電力晶體管電力晶體管和普通晶體管電氣

18、符號相同，只是通過的電流大、沖激電流大、反向耐壓大。電力晶體管的集電極電流ic受基極電流ib控制，所以說電力晶體管是電流控制的全控元件，圖2-6所示給出了電力晶體管電氣符號和輸入輸出特性曲線。 在圖2-6 (b)中電力晶體管輸入特性曲線有開起電壓ube (ST) >即ube>ube (ST)時Ib突然增大。電力晶體管輸入特性曲線正向分為三個區(qū)，即正向截止區(qū)、飽和區(qū)、放大區(qū)；反向分為反向漏電區(qū)和反向擊穿區(qū)。電力晶體管工作在正向飽和和截止區(qū)，稱為工作在開關(guān)狀態(tài)。 （2)絕緣柵雙極型晶體管 絕緣柵雙極型晶體管是全控器件，相當于壓控電流源，也就是集電極電流iC與柵極和發(fā)射極之間所加電壓UG

19、S成比例關(guān)系。絕緣柵雙極型晶體管具有輸入阻抗高、工作速度快、導(dǎo)通時壓降小、阻斷電壓高、承受電流大等優(yōu)點，而且容易控制，所以常用于開關(guān)電源和逆變電源。圖2-7所示給出了絕緣柵雙極型晶體管電氣符號和特性曲線。在圖2-7 (b)中絕緣柵雙極型晶體管傳輸特性曲線有開起電壓uGE (ST) >即uGE>uGE (ST)時Ic突然增大。絕緣柵雙極型晶體管輸出特性曲線正向分為3個區(qū)，即正向阻斷區(qū)、飽和區(qū)、放大區(qū)；反向分為反向阻斷區(qū)和反向擊穿區(qū)。絕緣柵雙極型晶體管工作在正向飽和和正向阻斷區(qū)，稱為工作在開關(guān)狀態(tài)。 (3）門極可關(guān)斷晶閘管(GTO) 門極可關(guān)斷晶閘管有3個電極，即陽極A,陰極K和控制極

20、G；當在陽極A和陰極K之間加正向電壓時(uAK電壓小于自然開啟電壓uDSM) P控制極G有正觸發(fā)信號，晶閘管可以導(dǎo)通；晶閘管導(dǎo)通后，控制極G正觸發(fā)信號失去作用。門極可關(guān)斷晶閘管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷有兩種方式，其一是陽極A和陰極K之間加反向電壓，可使門極可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷；其二是控制極G加反向關(guān)斷觸發(fā)信號，使門極可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷；這是門極可關(guān)斷晶閘管與普通晶閘管不同之處。因為門極可關(guān)斷晶閘管可以通過控制極G加反向關(guān)斷觸發(fā)信號使其強制關(guān)斷，故而稱門極可關(guān)斷晶閘管為全控元件。門極可關(guān)斷晶閘管的電氣符號和伏安特性曲線如圖2-8所示。 在圖2-8 (b)中td為延時開啟時間，tr為上升時間，is為延時下降時間，

21、tf為下降時間，tt為延時關(guān)斷時間。 2.場效應(yīng)管 場效應(yīng)管有兩大類，一類是結(jié)理型場效應(yīng)管，用MET表示，是英文名稱Junction Field Effct Transistor的縮寫。第二類是絕緣柵型場效應(yīng)管，用IGJFET表示，是英文名稱Iunction Gate Field Effct Transistor的縮寫。絕緣柵型場效應(yīng)管又分為增強型P溝道和N溝道場效應(yīng)管及耗盡型P溝道和N溝道場效應(yīng)管等4種。 場效應(yīng)管是電壓控制的半導(dǎo)體放大器件，它的功耗小、壓降?。凰抢枚鄶?shù)載流子導(dǎo)電，所以受外界條件影響??；它的噪音系數(shù)小，受溫度變化影響非常小。因為場效應(yīng)管具有很多優(yōu)點，所以在變頻器逆變電路中

