通用变频器基础知识

变频器用途可分为两类，一类是作为静止电源，即将直流逆变为三相正弦交流电；另一类是作调速电源，即为交流电动机调速提供频率和电压均可变化的电源。由于变频器在节能方面经济效果显著，因此在建筑、化纤、塑料、纺织等领域得到广泛应用；由于利用变频器可实现交流电动机无级调速，因此被广泛用于风机、水泵、压缩机等流体机械的驱动电动机的调速；由于利用变频器的自动控制性能可以提高产品质量和产量，因此在机电一体化和传统机械改造方面具有独特优越性。可以说随着变频器技术的成熟，它所用器件的模块化、大规模集成化和控制手段全数字化，以及产品的智能化、系统化、结构小型化、专用化，必然使其在各行各业得到充分利用。因为交流异步电动机采用变频调速可以实现无级调速，所以得到广泛应用。

变频调速核心技术就是变频技术。目前变频方式有交→直→交变频和交→交变频两种，而普遍采用的是交→直→交变频技术。

2.1通用变频器结构与分类

变频器的种类很多、型号很多，但其结构形式和采用的技术基本相同。下面先介绍变频器的分类，然后介绍变频器结构。 2.1.1变频器的分类

变频绍器可以按变流环节、输出电压调制方式、开关器件、控制方式和滤波环节分类。 1．变频器按变流环节分类

变频器变流方式有两种，一种是交流→变直流→再变交流，另一种是交流→变交流。

交流→变直流→再变交流的变频方式，先将固定频率的正弦交流电压经整流电路变换为波纹度较大的直流电压，接着将波纹度较大的直流电压经过滤波电路滤波，使之变为波纹度较小的直流电压，再经过逆变电路的作用，使直流电变为交流电输送给电器。由于将直流逆变为交流的环节很容易控制，而且逆变后的交流电频率调节范围和电压调节范围都大，这对交流电动机运行非常有利；目前交流电动机变频调速多采用此类的变频器。

交流一变交流变频器是将固定频率的交流电直接转换为频率可调的交流电，要特别注意这类变频器输出电压相数与输入相数相同。交流一变交流变频器通常采用三相反并晶闸管可逆桥式变流器组成。此类变频器具有过载能力强、效率高、电压波形好等优点，但它存在输出电压频率在输入电压频率的50%以下，功率因数低和高次谐波对电网影响大等缺点。目前此类变频器用的很少。

2.变频器按输出电压调制方式分类

变频器的逆变电路依据逆变电路输出电压调制方式有脉幅调制PAM（Pulse Amplitude Modulation）、脉宽调制PWM（Pulse Width Modulation)、正弦脉宽调制SPWM等3种类型。有关变频器输出电压调制方式详细知识将在后面章节中介绍。

3.变频器按开关器件分类

（1)用晶闸管SCR组成逆变电路的变频器（简称为SCR变频器）

SCR晶闸管属于电压控制元件，用晶闸管 SCR组成逆变电路的变频器，即可用于感性负载，也可用于阻性负载，也就是具有通用性。在不超过变频器容量条件下，可以多台电动机并接使用同一台变频器，但电动机不应同时启动，以避免冲激电流过大。

(2)用门极可关断晶闸管GTO组成逆变电路的变频器（简称为GTO变频器）

门极可关断晶闸管GTO是电压控制元件；门极可关断晶闸管是通断均可控元件。因此GTO变频器具有开关频率高、频带比宽、低速频特性比较好、效率高、体积小、重量轻等优点。GTO变频器比SCR变频器更适用于PWM调制方式和SPWEM调制方式。要注意GTO变频器属于窄脉冲信号触发变频器。

(3)用双极型晶体管GTR组成逆变电路的变频器（简称为GTR变频器）

双极型晶体管GTR是电流基极电流Ib控制集电极电流Ic所以GTR变频器具有开关频率高、频带比宽、低速频特性比较好、效率高、体积小、重量轻等优点。GTR变频器比SCR变频器更适用于PWM调制方式和SPWEM调制方式。要注意GTR变频器属于长信号控制变频器。

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(4)用绝缘栅双极型晶体管IGBT组成逆电路的变频器（简称为IGBT变频器） 绝缘栅双极型晶体管IGBT有栅极G,集电极C和发付射极E等3个极；它通过栅极电压UGE控制集电极电流Ic，所以IGBT变频器比GTR变频器功耗小，其他特性相同。

(5)用MOS单极型场效管组成逆变电路的变频器（简称为MOS变频器）

MOS单极型场效管有栅极G,源极S和漏极D等3个极；它通过栅极电压UGS控制漏极电流ID，所以MOS变频器比IGBT变频器功耗小，其他特性相同。 4.变频器按控制方式分类

