变频器的三相拓扑结构及其不同的导电型式

变频器是一个变频电源，可分为“交-直-交”和“交-交”两大类，所谓“交-直-交”就是将交流电输入，经整流器整流变成直流电，然后经过滤波环节，再进入逆变器，逆变成三相频率可调的交流电，故称“交-直-交”；又分电压型（大电容滤波）和电流型（大电感滤波）两类。所谓“交-交”，就是将交流电送入变频器后直接变成三相频率可调的交流电输出，故称“交-交”。目前用得最广泛的是交-直-交电压型变频器，故本书将其作为重点。由于电流型也可用SVPWM技术，故作简单介绍，“交-交”变频器与SVPWM技术无关，故只作简述。

1.交-直-交电压型变频器

图1-2所示为一个六拍交-直-交电压型三相变频器拓扑结构，左侧为二极管不可控整流器，提供直流电源；中间为大电容滤波，以获得平直的直流；右侧为逆变器。逆变器用6个IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）VT₁～VT₆构成三相逆变桥（称为六拍三相桥），VT₁、VT₃、VT₅为共阳极组，VT₂、VT₄、VT₆为共阴极组；每个桥臂有2个IGBT串联，从连接点引出三相接线。把一个周期T等分为360°（见图1-4），将VT₁～VT₆以相隔60°的电角度依次导通，每个IGBT导通180°；任一时刻有三个IGBT导通，同桥臂的另一个IGBT必须关断；这样工作下去，逆变器便可对三相负载R输出三相交流电。调节触发频率（T时间长短）便可调节输出交流电的频率，其波形如图1-4所示。

图1-2 IGBT三相变频器

图1-2中U_d为直流电源电压，E为U_d/2，O为理想中性点，O′为负载中性点。u_A、uB、uC为A、B、C三点电位，u_AO′、uBO′、uCO′和uAB、uBC、uCA分别表示负载上的相电压和线电压。

先求两个中点间的电压u_OO′。在0～60°区间，等效电路如图1-3a所示。

在60°～120°区间，等效电路如图1-3b所示。

图1-3 等效电路

其余类推，便可得到图1-4所示的u_OO′波形。

再求u_A、u_B、u_C，它们的求法主要看IGBT的导通情况。例如求u_A，当VT₁导通时，u_A=U_P=E=U_d/2，而在VT₄导通时，u_A=U_Q=-E=-U_d/2。同理可求u_B、u_C。

在上述数据求得后，负载相电压及线电压就可以按照下列式子计算：

例如求相电压u_AO′有效值：

线电压有效值：

因此

从计算结果可以看到，线电压与相电压有效值之比为3，可见逆变器输出电压为三相交流，便可描绘出相电压和线电压的波形，如图1-4所示。

图1-4 电压型三相变频器输出波形

IGBT的驱动信号发生电路可参看电子学教科书。从式（1-1）和式（1-2）可知，改变直流电压U_d便可改变逆变器输出交流电压，从而完成变压变频（VVVF）的功能_[注1]。

图1-2所示的三相拓扑结构，由于IGBT导通角为180°，故称为180°导电型逆变器；还有一类逆变器，在一个周期内每个开关管导通120°，同时有两个开关管导通，称为120°导电型逆变器。故电压型三相变频器分两类：180°导电型和120°导电型。(www.xing528.com)

请读者注意，由于交-直-交变频器实质上是逆变器直变交，因此一般说逆变器就是指交-直-交变频器，特别是电压型，以下各章说逆变器就是指电压型变频器。

2.交-直-交电流型变频器

（1）结构和工作原理 交-直-交电流型变频器的结构和工作原理与电压型相似，为六拍三相桥，只是直流环节采用大电感滤波；分强迫换相式、自换相式、滤波器换相式和负载换相式，现以强迫换相式为例叙述于下：

强迫换相式常见的为串联二极管式，其主电路拓扑结构如图1-5所示，变频器的整流部分为可控整流器，可供应直流电源及作回馈电能给电网用。L_d为滤波电感。逆变器由6个晶闸管组成。

