1.4 變頻器的基本結構與原理

變頻器從系統(tǒng)結構上分可分為交-交變頻器和交-直-交變頻器兩種形式。交-直-交變頻器在頻率的調節(jié)范圍以及改善變頻后電動機的特性等方面都具有明顯的優(yōu)勢，是目前迅速普及應用的主流變頻器。本節(jié)以交-直-交變頻器為例來介紹變頻器的基本結構與原理。

1.4.1 變頻器的基本構成

如圖1-17所示為通用變頻器（VVVF）控制原理框圖。它通常由主電路和控制回路兩部分組成。

1. 主電路部分

變頻器主電路給異步電動機提供調壓調頻電源，它是變頻器電力變換部分，圖1-18所示為典型的電壓逆變器電路。其主電路由三部分組成：將工頻電源變換成直流功率的“整流器”、吸收在整流和逆變時產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，若異步電動機需要制動，有時要附加“制動回路”。

（1）整流器。在中小容量的變頻器中，整流器一般由不可控的整流二極管構成全波整流橋，把工頻電源變換成直流電源，也可用兩組晶閘管變流器構成可逆變流器。

（2）平波電路。整流器輸出的直流電壓是含有電源6倍頻率的脈動直流電壓，必須加以濾波。為了抑制電壓波動，采用電感和電容來吸收脈動電壓（電流）。

（3）逆變器。逆變器是變頻器的核心部件之一，它的基本作用是在控制回路的作用下將平波回路輸出的直流電變成頻率、電壓可調的交流電源。

提示

實際應用中變頻器采用三相逆變電路，最常見的結構形式是由六個半導體主開關器件組成的三相橋式逆變電路，通過有規(guī)律地控制開關器件的導通與關斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。

（4）制動回路。在電動機減速過程中，逆變器輸出的交流電頻率下降，由于慣性原因，異步電動機的轉子轉速會短時間高于同步轉速，處于再生制動狀態(tài)，它會產(chǎn)生電動勢通過逆變電路對濾波電容反向充電，使電容兩端電壓升高，達到危險的地步。通常變頻器用可逆變流器向電源反饋或設置制動回路（開關和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。

2. 控制回路部分

變頻器的控制回路主要是向主電路提供控制信號，其主要任務是完成對逆變器開關器件的開關控制和提供多種保護功能。控制方式有模擬控制和數(shù)字控制兩種。

通用變頻器控制回路框圖如圖1-19所示，它主要由主控板、鍵盤與顯示板、電源板與驅動板、外接控制電路等構成。

1）主控板

主控板是變頻器運行的控制中心，其核心器件是控制器（單片微機）或數(shù)字信號處理器（DSP），其主要功能如下：

（1）接收并處理從鍵盤、外部控制電路輸入的各種信號，如修改參數(shù)、正/反轉指令等。

（2）接收并處理內部的各種采樣信號，如主電路中電壓與電流的采樣信號、各部分溫度的采用信號等。

（3）向外電路發(fā)出控制信號及顯示信號，如正常運行信號、頻率到達信號等；檢測主電路的電壓、電流等，一旦發(fā)現(xiàn)過載或者過電壓等異常情況，立刻發(fā)出保護指令進行保護或停車，并輸出故障信號。

提示

主控板電路中的重要組成部分是SPWM波形調制處理、頻率信號處理、系統(tǒng)控制、參數(shù)控制、串行通信接口、PID調節(jié)、運算模型和控制方式功能單元等。

2）鍵盤與顯示板

鍵盤與顯示板總是組合在一起，鍵盤向主控制板發(fā)出各種信號或指令，主要用于向變頻器發(fā)出運行控制指令或修改運行數(shù)據(jù)等，如圖1-20所示。顯示板將主控板提供的各種數(shù)據(jù)進行顯示，大部分變頻器配置了液晶或數(shù)碼管顯示屏，有“RUN（運行）”、“STOP（停止）”、“FWD（正轉）”、“REV（反轉）”、“FLT（故障）”等狀態(tài)指示燈，以及單位指示燈，如“Hz”“A”“V”等。