22、常用絕緣柵型場效應(yīng)管。在此給出絕緣柵增強型和耗盡型P溝道和N溝道4種場效應(yīng)管電氣符號和特性曲線。 由圖2-9可知，絕緣柵增強型和耗盡型P溝道和N溝道4種場效應(yīng)管輸出特性曲線圖分為4個區(qū)，即正向阻斷區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)和雪崩區(qū)。正向阻斷區(qū)是柵極和源極間電壓UGS小于開啟電壓狀態(tài)下iD電流幾乎為零安培，相當于很大很大的電阻狀態(tài)；放大區(qū)是柵極和源極間電壓UGS為大于開啟電壓的某值狀態(tài)下，漏極電流iD幾乎不受漏極和源極之間電壓UDS影響，即漏極電流iD乎為恒值；飽和區(qū)是指漏極和源極之間電壓UDS很小，而漏極電流很大；雪崩區(qū)是漏極和源極之間電壓UDS大到某值后，漏極電流iD 然增大，一旦發(fā)生雪崩，場效應(yīng)管

23、就會燒毀，所以不允許工作在雪崩區(qū)。變頻器的整流和濾波電路 變頻器的整流濾波環(huán)節(jié)包括整流電路和濾波電路兩部分，整流電路是將變頻器的輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，濾波電路是將整流后的電壓盡量變的平滑。 1整流電路 整流電路根據(jù)變頻器的輸入的交流電壓情況，分為單相橋式整流和三相橋式整流兩種類型。常用的單相橋式整流電路和三相橋式整流電路如圖2-10所示。 在圖2-10中有單相二極管橋式整流濾波電路、三相二極管橋式整流濾波電路、三相半控橋式整流濾波電路以及三相全控橋式整流濾波電路。 （1)單相二極管橋式整流電路特點。單相二極管橋式整流電路輸入是單相AC220 V電壓，其整流后電壓約為0.9×220V

24、=198V 。在圖2-10 (a)中當u1為正半波時，二極管VD1和VD4配合導(dǎo)通，當u1為負半波時，二極管VD3和VD2配合導(dǎo)通。 (2)三相二極管橋式整流電路特點。三相二極管橋式整流電路輸入是三相電壓，其線電壓為AC380 V,其整流后電壓約為2.35 × 220 V=517 V 。在圖2-10（b）中當t=30°時，二極管VD5和VD2及VD4配合導(dǎo)通，當t=150°時，二極管VD1和VD4及VD6配合導(dǎo)通，當t=270°時，二極管VD3和VD2及VD6配合導(dǎo)通。由分析可知三相二極管橋式整流電路在每個時刻都是三支二極管配合導(dǎo)通，所以整流后電壓高（2

25、.35 × 220 V）。 (3)三相半控橋式整流電路特點。整流電路由3支二極管(VD1、VD2、 VD3 )和三支晶閘管（VT1、VT2、 VT3）組成。3支晶閘管（VT1、VT2、 VT3）是否導(dǎo)通，由其觸發(fā)脈沖決定。在圖2-10 (c)中，3支晶閘管(VT1、VT2, VT3）用相同脈沖觸發(fā)，當?shù)谝粋€脈沖作用時，晶閘管VT1和二極管VD2及VD3配合導(dǎo)通，當?shù)诙€脈沖作用時，晶閘管VT2和VDI及VD3配合導(dǎo)通；當?shù)谌齻€脈沖作用時，晶閘管VT3和二極管VD1及VD2配合導(dǎo)通，通過分析可知，晶閘管(VT1、VT2、 VT3 )是和3支二極管（VD1、VD2、 VD3 )自動輪流配

26、合導(dǎo)通；輸出電壓取決于晶閘管(VT1、 VT2、 VT3)觸發(fā)角的大小。 (4）三相全控橋式整流電路特點。整流電路由6支晶閘管（VT1、 VT2、 VT3、 VT4、VT5、 VT6)組成；6支晶閘管(VT1、VT2、 VT3、 VT4、 VT5、 VT6)是否導(dǎo)通由其觸發(fā)脈沖決定。由圖2-10 (d)可見，當?shù)谝粋€脈沖作用時，晶閘管VT1和晶閘管VT4及VT6配合導(dǎo)通；當?shù)诙€脈沖作用時，晶閘管VT3和晶閘管VT2及VT6配合導(dǎo)通；當?shù)谌齻€脈沖作用時，晶閘管VT5和晶閘管VT2及VT4配合導(dǎo)通。通過分析可知，三相全控橋式整流電路6支晶閘管(VT1、VT2、 VT3、 VT4、 VT5、 VT