变频器按控制方式分类，可分为U/f（电压／频率）控制方式、转差率控制方式、矢量控制方式等3种类型。

（1) U/ f（电压／频率）控制方式

U/f（电压／频率）控制方式是指U/f=恒值的控制方式。它适用于变频器输出电压频率低于输入电网电压频率状态下的电动机调速，其实质是电动机恒力矩调速；最常用于速度精度要求不高的机械设备的电动机调速，如风机和水泵电动机的调速。

（2）转差率控制方式

转差率控制方式是一种速度闭环控制为方式，即将通过速度传感器测得实时转速送给转差率控制器，经过与设定转速相比较和运算，最后向转差率控制器发出逆变器频率和电压的控制信号。转差率控制方式经常用于变频器输出电压频率高于输入电网电压频率状态下的电动机调速，其实质是电动机恒功率调速。 (3）矢量控制方式

矢量控制方式是交流电动机调速最理想的控制方式，其实质是通过将交流异步电动机的定子电流分解为激磁电流Im和有功电流分量Ia，并分别加以控制，即通过改变异步机定子电流幅值和相位的控制方式实现调速；这是电流矢量法控制方式，所以称为矢量控制方式。采用矢量控制的交流异步电动机调速特性可与直流电动机相类同。

5.变频器按滤波环节分类

变频器常用的滤波有3种类型，一类电容滤波，另一类是电感滤波，还有一类是电感电容组合滤波。 （1)电容滤波

电容滤波是低通滤波。电容与整流电路输出端并联，利用电容电压不能跃变特性，使电容滤波后的电压很平滑。采用电容滤波的变频器，可称为电压型变频器。 （2）电感滤波

电感滤波是高通滤波。电感串于整流电路输出端，利用电感电流不能跃变特性，使电感滤波后的电流很平滑。采用电感滤波的变频器，可称为电流型变频器。 (3）电感电容组合滤波。 通过以上分忻析可知，电感滤波是高通滤波，电感串于整流电路输出端，利用电感电流不能跃变特性，使电感滤波后的电流很平滑；而电容滤波是低通滤波，电容与整流电路输出端并联，利用电容电压不能跃变特性，使电容滤波后的电压很平滑；采用电感和电容组合滤波，可以使变频器的逆变电路得到稳定的直流电压和电流，所以采用电感电容组合滤波的变频器工作更稳定。

2.1.2变频器的外部结构

目前最常用的变频器有静止条件下使用的变频器和交流异步电动机调速用的变频器两大类；本节主要介绍变频器在交流异步电动机调速中的应用。

调速用变频器种类很多，型号各异，但其结构和工作原理基本类同，操作面板和参数设定有差。在此仅给出BT12S, SB12, BT40, FR-700系列变频器外观图如图2-1所示，并简单说明变频器的安装方式。 变频器有挂壁式和直立式两种类型。挂壁式变频器多采用底部送风式冷却方式，直立式多采用顶部抽风式冷却方式。安装变频器时一定要按照产品手册的安装规定留足变频器周围空间，以便其散热。

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2.1.3变频器内部结构

变频器的内部组成主要包括交流输入、整流滤波环节、电压采样、逆变环节、驱动电路、主控电路、输出等组成，图2-2所示给出变频器的内部结构框图。

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整流滤波环节是将交流电压转换为直流电压。

电压采样环节是将直流电压变化值输送给主控电路。

电流采样环节是将电动机线电流变化值输送给主控电路。

逆变环节是将直流电压转换为交变电压，并输出给三相电动机。

驱动电路是将主控电路发出的控制指令转换为逆变管所需的矩形波信号，并将信号有序地送到对应的逆变管。

显示与操作键盘可完成对变频器工作状态显示和有关频率设定及相关参数的设定，并通过专用传输线与主控电路进行相关数据的互相传送。

主控电路是变频器控制中心，它要接收有关信息，并做出相应的运算处理，最后产生指令信号控制相对应的其他环节。

2.2变频器工作原理

由电动机原理可知，电动机每相定子绕组的感应电动势Ea与电动机的结构系数Kr1、电源频率f1、 绕组匝数N1和主磁通ΦM 关系。

Ea= Kr1 f1 N1 ΦM (2-1) 式中：Kr1一电动结构系数； Ea-每相绕组电动势，单位V; f1一电源电压频率，单位Hz N1一每相绕组匝数； ΦM一主磁通，单位Wb。

由式(2-1)可知，当定子绕组感应电动势Ea不变的情况下，若只改变频率fl会使主磁通ΦM改变，即f1＞f1N则使ΦM下降，会使电磁力矩下降，电动机工作在恒功率调速状态；当f1＜f1N,因定子绕组感应电动势Ea不变，会使ΦM上升，会引起磁饱和，使电动机励磁电流增大，引起电动机的功率因数和效率下降，不利于电动机正常运行，有可能使电动机烧毁，所以当频率f1＜f1N时，电压也要随之调低，以保证ΦM基本不变，电动机工作在恒力矩调速状态。这样作可实现Ea/ f1=常数，使电动机正常运行。

