1.2 变频器的电路结构

1.2.1 通用变频器的基本构造

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。

通用变频器一般都是由交直交的方式组成，主回路如图1-12所示。在图1-12中，VT₁～VT₆是主开关器件，VD₁～VD₆是全桥整流电路中的二极管；VD₇～VD₁₂这6个二极管为续流二极管，作用是消除晶体管开关过程中出现的尖峰电压，并将能量反馈给电源；L为平波电抗器，作用是抑制整流桥输出侧输出的直流电流的脉动使之平滑。晶体管VT₁～VT₆的开关状态由基极注入的电流控制信号来确定。

1.2.2 变频器主回路

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。

图1-12 通用变频器的基本构造

（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，如图1-13所示。IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管，RN为晶体管基区内的调制电阻。IG-BT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。

图1-13 IGBT原理

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。

1.2.3 控制电路

控制电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电路（见图1-14），它包括以下几个部分。

图1-14 通用变频器控制回路图

（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电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）

常见的DSP为TI公司的产品，比如TMS320F240，它主要完成电流、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4～20mA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

DSP芯片支持标准的异步串口通信，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。