27、6)配合導(dǎo)通有其獨特方式，導(dǎo)通角大小與觸發(fā)角有關(guān)系，導(dǎo)通角和觸發(fā)角之和為180°。 2.濾波電路 交流電壓通過整流后，輸出波動大的直流電壓，通過濾波電路使電壓盡量拉平滑，最后再由穩(wěn)壓電路使之變成為穩(wěn)定的直流電壓。圖2-11所示給出了常用的幾種濾波電路。普通的整流濾波電路經(jīng)常采用電容濾波；在變頻器中最常采用的濾波方式為電感器和電容器組成的型濾波。型濾波最大優(yōu)點是電感濾掉高次諧波，電容為低通濾波，從而使得濾波后的電壓更平滑。對變頻器而言整流濾波后的直流電壓越平滑，經(jīng)逆變電路作用后，越容易得到比較近似于正弦的交流電壓，有利于交流異步電動機的運行。用電力晶體管和絕緣柵雙極型晶體管組成逆變器

28、逆變電路的作用是在控制電路的控制下將直流電轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都可以調(diào)整的交流電。根據(jù)變頻器的服務(wù)對象不同，則變頻器的逆變電路有兩大類：一類是單相橋式逆變電路，而另一類是三相橋式逆變電路。 在此先介紹用電力晶體管和絕緣柵雙極型晶體管組成的逆變器。電力晶體管和絕緣柵雙極型晶體管有類同的導(dǎo)電原理：電力晶體管是基極電流控制的元件，絕緣柵雙極型晶體管是柵極電壓控制的元件。 圖2-12所示給出了用電力晶體管組成的單相橋式逆變電路和三相橋式逆變電路原理圖，圖2-13所示給出了用絕緣柵雙極型晶體管組成的單相橋式逆變電路和三相橋式逆變電路原理圖。1分析電力晶體管組成的單相橋式逆變電路工作過程 在圖2-12 (a)

29、中由VT1、 VT4、 VT3、 VT2組成逆變橋路，由VD1、 VD4、VD3、VD2組成電能反饋橋路。 VT1、VT4、 VT3、VT2組成的單相橋式逆變橋路工作過程如下。 單相逆變橋路中的VT1、VT4、VT3、VT2四支晶體管需要兩支兩支相配合通斷才能使單相異步電動機得到單相交變電流，進而旋轉(zhuǎn)。VT1、VT4、VT3、VT2四支晶體管需要VT1和VT2相配合通、斷，VT3和VT4相配合通、斷。下面給出VT1和VT2, VT3和VT4相配合通、斷與控制信號之間的關(guān)系圖。由圖2-14可知，晶體管VT1和VT2配合導(dǎo)通與關(guān)斷，即VT1和VT2的基極控制信Ub1和Ub2應(yīng)為同時產(chǎn)生和消失，同理

30、晶體管VT3和VT4配合導(dǎo)通與關(guān)斷，即VT3和VT4的基極控制信Ub3和Ub4應(yīng)為同時產(chǎn)生和消失。 VD1、VD2、VD3、VD4組成的單相橋路在反饋電路工作過程如下。 在電動機由通電運行轉(zhuǎn)為斷電停止轉(zhuǎn)動的過程中，剛開始斷電瞬間，晶體管VT1、 VT2、VT3、 VT4由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止，但電動機處于發(fā)電制動狀態(tài)，若電動機定子繞組反電勢高于逆變電源電壓Uz則會通過二極管將電能反饋到直流電源。二極管VD1、VD2、 VD3、VD4配合導(dǎo)通將電能反饋到直流電源過程如圖2-15所示。 2.分析電力晶體管組成的三相橋式逆變電路工作過程 由圖2-12（b）可知，三相橋式逆變電路中有6支晶體三極管和6支二極