3）電源板與驅動板

變頻器的內部電源普遍使用開關穩(wěn)壓電源，具有體積小、效率高等優(yōu)點。電源輸入為變頻器主回路直流母線電壓或將交流380V整流。通過脈沖變壓器的隔離變換和變壓器副邊的整流濾波可得到多路輸出直流電壓。它主要提供如下直流電源。

（1）主控板電源：具有極好穩(wěn)定性和抗干擾能力的一組直流電源。

（2）驅動電源：逆變電路中上橋臂的三只逆變管驅動電路的電源是相互隔離的三組獨立電源，下橋臂三只逆變管驅動電源則可共地，但驅動電源與主控板電源必須可靠接地。

（3）外控電源：為變頻器外電路提供的穩(wěn)恒直流電源。

中小功率變頻器驅動電路往往與電源電路在同一塊電路板上，驅動電路接收主控板發(fā)來的SPWM調制信號，在進行光電隔離、放大后驅動逆變管的開關工作。

4）外接控制電路

外接控制電路可實現(xiàn)由電位器、主令電器、繼電器及其他自控設備對變頻器的運行控制，并輸出其運行狀態(tài)、故障報警、運行數(shù)據(jù)信號等。它一般包括：外部給定電路、外接輸入控制電路、外接輸出電路、報警輸出電路等。

提示

在大多數(shù)中小容量通用變頻器中，外接控制電路往往與主控電路設計在同一塊電路板上，以縮小整機的體積，提高電路可靠性，降低生產(chǎn)成本。

1.4.2 變頻器的工作原理

變頻器在使用時，其輸出電壓為等效的PWM波形，如圖1-21所示。之所以形成這樣的波形，是因為變頻器是利用內部半導體器件來實現(xiàn)波形的轉換的。

1. 交-直整流

交-直整流功能由整流器完成。整流器一般由整流電路、平波電路、沖擊電流抑制電路三部分組成，如圖1-22所示。

整流電路通常是由二極管或晶閘管構成的橋式整流電路。根據(jù)輸入電源的不同，橋式整流電路分為單相橋式整流電路和三相橋式整流電路。通用變頻器多采用三相380V輸入的橋式整流電路，其輸出電壓波形如圖1-23所示。

沖擊電流抑制電路的作用是：在變頻器工作中，為防止沖擊電流損壞整流模塊，再接通電源時，一段時間內強制串聯(lián)電阻器，以抑制沖擊電流。完成后，使該電阻器的兩端短路，將電阻器從電路切除。沖擊電流抑制電路如圖1-24所示。

濾波電路分為電容濾波和電感濾波兩種。由于電容兩端的電壓不能突變，流過電感的電流不能突變，所以用電容濾波就構成電壓型變頻器，用電感濾波就構成電流型變頻器。

2. 直-交逆變

逆變是將直流電轉變?yōu)榻涣麟姷倪^程，逆變器是把直流電（DC）變成為交流電（AC）的裝置，是交-直-交變頻器的核心部分。

1）逆變原理

（1）直流電變換成交流電的方法。如圖1-25所示，電路中用燈假設電動機負載。連接到DC電源上的4個開關S1 到S4 交替地通斷，其電流波形如圖1-26所示。

分析：

① 接通S1、S4，電流按A方向方向流過燈L。

② 接通S2、S3，電流按B方向方向流過燈L。

這樣交替地通斷S1、S4 和S2、S3 開關組就產(chǎn)生交流電，流過燈L的電流方向也交替換向。

（2）改變頻率的方法。通過改變開關通斷的時間可以改變頻率。例如，S1、S4 接通0．5s后S2、S3 接通0．5s，交替進行就會產(chǎn)生1s換向一次的交流電，即頻率為1Hz的交流電，如圖1-27所示。

