典型变频器的主回路构成方式

根据变频器构成的电力电子器件的不同，可以将变频器的主回路构成方式分为六种典型方式，它们分别是晶体管变频器、门极关断（GTO）晶闸管变频器、电压型晶闸管变频器、电流型晶闸管变频器、斩波PAM变频器、双PWM变频器。

1.晶体管变频器及其衍生

晶体管包括晶体二极管和晶体三极管。电力电子器件技术的发展使得晶体管生产工艺技术不断得到改进，现已经能生产额定电压为1000V，额定电流为300A，容量为几百个千伏安的电力晶体管，并已模块化，完成了从GTR到IGBT、IPM的过渡。现在的晶体管电力电子器件以高耐压、大电流、高电流放大倍数、驱动和保护良好为特征，使其在变频调速技术中扮演越来越重要的角色，已经逐步取代了以晶闸管为开关元件的晶闸管变频器。

变频器主电路各组成部分及功能如下：

（1）整流桥

图11-8 富士IPM外观与原理

a）外观 b）原理

整流部分由六只整流管组成三相整流桥，将电源的三相交流全波整流成直流，如电源的进线电压为U_L，则三相全波整流后平均直流电压U_D的大小为

U_D=1.35×U_L（11-1）

我国三相电源的线电压为380V，故全波整流后的平均电压为U_D=1.35×U_L=1.35×380=513V。

（2）滤波电容

滤波电容C₁和C₂的作用是：滤平全波整流后的电压纹波；当负载变化时，使直流电压保持平稳。图11-9所示为变频器常见的电容连接方式。

图11-9 变频器常见的电容连接方式

（3）缓冲电阻和触点开关

在变频器合上电的瞬间，滤波电容C₁和C₂上的充电电流比较大，过大的冲击电流将可能导致三相整流桥损坏。为了保护整流桥，在变频器刚接通电源的一段时间里，电路内串入缓冲电阻R₁，以限制电容C₁、C₂上的充电电流。当滤波电容C₁、C₂充电电压达到一定程度时，令触点开关J₁接通，将R₁短路掉。

（4）逆变模块

逆变模块是由六只IGBT和六只续流二极管组成，通过控制IGBT的开关顺序和开关时间，变频器将直流电变成频率可变、电压可变的交流电，其电压波形为脉宽调制波。

晶体管变频器的电路优点包括以下几点：①不需要换流回路，可做到体积小、效率高；②一旦有过电流或短路发生，可自动关断基极控制电流来实现逆变器回路的自关断；③可实现高功率因数运行。

现在的晶体管变频器已经更多地趋向于采用第三代智能功率模块系列产品，它采用第三代IGBT来代替传统的功率MOSFET和双极型达林顿管，并配以功能完善的控制及保护电路，构成了一种理想的高频软开关模块。这类模块特别适用于正弦波输出的变压变频（VVVF）式变频器中。IPM系列产品的内部框图如图11-10a所示。模块内部主要包括欠电压保护电路、驱动IGBT的电路、过电流保护电路、短路保护电路、温度传感器及过热保护电路、门电路和IGBT。该系列产品配16位单片机后构成的通用VVVF变频器的原理图，如图11-10b所示。

图11-10 IPM系列产品的内部框图和通用VVVF变频器的原理图

a）IPM系列产品的内部框图 b）通用VVVF变频器的原理图

小贴士

IPM智能化功率模块的主要特点是：

1）它内部集成了功率芯片、检测电路及驱动电路，使主电路的结构为最简。(www.xing528.com)

2）其功率芯片采用的是开关速度高、驱动电流小的IGBT，且自带电流传感器，可以高效地检测出过电流和短路电流，给功率芯片以安全的保护。

3）在内部配线上将电源电路和驱动电路的配线长度控制到最短，从而很好地解决了浪涌电压及噪声影响误动作等问题。

4）自带可靠的安全保护措施，当故障发生时能及时关断功率器件并发出故障信号，对芯片实施双重保护，以保证其运行的可靠性。

5）由于集成度的提高使变频驱动器的体积有条件向小型化发展，以及简易化的功率驱动电路使得工程师们可以有更多时间专注于控制算法研究。

2.门极关断（GTO）晶闸管变频器及其衍生

门极关断（GTO）晶闸管与通常所说的晶闸管略有不同。当门极注入反向控制电流后，晶闸管自行关断，而通常的晶闸管要关断须使流通电流小于关断电流，这就要求有换流回路。而门极关断（GTO）晶闸管不需要换流回路。门极关断（GTO）晶闸管与电力晶体管相比，有耐压更高、容量更大、可流通电流大的特点，对于大容量变频器，开关元件采用门极关断（GTO）晶闸管的较多。