所谓强迫换相，是指逆变器从一相转入另一相时需要将原来导通的开关管强行关断。这里开关管是指晶闸管。晶闸管是一种半控器件，一经导通就不能自行关断，此时如果同一桥臂另一个开关管导通，则会造成直流电源短路，逆变器便无法工作下去，因此必须使之关断。在常用的晶闸管逆变器中，采用强迫关断的方法，即借用所谓换相回路，对该晶闸管施加反压，将其关断，这个关断过程叫做强迫换相。

下面讲述电流型逆变器换相过程。

逆变器中6个晶闸管在一个周期T内，任何时刻，上下两组中各有一个导通，次序是VTH₁～VTH₆，导通时间为120°，故属于120°导电型。图1-6所示为当VTH₆和VTH₁导通时，电流I_d经VTH₁—VD₁—A相—B相—VD₆—VTH₆成一回路，此时i_A=I_d，i_B=-I_d，i_C=0，依此类推，可得三相电流波形为矩形波，如图1-7所示。而电压波形主要决定于电动机的电动势，也示于同一图中，这是与电压型不同之处。改变周期T就改变了频率。

图1-5 串联二极管式变频器结构

图1-6 换相过程

逆变器中有6个电容C₁～C₆，为换相电容，起换相作用，C₁、C₃、C₅和C₄、C₆、C₂等效为3C/2。6个串联二极管，起隔离换相电容与负载之用，防止电容上的电压经负载放电。在换相过程中，电动机绕组电动势参与了作用。换相过程以从VTH₅换相到VTH₁来说明：

图1-7 电流型逆变器输出波形

1）晶闸管换相与恒压充电阶段：触发VTH₁开始了电流从C相到A相的换相过程。由于VTH₁导通，换相电容上所充的电压极性，使VTH₅立即处于反偏关断，电流I_d转移到VTH₁，但此时换相电容3C/2上电压U_C，仍高于电动机电压U_CA，故VD₁仍处于反偏截止状态，负载电流仍流经VD₅，换相电容被反向充电，保持负载电流I_d不变，直到U_C>U_CA，二极管VD₁开始正偏为止。

2）换相阶段：VD₁开始导通后，C相电流由I_d下降，而A相电流由零上升；这一阶段VD₁、VD₅同时导通。当C相电流下降到零时，换相阶段结束，在此阶段中，电动机端电压出现尖峰，这是由于电流转移过程中，di/dt在漏感L′上产生的电压降而造成的，在换流结束时，换流电容上电压达最大并不改变。

3）正常运行阶段：自C相电流为零的时刻起，VD₅关断，直流电流经VTH₁—VD₁—VTH₆—VD₆在AB相中流动而进入正常运行阶段。

（2）四象限运行 图1-5所示的变频器中整流器为可控整流器，可以进行四象限运行。当电动机正转运行于第一象限时，降低频率减速或停车，由于惯性，转子仍按原转速旋转，即转子频率大于同步频率，电动机处于发电状态而进入第二象限。等到所储蓄的动能消耗完毕时，电动机低转速运行，回到第一象限或停止。在发电状态时，产生的电能经逆变器的回馈二极管整流变成直流；此时调整整流器的触发延迟角大于90°，进入逆变状态，将直流逆变为交流送回电网，形成能量回馈。如果电动机原为反转，则处于第三象限，当减速或停车，同样进入发电状态和第四象限，产生能量回馈作用，因此此种带有可控整流器的变频器具有四象限运行能量回馈功能，如图1-8和图1-9所示。若使图1-5所示的变频器有此功能，整流器必须为可控，开关器件也采用全控型IGBT。

3.交-交变频器

交-交变频器就是将某一固定频率的交流电直接变换为频率可调的交流电，除了能调频外，还要求能调压，其基本原理可用图1-10a所示的单相变频器说明，由正、反两组可控整流器反并联组成。两组均输入交流电，设正组整流器导通工作，反组整流器关断，则在正组输出电压E_p作用下，负载电压上端为正，下端为负。隔一定时间关断正组，导通反组，在反组输出电压E_N作用下，负载流过的电流I_N使负载电压下端为正，上端为负。再隔相等时间，关断反组导通正组，负载电流又使负载上端为正、下端为负。如此重复工作下去，负载上便获得如图1-10b所示的矩形交流电压。虚线表示其基波分量。

图1-8 四象限运行

图1-9 四象限运行示意图

图1-10 交-交变频原理