通过以上分析可知，异步电动机变频调速时必须按照一定规律使变频和调压合理配合，变频器的整流虑波电路和逆变电路就是要完成此项任务。下面首先介绍变频器的组成主要环节，然后具体介绍整流虑波电路和逆变电路的工作原理。

2.2.1变频器的整流虑波电路和逆变电路分类

变频器的整流虑波电路和逆变电路依据电路中所用的半导器件分类，可分为二极管单相桥式整流和三相逆变电路、二极管三相桥式整流和三相逆变电路、晶闸管三相桥半控式整流和三相逆变电路、晶闸管三相桥全控式整流和三相逆变电路等4类。

变频器的整流虑波电路和逆变电路依据逆变电路中所用的半导体器件分类，可分为用晶体三极管组成

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的三相桥式逆变电路、用绝缘栅双极型晶体三极管组成的三相桥式逆变电路、用门极晶闸管组成的三相桥式逆变电路、用MOS场效应管组成的三相桥式逆变电路 等4种类型。

2.2.2变频器的整流滤波电路和逆变电路常用的元器件

在整流中最常用的元器件有电力二极管和大功率可控硅管（又称为晶闸管）。在滤波电路中常用的元器件有电感器和电解电容器。在逆变电路中常用的半导体器件有电力晶体三极管（简称为晶体管）、门极晶闸管、MOS场效应管。为了很好地理解整流滤波电路和逆变电路工作原理，在此对整流二极管、可控硅管（又称为晶闸管）、电力晶体三极管（简称为晶体管）、门极可关断晶闸管、MOS场效应管等5种半导体器件的电气符号及导电传输特性作介绍。

1．变频器整流电路所用电力二极管和晶闸管

变频器整流电路所用二极管和晶闸管通过的电流大、冲激电流大、承受的反向电压高，这就需要特殊的二极管和晶闸管，即电力二极管和大功率晶闸管。 （1)电力二极管

电力二极管是指能承受反向高电压和正向大电流的整流二极管。电力二极管应依据整流值配有相应的散热片。电力二极管为面接触二极管，只有一个PN结，加正向电压导通，加反向电压截止，具有单向导电特性。电力二极管的外形图和电气符号及伏安特性曲线如图2-3所示。

由图2-3可见，电力二极管和普通二极管主电气符号和伏安特性曲线相同，uAK是二极管正向电压值，uST是二极管正向导通转折电压，uRO是二极管反向击穿电压，uRSM是二极管反向不重复峰值电压，uRRM是二极管反向阻断重复峰值电压。 (2）晶闸管（可控硅）

整流电路所用晶闸管（可控硅）有普通整流电路用晶闸管和门极可关断晶闸管两种类型；下面先介绍普通整流电路用晶闸管的相关知识，然后介绍门极可关断晶闸管的相关知识。

普通整流电路用晶闸管外形图和电气符号如图2-4所示，其伏安特性曲线如图2-5所示。

由图2-4可见晶闸管有3个电极，即阳极A、阴极K和控制极G；当阳极A和阴极K之间加正向电压时(uAK电压小于自然开启电压uDSM) I控制极G有触发信号，晶闸管可以导通；晶闸管导通后控制极G触发信号失去作用，只有在阳极A和阴极K之间加反向电压时，晶闸管才关断，故而称普通整流电路用晶闸管为半控元件。

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在图2-5中的uAK是晶闸管正向电压值，uDSM是晶闸管在IG=0时正向导通转折电压，uDSM是晶闸管在IG=0时正向不重复峰值电压，uDRM是晶闸管在IG=O时正向重复峰值电压，uR0是晶闸管反向击穿电压，uRSM是反向不重复峰值电压，uRRM是反向阻断重复峰值电压，IH是晶闸管正向导通维持电流（晶闸管正向导通电流IA小于维持电流IH,会使晶闸管关断）。

2.变频器逆变电路所用电力晶体管和门极可关断晶闸管 （1)电力晶体管

电力晶体管和普通晶体管电气符号相同，只是通过的电流大、冲激电流大、反向耐压大。电力晶体管的集电极电流ic受基极电流ib控制，所以说电力晶体管是电流控制的全控元件，图2-6所示给出了电力晶体管电气符号和输入输出特性曲线。

在图2-6 (b)中电力晶体管输入特性曲线有开起电压ube (ST) >即ube>ube (ST)时Ib突然增大。电力晶体管输入特性曲线正向分为三个区，即正向截止区、饱和区、放大区；反向分为反向漏电区和反向击穿区。电力晶体管工作在正向饱和和截止区，称为工作在开关状态。 （2)绝缘栅双极型晶体管