一般S1、S4 和S2、S3 接通相同的時間，假設在一個周期內持續(xù)時間共為t0（如圖1-28所示），則頻率f為

（3）三相交流電的轉換。三相逆變器的等效電路如圖1-29所示。

如圖1-30所示，依次通斷開關S1 ～S6，在U-V、V-W及W-U端會產(chǎn)生等效于逆變器的脈沖波形，該矩形波AC電壓向電動機供電。通過改變開關通斷周期，就可以得到要求的電動機供電頻率；而通過改變DC電壓，則可以改變電動機的供電電壓。

2）逆變器電路的構成

如圖1-31所示，用6個晶體管代替6個開關構成逆變器電路，該電路連接三相電動機，晶體管的交替通斷電使電動機運轉，通過改變晶體管接通順序，就可以改變電動機的旋轉方向。

晶體管有3個引腳：集電極（C）、發(fā)射極（E）和基極（B）（柵極G，IGBT）。當基極無信號時，C、E兩端斷路（開關斷開）；當基極有信號時，C、E兩端接通（開關合上）。即晶體管像開關S那樣，快速地完成通斷功能，如圖1-32所示。

提示

逆變過程與整流過程相反，分為有源逆變和無源逆變兩種。兩者之間的區(qū)別是：有源逆變是把直流電逆變?yōu)殡娫赐l率的交流電反送到電網(wǎng)中去；無源逆變則是將直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調頻率的交流電供給負載。

1.4.3 PWM控制技術

1. PWM控制技術基本原理

實現(xiàn)變頻變壓的方法有多種，目前應用較多的是脈沖寬度調制技術，簡稱PWM技術。PWM控制是指在保持整流得到的直流電壓大小不變的條件下，利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變換為電壓脈沖序列，并通過控制電壓脈沖的寬度（或用占空比表示）或周期來實現(xiàn)改變等效輸出電壓的一種方法。

PWM的輸出電壓基本波形如圖1-33所示。在半個周期內，輸出電壓平均值的大小由半周中輸出脈沖的總寬度決定。在半周中保持脈沖個數(shù)不變而改變脈沖寬度，可以改變半周內輸出電壓的平均值，從而達到改變輸出電壓有效值的目的。脈寬調制的方法很多，從調制脈沖的極性上看，可分為單極性和雙極性調制兩種；從載頻信號和參考信號（基準信號）頻率之間的關系來看，又可以分為同步式和非同步式兩種。

2. 正弦波脈寬調制（SPWM）控制

PWM的輸出電壓的波形是非正弦波，用于驅動三相異步電動機運行時性能較差。如果使整個半周內脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，使脈沖寬度先逐漸增大，然后再逐漸減小，輸出電壓也會按正弦規(guī)律變化。這就是目前實際中應用最多的正弦PWM法，簡稱SPWM，其波形如圖1-34所示。

SPWM波形產(chǎn)生的方法是：在變頻器的控制電路中，由調制波信號發(fā)生器提供的一組三相對稱正弦波信號作為變頻器輸出的基波，與三角波振蕩器提供的三角波載波信號相疊加。通過其交點時刻控制主電路半導體開關器件的通斷，得到一組等幅而不等寬且兩側窄、中間寬的脈沖電壓波形，其大小和頻率可通過調節(jié)正弦波調制信號的幅值和頻率來控制，即按正弦規(guī)律變化。

提示

雖然SPWM電壓波形與正弦波相差甚遠，但由于變頻器的負載是電感性負載電動機，而流過電感的電流是不能突變的，當把調制為幾千赫茲的SPWM電壓波形加到電動機上時，其電流波形就是比較好的正弦波了。

SPWM的優(yōu)點是能消除與抑制諧波，并可同時控制頻率和電壓。利用SPWM控制技術，將輸出波形進行調整，可以大大削弱某些諧波，使負載電機在近似正弦波的交變電壓下運行，轉矩脈動小，調速范圍寬。

近年來，帶驅動和保護電路的各種智能模塊（IPM）也相繼應用在變頻系統(tǒng)中，IPM模塊集成了過熱和鎖定保護電路，系統(tǒng)的可靠性得到進一步提升，新型IPM模塊甚至將開關電源也設計在模塊內，更加方便用戶使用。用戶只需要了解接口電路和定義，就可以很快組成并運行系統(tǒng)，從而縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。