31、管。6支晶體三極管應(yīng)合理配合導(dǎo)通才能使三相異步電動機正常運行，6支二極管起能量反饋作用。為了說明三相橋式逆變電路應(yīng)滿足三相異步電動機運行要求，現(xiàn)將三相異步電動機接三相正弦交流電運行時，各繞組通電狀態(tài)和接三相橋式逆變電路各繞組通電狀態(tài)進行比對說明，如圖2-16所示。 VT1、VT2、 VT3、 VT4 、VT5、 VT6組成的三相橋式逆變電路工作過程如下。 由圖2-16可知，若要使三相異步電動機接三相橋式逆變橋路工作狀態(tài)與其接三相正弦交流電壓工作狀態(tài)相類同，就需要VT1、VT3、VT5、VT2、VT4、VT6六支晶體三極管有規(guī)律的導(dǎo)通與關(guān)斷，具體導(dǎo)通與關(guān)斷順序如下（一個周期）。 第一個T/6（0

32、°60°）VT1、VT4, VT5導(dǎo)通，VT2, VT3、VT6截止。 第二個T/6（60°120°）VT1、VT4, VT6導(dǎo)通，VT2、VT3、VT5截止。 第三個T/6（120°180°）VT1、VT3、VT6導(dǎo)通，VT2、VT4、VT5截止。 第四個T/6（180°240°) VT2, VT3, VT6導(dǎo)通，VT1、VT4, VT5截止。 第五個T/6（240°300°）VT2、VT3、VT5導(dǎo)通，VT1、VT4、VT6截止。 第六個T/6（300°360°）VT2、

33、VT4、VT5導(dǎo)通，VT1、VT3、VT6截止。 通過分析可知，在每個周期內(nèi)每支晶體三極管導(dǎo)通180°，關(guān)斷180°；在逆變電路中需要VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6配合導(dǎo)通與截止。 VDI、VD2, VD3, VD4, VD5, VD6組成的三相橋式反饋電路工作過程如下。 由圖2-17可知，當三相橋式逆變橋路由工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為停止工作，則三相異步電動機處于發(fā)電制動狀態(tài)，各相繞組會產(chǎn)生反電勢，此時可由VD1、VD2, VD3, VD4, VD5, VDT6六支二極管有規(guī)律的導(dǎo)通與關(guān)斷；具體二極管導(dǎo)通與關(guān)斷順序如下（一個周期）。 第一個T/6（0°60&#

34、176;) VD I、VD4, VD5導(dǎo)通，VD2, VD3、VD6截止。 第二個T/6（60°120°）VD1、VD4, VD6導(dǎo)通，VD2, VD3、VD5截止。 第三個T/6（120°180°）VD I、VD3、VD6導(dǎo)通，VD2、VD4、VD5截止。 第四個T/6（180°240°) VD2, VD3, VD6導(dǎo)通，VD1、VD4, VD5截止。 第五個T/6（240°300°）VD2、VD3、VD5導(dǎo)通，VD1、VD4、VD6截止。第六個T/6（300°360°）VD2、VD4、VD5

35、導(dǎo)通，VDI、VD3、VD6截止。通過分析可知在每個周期內(nèi)每支二極管導(dǎo)通180°，關(guān)斷180°，需要VDI、VD2, VD3,VD4、VD5、VD6配合導(dǎo)通與截止。門極可關(guān)斷晶閘管組成逆變器 用門極可關(guān)斷晶閘管組成的橋式逆變電路與用晶體管組成的橋式逆變電路區(qū)別是逆變電路所用的半導(dǎo)體元件不同，但其逆變原理相類同。要注意晶體管組成的橋式逆變電路中各晶體管控制信號為長信號（控制信號與晶體管導(dǎo)通時間相一致），而用門極可關(guān)斷晶閘管組成的橋式逆變電路控制信號為短信號，門極可關(guān)斷晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷都需要控制信號。下面分別介紹常用的橋式整流濾波電路和橋式逆變電路，第一種是用二極管組成的橋式整