绝缘栅双极型晶体管是全控器件，相当于压控电流源，也就是集电极电流iC与栅极和发射极之间所加电压UGS成比例关系。绝缘栅双极型晶体管具有输入阻抗高、工作速度快、导通时压降小、阻断电压高、承受电流大等优点，而且容易控制，所以常用于开关电源和逆变电源。图2-7所示给出了绝缘栅双极型晶体管电气符号和特性曲线。

在图2-7 (b)中绝缘栅双极型晶体管传输特性曲线有开起电压uGE (ST) >即uGE>uGE (ST)时Ic突然增大。绝缘栅双极型晶体管输出特性曲线正向分为3个区，即正向阻断区、饱和区、放大区；反向分为反向阻断区

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和反向击穿区。绝缘栅双极型晶体管工作在正向饱和和正向阻断区，称为工作在开关状态。 (3）门极可关断晶闸管(GTO)

门极可关断晶闸管有3个电极，即阳极A,阴极K和控制极G；当在阳极A和阴极K之间加正向电压时(uAK电压小于自然开启电压uDSM) P控制极G有正触发信号，晶闸管可以导通；晶闸管导通后，控制极G正触发信号失去作用。门极可关断晶闸管由导通转为关断有两种方式，其一是阳极A和阴极K之间加反向电压，可使门极可关断晶闸管关断；其二是控制极G加反向关断触发信号，使门极可关断晶闸管关断；这是门极可关断晶闸管与普通晶闸管不同之处。因为门极可关断晶闸管可以通过控制极G加反向关断触发信号使其强制关断，故而称门极可关断晶闸管为全控元件。

门极可关断晶闸管的电气符号和伏安特性曲线如图2-8所示。

在图2-8 (b)中td为延时开启时间，tr为上升时间，is为延时下降时间，tf为下降时间，tt为延时关断时间。

2.场效应管

场效应管有两大类，一类是结理型场效应管，用MET表示，是英文名称Junction Field Effct Transistor的缩写。第二类是绝缘栅型场效应管，用IGJFET表示，是英文名称Iunction Gate Field Effct Transistor的缩写。绝缘栅型场效应管又分为增强型P沟道和N沟道场效应管及耗尽型P沟道和N沟道场效应管等4种。

场效应管是电压控制的半导体放大器件，它的功耗小、压降小；它是利用多数载流子导电，所以受外界条件影响小；它的噪音系数小，受温度变化影响非常小。因为场效应管具有很多优点，所以在变频器逆变电路中常用绝缘栅型场效应管。在此给出绝缘栅增强型和耗尽型P沟道和N沟道4种场效应管电气符号和特性曲线。

由图2-9可知，绝缘栅增强型和耗尽型P沟道和N沟道4种场效应管输出特性曲线图分为4个区，即正向阻断区、放大区、饱和区和雪崩区。正向阻断区是栅极和源极间电压UGS小于开启电压状态下iD电流几乎为零安培，相当于很大很大的电阻状态；放大区是栅极和源极间电压UGS为大于开启电压的某值状态下，漏极电流iD几乎不受漏极和源极之间电压UDS影响，即漏极电流iD乎为恒值；饱和区是指漏极和源极之间电压UDS很小，而漏极电流很大；雪崩区是漏极和源极之间电压UDS大到某值后，漏极电流iD 然增大，一旦发生雪崩，场效应管就会烧毁，所以不允许工作在雪崩区。

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2.2.3变频器的整流和滤波电路

变频器的整流滤波环节包括整流电路和滤波电路两部分，整流电路是将变频器的输入的交流电变为直流电，滤波电路是将整流后的电压尽量变的平滑。

1．整流电路

整流电路根据变频器的输入的交流电压情况，分为单相桥式整流和三相桥式整流两种类型。常用的单相桥式整流电路和三相桥式整流电路如图2-10所示。

在图2-10中有单相二极管桥式整流滤波电路、三相二极管桥式整流滤波电路、三相半控桥式整流滤波电路以及三相全控桥式整流滤波电路。

（1)单相二极管桥式整流电路特点。单相二极管桥式整流电路输入是单相AC220 V电压，其整流后电压约为0.9×220V=198V 。在图2-10 (a)中当u1为正半波时，二极管VD1和VD4配合导通，当u1为负半波时，二极管VD3和VD2配合导通。

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(2)三相二极管桥式整流电路特点。三相二极管桥式整流电路输入是三相电压，其线电压为AC380 V,其整流后电压约为2.35 × 220 V=517 V 。在图2-10（b）中当ωt=30°时，二极管VD5和VD2及VD4配合导通，当ωt=150°时，二极管VD1和VD4及VD6配合导通，当ωt=270°时，二极管VD3和VD2及VD6配合导通。由分析可知三相二极管桥式整流电路在每个时刻都是三支二极管配合导通，所以整流后电压高（2.35 × 220 V）。