门极关断（GTO）晶闸管变频器的主回路如图11-11所示。图中，D₁～D₆组成三相全桥整流，PN两点电压为全波直流脉动电压；L为电抗器，抑制主回路中直流电流的波纹因数，即抑制脉动；C为大容值滤波电容，作用是平滑整流桥输出的脉动电压；二极管VR与电抗器L的作用是：L为限流电抗器，当负载短路电流导致流经GTO开关元件的电流迅速大幅度增加时，L限制电流不超过关断电流以保持GTO能随时受控关断，VR为续流二极管，抑制GTO关断时两端的电压，为L提供放电回路。每路GTO都并联了二极管、电容、电阻，作用是吸收浪涌电流并保护GTO不受过电压损伤。六只GTO元件（T₁～T₆）承受电压与流通电流的关系都一样，仅彼此之间有固定的相位差，而GTO的门极电压及电流由控制回路给出。

图11-11 门极关断（GTO）晶闸管变频器的主回路

门极关断（GTO）晶闸管变频器特别适合高耐压、大电流和大容量的场合，由于GTO可实现自关断，因此主回路简单，并使整个变频器装置更加小型化、重量轻、效率高，在控制性能上优于晶闸管同类装置。

3.电压型晶闸管变频器

所谓电压型晶闸管变频器就是指变频器对于电动机来讲，相当于一个电压源，换流过程发生在变频器内部，这种变频器适合任何种类的负载。

电压型晶闸管变频器的优点是可采用多重单元并列化，并通过一个大容量耦合变压器将诸并列单元提供的能量耦合集中输出，形成大容量，同时，此种方式的输出电压波形和电流波形更接近正弦波。这种类型的变频器通用性很强，可以驱动各种不同的负载，比如一套变频器同时带动多台负载甚至是性质各异的负载。

4.电流型晶闸管变频器

电流型晶闸管变频器属于电流源性供电装置，因此限制电流比较容易，适用于对各种电动机进行频繁加速、减速操作的场合。由于晶闸管制造工艺技术水平的大大提高，使用高耐压的晶闸管可制造大容量的变频器，采用脉宽调制PWM控制方式，低速区调速性能也很优异。目前应用电流型晶闸管变频器的主要有钢铁、造纸行业的变速控制。

5.斩波PAM变频器

在脉宽调制控制方式中，对应一个正弦波，开关元件的开关频率多达几十次，对于一些高速及超高速运行的电动机，它所要求的变频器输出频率就非常高，如600Hz以上，此时采用PWM调制方式，开关元件的开关频率可能高达几千甚至几万赫兹，因此，这样高的开关频率对于PWM调制不再适合。如图11-12所示采用斩波PAM（脉幅调制）控制方式的变频器，就是输出交流电压的大小是通过调节直流电压幅值来实现的。

图11-12 斩波PAM变频器

6.双PWM变频器及其衍生

交-直-交电压型变频器的主电路输入侧一般是经三相不控桥式整流器向中间直流环节的滤波电容充电，然后通过PWM控制下的逆变器输入到交流电动机上。虽然这样的电路成本低、结构简单、可靠性高，但是由于采用三相桥式不控整流器使得功率因数低、网测谐波污染以及无法实现能量的再生利用等。而整流电路中采用自关断器件进行PWM控制，可使电网侧的输入电流接近正弦波并且功率因数达到1，可以彻底解决对电网的污染问题。双PWM控制的变频器如图11-13所示。

图11-13 双PWM控制的变频器

双PWM控制技术打破了过去变频器的统一结构，采用PWM整流器和PWM逆变器提高了系统功率因数，并且实现了电动机的四象限运行，这给变频器技术增添了新的生机，形成了高质量能量回馈技术的最新发展动态。

小贴士

双PWM控制技术的工作原理：①当电动机处于拖动状态时，能量由交流电网经整流器中间滤波电容充电，逆变器在PWM控制下将能量传送到电动机；②当电动机处于减速运行状态时，由于负载惯性作用进入发电状态，其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电，使中间直流电压升高，此时整流器中开关元件在PWM控制下将能量馈入到交流电网，完成能量的双向流动。同时由于PWM整流器闭环控制作用，使电网电流与电压同频同相位，提高了系统的功率因数，消除了网侧谐波污染。