36、流濾波電路和用門極可關(guān)斷晶閘管組成的橋式逆變電路；第二種是用晶閘管組成的半控橋式整流濾波電路和門極可關(guān)斷晶閘管組成的橋式逆變電路；第三種是用晶閘管組成的全控橋式整流濾波電路和用門極可關(guān)斷晶閘管組成的橋式逆變電路；第四種是用二極管組成的橋式整流濾波電路和用普通晶閘管組成的橋式逆變電路。這4種電路中的逆變電路相類同，所不同的是橋式整流電路。用晶閘管組成的半控橋式和全控橋式整流濾波電路的輸出電壓調(diào)整范圍大。 1用二極管組成的橋式整流電路和濾波電路及用門極可關(guān)斷晶閘管組成的橋式逆變電路 (1)用二極管組成的三相橋式整流電路的輸出電壓圖2-18為用二極管組成的三相橋式整流電路及用晶閘管組成的橋式逆變電路

37、原理圖，其整流濾波電路的輸出波形如圖2-19所示，輸出電壓值為2.34U2（U2為三相整流電壓的相電壓）。從圖2-18和圖2-19可以看出，每支整流二極管在每個周期內(nèi)導(dǎo)通120°和關(guān)斷240°,整流二極管VD11、VD12, VD13, VD14, VD15, VD16配合導(dǎo)通與截止，在同一時刻有兩支整流二極管導(dǎo)通，而另外4支整流二極管截止。例如，在0°30°有VD14, VD15導(dǎo)通，而VD11、VD12、VD13、VD16截止，在30°90°有VD11、VD14導(dǎo)通，而VD12、VD13、VD15、VD16截止。 通過圖2-18分

38、析可知，用二極管組成的三相橋式整流濾波電路，其輸出電壓基本是比較穩(wěn)定的直流電壓，且電壓是不可調(diào)的，平均值為恒值。通過門極晶閘管（GTO）組成的橋式逆變電路才能做到調(diào)頻率和調(diào)電壓。 (2)用門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)組成的橋式逆變電路的輸出電壓 用門極晶閘管組成的橋式逆變電路的輸出電壓值和頻率都與門極晶閘管導(dǎo)通角有關(guān)，而導(dǎo)通角與門極晶體閘管導(dǎo)通觸發(fā)角和關(guān)斷角有關(guān)。圖2-20所示給出導(dǎo)通角=120°的波形圖。由圖2-20可見，在門極晶閘管組成的橋式逆變電路中的6支門極晶閘管，其導(dǎo)通觸發(fā)角和關(guān)斷角如表2-1所示。 由表可知，逆變橋路中每個橋臂的兩支門極晶閘管導(dǎo)通觸觸發(fā)角之間相差180

39、76;電角度，兩支門極晶閘管關(guān)斷角之間也相差180°電角度。VT1和VT2組成的橋臂與VT3和VT4組成的橋臂與VT5和VT6組成的橋臂，三支橋臂中的VT1, VT3, VT5之間的導(dǎo)通觸發(fā)角相位差120°電角度，關(guān)斷角之間也相差120°電角度；VT2, VT4, VT6之間的導(dǎo)通觸發(fā)角相位差120°電角度，關(guān)斷角之間也相差120°電角度。 通過分析得知，門極晶閘管組成的橋式逆變電路輸出給三相異步機的電壓有其自身規(guī)律，即輸出三相電壓大小相同、相位相差120°角；這就要求逆變橋路中每個橋臂的兩支門極晶閘管導(dǎo)通觸發(fā)角之間相差180