(3)三相半控桥式整流电路特点。整流电路由3支二极管(VD1、VD2、 VD3 )和三支晶闸管（VT1、VT2、 VT3）组成。3支晶闸管（VT1、VT2、 VT3）是否导通，由其触发脉冲决定。在图2-10 (c)中，3支晶闸管(VT1、VT2, VT3）用相同脉冲触发，当第一个脉冲作用时，晶闸管VT1和二极管VD2及VD3配合导通，当第二个脉冲作用时，晶闸管VT2和VDI及VD3配合导通；当第三个脉冲作用时，晶闸管VT3和二极管VD1 及VD2配合导通，通过分析可知，晶闸管(VT1、VT2、 VT3 )是和3支二极管（VD1、VD2、 VD3 )自动轮流配合导通；输出电压取决于晶闸管(VT1、 VT2、 VT3)触发角的大小。

(4）三相全控桥式整流电路特点。整流电路由6支晶闸管（VT1、 VT2、 VT3、 VT4、VT5、 VT6)组成；6支晶闸管(VT1、VT2、 VT3、 VT4、 VT5、 VT6)是否导通由其触发脉冲决定。由图2-10 (d)可见，当第一个脉冲作用时，晶闸管VT1和晶闸管VT4及VT6配合导通；当第二个脉冲作用时，晶闸管VT3和晶闸管VT2及VT6配合导通；当第三个脉冲作用时，晶闸管VT5和晶闸管VT2及VT4配合导通。通过分析可知，三相全控桥式整流电路6支晶闸管(VT1、VT2、 VT3、 VT4、 VT5、 VT6)配合导通有其独特方式，导 通角θ大小与触发角α有关系，导通角θ和触发角α之和为180°。

2.滤波电路

交流电压通过整流后，输出波动大的直流电压，通过滤波电路使电压尽量拉平滑，最后再由稳压电路使之变成为稳定的直流电压。

图2-11所示给出了常用的几种滤波电路。普通的整流滤波电路经常采用电容滤波；在变频器中最常采用的滤波方式为电感器和电容器组成的Γ型滤波。Γ型滤波最大优点是电感滤掉高次谐波，电容为低通滤波，从而使得滤波后的电压更平滑。对变频器而言整流滤波后的直流电压越平滑，经逆变电路作用后，越容易得到比较近似于正弦的交流电压，有利于交流异步电动机的运行。

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2.2.4用电力晶体管和绝缘栅双极型晶体管组成逆变器

逆变电路的作用是在控制电路的控制下将直流电转换为频率和电压都可以调整的交流电。根据变频器的服务对象不同，则变频器的逆变电路有两大类：一类是单相桥式逆变电路，而另一类是三相桥式逆变电路。

在此先介绍用电力晶体管和绝缘栅双极型晶体管组成的逆变器。电力晶体管和绝缘栅双极型晶体管有类同的导电原理：电力晶体管是基极电流控制的元件，绝缘栅双极型晶体管是栅极电压控制的元件。 图2-12所示给出了用电力晶体管组成的单相桥式逆变电路和三相桥式逆变电路原理图，图2-13所示给出了用绝缘栅双极型晶体管组成的单相桥式逆变电路和三相桥式逆变电路原理图。

1．分析电力晶体管组成的单相桥式逆变电路工作过程

在图2-12 (a)中由VT1、 VT4、 VT3、 VT2组成逆变桥路，由VD1、 VD4、VD3、VD2组成电能反馈桥路。

VT1、VT4、 VT3、VT2组成的单相桥式逆变桥路工作过程如下。

单相逆变桥路中的VT1、VT4、VT3、VT2四支晶体管需要两支两支相配合通断才能使单相异步电动机

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得到单相交变电流，进而旋转。VT1、VT4、VT3、VT2四支晶体管需要VT1和VT2相配合通、断，VT3和VT4相配合通、断。下面给出VT1和VT2, VT3和VT4相配合通、断与控制信号之间的关系图。

由图2-14可知，晶体管VT1和VT2配合导通与关断，即VT1和VT2的基极控制信Ub1和Ub2应为同时产生和消失，同理晶体管VT3和VT4配合导通与关断，即VT3和VT4的基极控制信Ub3和Ub4应为同时产生和消失。

VD1、VD2、VD3、VD4组成的单相桥路在反馈电路工作过程如下。

在电动机由通电运行转为断电停止转动的过程中，刚开始断电瞬间，晶体管VT1、 VT2、VT3、 VT4由导通转换为截止，但电动机处于发电制动状态，若电动机定子绕组反电势高于逆变电源电压Uz则会通过二极管将电能反馈到直流电源。二极管VD1、VD2、 VD3、VD4配合导通将电能反馈到直流电源过程如图2-15所示。

