交直交变频器的基本构造

交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率转换和弱电控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬、软件开发问题，在目前状况下主要采用的是全数字控制技术。通用变频器一般都是采用交直交的方式组成，并由以下两部分组成（见图7-24）。

图7-24 通用变频器的基本构造

1.主电路

通用变频器的主电路包括整流部分、直流环节、逆变部分、制动或回馈环节等部分。

（1）整流部分 通常又被称为电网侧变流部分，是把三相或单相交流电整流成直流电。常见的低压整流部分是由二极管构成的不可控三相桥式电路或由晶闸管构成的三相可控桥式电路。而对中压大容量的整流部分则采用多重化12脉冲以上的变流器。

（2）直流环节 由于逆变器的负载是异步电动机，属于感性负载，因此在中间直流部分与电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量的交换一般都需要中间直流环节的储能元件（如电容或电感）来缓冲。

（3）逆变部分 通常又被称为负载侧变流部分，它通过不同的拓扑结构实现逆变元件的规律性关断和导通，从而得到任意频率的三相交流电输出。常见的逆变部分是由6个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。

其半导体器件一般采用IGBT来作用，IGBT原理如图7-25所示。IGBT是GTR与MOS-FET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管，RN为晶体管基区内的调制电阻。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一个场控器件，通断由栅射极电压U_GE决定。

导通：U_GE大于开启电压U_GE（th）时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。

导通压降：电导调制效应使电阻R_N减小，使通态压降小。

关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

优点：高输入阻抗；电压控制、驱动功率小；开关频率高；饱和压降低；电压、电流容量较大，安全工作频率宽。

（4）制动或回馈环节 由于制动形成的再生能量在电动机侧容易聚集到变频器的直流环节形成直流母线电压的泵升，需及时通过制动环节将能量以热能形式释放或者通过回馈环节转换到交流电网中去。制动环节在不同的变频器中有不同的实现方式，通常小功率变频器都内置制动环节，即内置制动单元，有时还内置短时工作制的标配制动电阻；中功率段的变频器可以内置制动环节，但属于标配或选配需根据不同品牌变频器的选型手册而定；大功率段的变频器其制动环节大多为外置。至于回馈环节，则大多属于变频器的外置回路。

图7-25 IGBT原理(www.xing528.com)

2.控制回路

控制回路包括变频器的核心软件算法电路、检测传感电路、控制信号的输入/输出电路、驱动电路和保护电路。现在以某通用变频器为例来介绍控制回路（见图7-26），它包括以下

几个部分：

图7-26 通用变频器的控制回路图

（1）开关电源 变频器的辅助电源采用开关电源，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二次侧的整流滤波可得到多路输出直流电压。其中，+15V、-15V、+5V共地，±15V给电流传感器、运放等模拟电路供电，+5V给DSP及外围数字电路供电。相互隔离的四组或六组+15V电源给IPM驱动电路供电。+24V为继电器、直流风机供电。

（2）DSP（数字信号处理器） TD系列变频器采用的DSP为TMS320F240，主要完成电流、电压、温度采样，六路PWM输出，各种故障报警输入，电流、电压频率设定信号输入，还完成电动机控制算法的运算等功能。

（3）输入/输出端子

变频器控制电路输入/输出端子包括：

输入多功能选择端子、正/反转端子、复位端子等。

继电器输出端子、开路集电极输出多功能端子等。

模拟量输入端子，包括外接模拟量信号用的电源（12V、10V或5V）及模拟电压量频率设定输入和模拟电流量频率设定输入。

模拟量输出端子，包括输出频率模拟量和输出电流模拟量等，用户可以选择0～1mA直流电流表或0～10V的直流电压表，显示输出频率和输出电流，当然也可以通过功能码参数选择输出信号。

（4）SCI口 TMS320F240支持标准的异步串口通信，通信波特率可达625kbit/s。具有多机通信功能，通过一台上位机可实现多台变频器的远程控制和运行状态监视功能。

（5）操作面板部分 DSP通过SPI口，与操作面板相连，完成按键信号的输入、显示数据输出等功能。