40、6;電角度，管關(guān)斷角之間也相差180°電角度；橋臂與橋臂之間對應(yīng)的門極晶閘管之間的導(dǎo)通觸發(fā)角相互之間相差120°電角度，關(guān)斷角相互之間也相差120°電角度。 2.用晶閘體管組成半控橋式整流濾波電路和用門極可關(guān)斷晶閘管組成的橋式逆變電路 圖2-21為用晶閘管組成的三相半控橋式整流電路及用晶閘管組成的橋式逆變電路原理圖，其整流濾波電路的輸出濾波電壓如圖2-22所示，輸出電壓值為Uz=1.17（l+con) U2(U2三相的相電壓，觸發(fā)角從0°-180°變化）。當觸發(fā)角=0°時，Uzo=2.34 U2,當觸發(fā)角=180°時，Uzo

41、=0 V ;由此可知用晶閘管組成的橋式整流電路輸出電壓Uzo的調(diào)整范圍從0 V-2.34 U2（Uzo整流電路輸出空載時電壓）。 晶閘管組成半控橋式整流電路和濾波電路及用門極晶閘管組成的橋式逆變電路如圖2-23所示，其橋式逆變電路輸出電壓同前所述。3.用晶閘管組成的全控橋整流濾波電路和用門極晶閘管組成的橋式逆變電路分析在用晶閘管組成的全控橋式整流濾波電路及用門極晶閘管組成的橋式逆變電路（如圖2-24所示）中，整流橋中的晶閘管VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VCT6導(dǎo)通和關(guān)斷需要配合，每支管子導(dǎo)通角只能在0°-120°之間。門極晶閘管組成的橋式逆變電路的逆變

42、過程同前所述。 用普通晶閘管組成的全控橋整流電路和橋式逆變電路中的晶閘管橋臂需反向并聯(lián)連接。圖2-25（a）中的12支晶閘管需要每組有6支管配合導(dǎo)通，另外6支管截止，只有用這種通斷控制方式才能使三相異步電動機實現(xiàn)變頻調(diào)速。 在圖2-25 (b）所示波形中，12支晶閘管同時接收觸發(fā)脈沖，觸發(fā)角a=30°。當?shù)谝粋€觸發(fā)脈沖到來時，有VTI、VT4, VT6, VT7, VT10, VT12配合導(dǎo)通，VT3、VT5、VT2,VT9、VT11、VT8截止。當?shù)诙€觸發(fā)脈沖到來時，有VT3、VT2、VT6, VT9、VT8,VT12配合導(dǎo)通，VT1、VT5、VT4、VT7, VT10, VT1

43、1截止。當?shù)谌齻€觸發(fā)脈沖到來時，有VT5、VT2、VT4、VT11、VT8, VT10配合導(dǎo)通，VT1、VT3、VT6、VT7、VT9、VT12截止。通過圖2-25 (b)所示波形可見，三相電動機每相繞組電壓波形不對稱，而且頻率低于輸入電源頻率fl。通過分解可得到對稱正弦波和高次諧波，這就是變流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷鹤冾l器的缺點。在選擇變頻器時應(yīng)特別注意相關(guān)技術(shù)資料和有關(guān)參數(shù)。用電力MOS場效應(yīng)管組成的橋式逆變電路 為電力MOS場效應(yīng)管組成的橋式逆變電路提供直流電壓的電路有單相橋式整流電路，或者三相橋式整流電路。圖2=26所示為用電力二極管組成的三相整流濾波電路和用電力MOS場效應(yīng)管組成的橋式逆變電路。在電力MOS場效應(yīng)管組成的橋式逆變電路中場效應(yīng)管和反饋二極管并聯(lián)，這樣做的目的是為了在場效應(yīng)管關(guān)斷時，使電動機繞組產(chǎn)生的反電勢能量通過反饋二極管反送給直流電源。要特別注意電力MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通條件是源極和漏極正向偏置，而柵極加正電壓，即場效應(yīng)管導(dǎo)通直接受柵極電壓控制。 圖2-27所示為用電力MOS場效應(yīng)管組成的橋式逆變電路各支場效應(yīng)管均導(dǎo)通180°電角度狀態(tài)下電動機三相繞組通電波形圖。由圖可見，當輸入三相交流電壓為50 Hz時，整流后的直流電壓經(jīng)由場效應(yīng)管逆變電路作用，得到了100 Hz的交流電壓；通過改變各個場