2.分析电力晶体管组成的三相桥式逆变电路工作过程

由图2-12（b）可知，三相桥式逆变电路中有6支晶体三极管和6支二极管。6支晶体三极管应合理配合导通才能使三相异步电动机正常运行，6支二极管起能量反馈作用。为了说明三相桥式逆变电路应满足三相异步电动机运行要求，现将三相异步电动机接三相正弦交流电运行时，各绕组通电状态和接三相桥式逆变电路各绕组通电状态进行比对说明，如图2-16所示。

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VT1、VT2、 VT3、 VT4 、VT5、 VT6组成的三相桥式逆变电路工作过程如下。

由图2-16可知，若要使三相异步电动机接三相桥式逆变桥路工作状态与其接三相正弦交流电压工作状态相类同，就需要VT1、VT3、VT5、VT2、VT4、VT6六支晶体三极管有 规律的导通与关断，具体导通与关断顺序如下（一个周期）。

第一个T/6（0°～60°）VT1、VT4, VT5导通，VT2, VT3、VT6截止。 第二个T/6（60°～120°）VT1、VT4, VT6导通，VT2、VT3、VT5截止。 第三个T/6（120°～180°）VT1、VT3、VT6导通，VT2、VT4、VT5截止。 第四个T/6（180°～240°) VT2, VT3, VT6导通，VT1、VT4, VT5截止。 第五个T/6（240°～300°）VT2、VT3、VT5导通，VT1、VT4、VT6截止。

第六个T/6（300°～360°）VT2、VT4、VT5导通，VT1、VT3、VT6截止。

通过分析可知，在每个周期内每支晶体三极管导通180°，关断180°；在逆变电路中需要VT1、VT2、

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VT3、VT4、VT5、VT6配合导通与截止。

VDI、VD2, VD3, VD4, VD5, VD6组成的三相桥式反馈电路工作过程如下。

由图2-17可知，当三相桥式逆变桥路由工作状态转为停止工作，则三相异步电动机处于发电制动状态，各相绕组会产生反电势，此时可由VD1、VD2, VD3, VD4, VD5, VDT6六支二极管有规律的导通与关断；具体二极管导通与关断顺序如下（一个周期）。

第一个T/6（0°～60°) VD I、VD4, VD5导通，VD2, VD3、VD6截止。 第二个T/6（60°～120°）VD1、VD4, VD6导通，VD2, VD3、VD5截止。 第三个T/6（120°～180°）VD I、VD3、VD6导通，VD2、VD4、VD5截止。 第四个T/6（180°～240°) VD2, VD3, VD6导通，VD1、VD4, VD5截止。 第五个T/6（240°～300°）VD2、VD3、VD5导通，VD1、VD4、VD6截止。

第六个T/6（300°～360°）VD2、VD4、VD5导通，VDI、VD3、VD6截止。

通过分析可知在每个周期内每支二极管导通180°，关断180°，需要VDI、VD2, VD3,

VD4、VD5、VD6配合导通与截止。 2.2.5门极可关断晶闸管组成逆变器

用门极可关断晶闸管组成的桥式逆变电路与用晶体管组成的桥式逆变电路区别是逆变电路所用的半导体元件不同，但其逆变原理相类同。要注意晶体管组成的桥式逆变电路中各晶体管控制信号为长信号（控制信号与晶体管导通时间相一致），而用门极可关断晶闸管组成的桥式逆变电路控制信号为短信号，门极可关断晶闸管导通和关断都需要控制信号。下面分别介绍常用的桥式整流滤波电路和桥式逆变电路，第一种是用二极管组成的桥式整流滤波电路和用门极可关断晶闸管组成的桥式逆变电路；第二种是用晶闸管组成的半控桥式整流滤波电路和门极可关断晶闸管组成的桥式逆变电路；第三种是用晶闸管组成的全控桥式整流滤波电路和用门极可关断晶闸管组成的桥式逆变电路；第四种是用二极管组成的桥式整流滤波电路和用普通晶闸管组成的桥式逆变电路。这4种电路中的逆变电路相类同，所不同的是桥式整流电路。用晶闸管组成的半控桥式和全控桥式整流滤波电路的输出电压调整范围大。

1．用二极管组成的桥式整流电路和滤波电路及用门极可关断晶闸管组成的桥式逆变电路 (1)用二极管组成的三相桥式整流电路的输出电压

图2-18为用二极管组成的三相桥式整流电路及用晶闸管组成的桥式逆变电路原理图，其整流滤波电路的输出波形如图2-19所示，输出电压值为2.34U2（U2为三相整流电压的相电压）。从图2-18和图2-19可以看出，每支整流二极管在每个周期内导通120°和关断240°,整流二极管VD11、VD12, VD13, VD14, VD15, VD16配合导通与截止，在同一时刻有两支整流二极管导通，而另外4支整流二极管截止。例如，在

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0°～30°有VD14, VD15导通，而VD11、VD12、VD13、VD16截止，在30°～90°有VD11、VD14导通，而VD12、VD13、VD15、VD16截止。

通过图2-18分析可知，用二极管组成的三相桥式整流滤波电路，其输出电压基本是比较稳定的直流电压，且电压是不可调的，平均值为恒值。通过门极晶闸管（GTO）组成的桥式逆变电路才能做到调频率和调电压。

(2)用门极可关断晶闸管(GTO)组成的桥式逆变电路的输出电压

用门极晶闸管组成的桥式逆变电路的输出电压值和频率都与门极晶闸管导通角θ有关，而导通角θ与门极晶体闸管导通触发角α和关断角β有关。图2-20所示给出导通角θ=120°的波形图。

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由图2-20可见，在门极晶闸管组成的桥式逆变电路中的6支门极晶闸管，其导通触发角和关断角如表2-1所示。

由表可知，逆变桥路中每个桥臂的两支门极晶闸管导通触触发角之间相差180°电角度，两支门极晶闸管关断角之间也相差180°电角度。VT1和VT2组成的桥臂与VT3和VT4组成的桥臂与VT5和VT6组成的桥臂，三支桥臂中的VT1, VT3, VT5之间的导通触发角相位差120°电角度，关断角之间也相差120°电角度；VT2, VT4, VT6之间的导通触发角相位差120°电角度，关断角之间也相差120°电角度。

通过分析得知，门极晶闸管组成的桥式逆变电路输出给三相异步机的电压有其自身规律，即输出三相电压大小相同、相位相差120°角；这就要求逆变桥路中每个桥臂的两支门极晶闸管导通触发角之间相差180°电角度，管关断角之间也相差180°电角度；桥臂与桥臂之间对应的门极晶闸管之间的导通触发角相互之间相差120°电角度，关断角相互之间也相差120°电角度。

2.用晶闸体管组成半控桥式整流滤波电路和用门极可关断晶闸管组成的桥式逆变电路

图2-21为用晶闸管组成的三相半控桥式整流电路及用晶闸管组成的桥式逆变电路原理图，其整流滤波电路的输出滤波电压如图2-22所示，输出电压值为Uz=1.17（l+conα) U2(U2三相的相电压，α触发角从0°-180°变化）。当触发角α=0°时，Uzo=2.34 U2,当触发角α=180°时，Uzo=0 V ;由此可知用晶闸管组成的桥式整流电路输出电压Uzo的调整范围从0 V-2.34 U2（Uzo整流电路输出空载时电压）。

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晶闸管组成半控桥式整流电路和滤波电路及用门极晶闸管组成的桥式逆变电路如图2-23所示，其桥式逆变电路输出电压同前所述。

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3.用晶闸管组成的全控桥整流滤波电路和用门极晶闸管组成的桥式逆变电路分析

在用晶闸管组成的全控桥式整流滤波电路及用门极晶闸管组成的桥式逆变电路（如图2-24所示）中，整流桥中的晶闸管VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VCT6导通和关断需要配合，每支管子导通角只能在0°-120°之间。门极晶闸管组成的桥式逆变电路的逆变过程同前所述。

用普通晶闸管组成的全控桥整流电路和桥式逆变电路中的晶闸管桥臂需反向并联连接。图2-25（a）中的12支晶闸管需要每组有6支管配合导通，另外6支管截止，只有用这种通断控制方式才能使三相异步电动机实现变频调速。

在图2-25 (b）所示波形中，12支晶闸管同时接收触发脉冲，触发角a=30°。当第一个触发脉冲到来时，有VTI、VT4, VT6, VT7, VT10, VT12配合导通，VT3、VT5、VT2,VT9、VT11、VT8截止。当第二个触发脉冲到来时，有VT3、VT2、VT6, VT9、VT8,VT12配合导通，VT1、VT5、VT4、VT7, VT10, VT11截止。当第三个触发脉冲到来时，有VT5、VT2、VT4、VT11、VT8, VT10配合导通，VT1、VT3、VT6、VT7、VT9、

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VT12截止。

通过图2-25 (b)所示波形可见，三相电动机每相绕组电压波形不对称，而且频率低于输入电源频率fl。通过分解可得到对称正弦波和高次谐波，这就是变流电压→逆变为交流电压变频器的缺点。在选择变频器时应特别注意相关技术资料和有关参数。

2.2.6用电力MOS场效应管组成的桥式逆变电路

为电力MOS场效应管组成的桥式逆变电路提供直流电压的电路有单相桥式整流电路，或者三相桥式整流电路。图2=26所示为用电力二极管组成的三相整流滤波电路和用电力MOS场效应管组成的桥式逆变电路。在电力MOS场效应管组成的桥式逆变电路中场效应管和反馈二极管并联，这样做的目的是为了在场效应管关断时，使电动机绕组产生的反电势能量通过反馈二极管反送给直流电源。要特别注意电力MOS场效应管导通条件是源极和漏极正向偏置，而栅极加正电压，即场效应管导通直接受栅极电压控制。 图2-27所示为用电力MOS场效应管组成的桥式逆变电路各支场效应管均导通180°电角度状态下电动机三相绕组通电波形图。由图可见，当输入三相交流电压为50 Hz时，整流后的直流电压经由场效应管逆变电路作用，得到了100 Hz的交流电压；通过改变各个场效应管栅极加电压时间的长短，得到不同频率的逆变电压。三相异步电动机在不同频率电压的作用下，转速也就不同。

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用电力MOS场效应管组成的桥式逆变电路和用电力晶体管及门控晶闸管组成的桥式逆变电路的工作原理相类同，区别仅是控制信号长短有区别，另一个区别是晶体管是电流控制的元件，而门控晶闸管和场效应管是电压控制的元件。

需特别说明的是，除上介绍的用电力MOS场效应管、电力晶体管、门控晶闸管元件组成的桥式逆变电路外，还有用绝缘栅双极型晶体三极管组成的桥式逆变电路。绝缘栅双极型晶体三极管也是电压控制的元件，所以用绝缘栅双极型晶体三极管组成的桥式逆变电路和用电力MOS场效应管组成的桥式逆变电路工作原理完全相同。

2.3变频器的逆变电路输出电压调制方法

变频器的逆变电路依据逆变电路输出电压调制方法有脉幅调制PAM (Pulse AmplitudeModulation)、脉宽调制PWM (Pulse Width Modulation）、正弦脉宽调制SPWM等3种类型。由于逆变电路输出电压调制方法不同，要求逆变电路中各半导体器件控制信号也不同。 2.3.脉幅调制PAM

脉幅调制PAM就是要求逆变电路输入直流电压的有效值是可控制的，也就是整流电路应为半控桥或者全控桥路，逆变电路通过控制全控元件的开关频率，达到其输出电压变频目的。脉幅调制PAM就是在频率

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下降的同时，使直流电压也跟随下降的调制方法，如图2-28所示。

脉幅调制PAM方法要求变频器中整流电路的可控制元件和逆变电路的控制元件的控制信号配合，也就是变频器中整流电路和逆变电路中半导体器件为全控元件。目前最常采用的整流电路为晶闸管三相桥式整流电路，逆变电路为用门极可关断晶闸管、绝缘栅双极型晶体管、MOS场效管组成的三相桥式逆变电路。 2.3.2脉宽调制PWM

脉宽调制PWM（Pulse Width Modulation)就是要求逆变电路输入直流电压的有效值是不可控制的，也就是整流电路应为二极管控桥路，而逆变电路通过控制全控元件的开关频率和开关时间的长短，达到其输出电压变频改变和输出脉冲占空比变化，从而实现频率和电压值配合改变目的，如图2-29所示。

2.3.3正弦脉宽调制SPWM

正弦脉宽调制SPWM就是要求逆变电路通过控制全控元件的开关频率和开关时间的长短，达到其输出电压变频改变和输出脉冲占空比变化，如果输出脉冲占空比按正弦规律变化，就称为正弦脉宽调制SPWM,如图2-30所示。

正弦脉宽调制SPWM关键环节是如何得到全控元件的控制信号。目前应用最多的是双极性调制取得控制信号。双极性调制就是被调制的三相正弦交流电压的正弦波与固定频率和固定幅值三角波的交点，随着电压高低变化而移动，从而每相电压得到占空比不同的双极性脉冲系列信号；线电压得到的脉冲系列信号是单极性的，如图2-31所示。

为了完成正弦波脉宽调制，需要三相逆变桥路中每支桥臂的两支全控元件的控制脉冲信号反相，如图2-32所示。

由图2-32可知，两支绝缘栅双极型晶体管栅极控制脉冲相位相反，这表明VT1和VT2是轮换导通，使得输出电压是接近正弦规律分布的矩形脉冲·这种接近正弦规律分布的矩形脉冲电压输入给三相异步电动机时，流过定子绕组的电流更接近正弦波，对电动机运行有利。

实施正弦脉宽调制SPWM的关键问题，就是需要根据逆变电路输出频率要求和电压值要求，实时计算出各相电压正弦波与三角波的交点，使逆变管按交点所规定的时刻有序通断。由于微机技术的飞速发展，使得实施正弦脉宽调制SPWM变得很容易，从而使变频器得到更广泛应用。

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