产品描述

　　传动时的框图如图1所示，整流器将交流电变为直流电，平波回路将直流电平衡，逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电。为了电动机的调速传动所给出的操作量有电压、电流、频率。

　　表1将实用化的变频器按主电路方式、控制方式等分类。各种方式的组合是为了充分的发挥其控制特性、适用电动机、容量范围、经济性等特点而设计制造的。

　　作为变频器，一般会用三相逆变器。但这里为了简化电路，采用单相逆变器来说明电压型、电流型、电压控制、电流控制等逆变器的基本工作原理。{{分页}}

　　作为主电路方式有电压型变频器和电流型变频器。电压型是将电压源的直流电变换成交流电的变频器，电流型是指将电流源的直流电变换为交流电的方式。

　　下面用机械开关来说明其基本动作。负载是异步电动机，采用图2(b)的等效电路（忽略IM、r1、r2），并为滞后功率因数负载。

　　电压型逆变器的原理图及其动作如图3所示。其中图a为单相桥式电压型逆变器，如果使开关S1~S4像图d那样导通、关断，那么负载电压u就成为矩形波交流电压，其大小等于直流电压源电压Ed，如图b中实线所示。这里假定负载电流i由于负载电感的平滑作用为正弦波交流电流，如图b中虚线 电压型逆变器的原理

　　a)电路构成 b)电压/电流波形 c)直流电流波形（瞬时功率） d)开关动作状态

　　d沿图a中①路线供给负载电流i。在时刻t1使这两个开关关断，同时使开关S3、S4导通，于是负载的无功功率就沿②路线反馈给直流电压源Ed。考虑负载电流i和开关的动作状态，直流电流Id的波形如图c所示。另外，负载电压u与负载电流i的积为瞬时功率P，它与直流电流Id

　　电源电流Id，如图b中实线所示。负载电压u由负载的感应电动势e决定，为正弦波形，如图b中虚线 电流型逆变器原理图a)电路构成 b)输出电压电流波形 c)直流电压波形（瞬时功率）d)S1

　　现在，使开关S1，S2导通，负载电流i从电流源经图示的路线关断这两个开关时，因为是电流源，负载电流必须急速地反向，但是电感负载的电流不可能瞬时反向，在负载两端需要有吸收电感储存能量的电路。在吸收此能量期间，负载两端将产生di/dt的尖峰电压。由于能量吸收回路的作用，负载电流反向后，功率从负载向电源

　　考虑负载电压u和开关的动作状态，直流电压波形Ed为图c的波形。另外瞬时功率P与直流电压波形相同。此瞬时功率P的平均值为有功功率Pa，如图c中虚线所示。异步电动机的滞后功率因数角与瞬时功率P和有功功率P

　　的关系，同图4中的电压型逆变器波形一样。采用半导体开关时，对于电流型逆变器一般会用晶闸管，它虽然需要换相电路，但可以兼用作能量吸收回路。电流型逆变器的主电路构成见表1中的项4及5所列，变流器部分采用晶闸管，同时采用变流器与平波电抗器使它具有电流源作用。

　　2.电流控制 对于要求类似直流电动机快速响应性的应用场合，为了快速控制异步电动机的转矩，适用电流控制。表1中项5的电流型晶闸管变频器，在逆变器侧控制频率，在整流器侧控制电流。该表中项3，用晶体管和GTO晶闸管构成的电压型变频器则适用这样的电流控制方式，利用逆变器侧的导通率将输出电流控制成为正弦波。{{分页}}

　　PAM是一种改变电压源的电压Ed（见图3）或电流源的电流Id（见图5）的幅值，进行输出控制的方式。因此，在逆变器只控制频率，在整流器侧控制输出的电压或电流。采用PAM调节电压时，高电压及低电压时的输出电压波形如图6所示。

　　a)高电压时 b)低电压时表1中项2、4、5的晶闸管逆变器，其换相时间需要100～数百s，所以，难以做到用晶闸管来开关实现PWM控制，要采用在逆变器只控制频率的PAM方式。(二)PWM(Pulse Width Modulation)

　　在异步电动机恒转矩的变频调速系统中，随着变频器输出频率的变化，必须相应地调节其输出电压。另外，在变频器输出频率不变的情况下，为了补偿电网电压和负载变化所引起的输出电压波动，也应适当地调节其输出电压。具体实现调压和调频的方法有很多种，但总的来说，从变频器的输出电压和频率的操控方法来看，基本上按前所述分为PAM和PWM（PAM前已介绍，此处讨论PWM）。

　　PWM型变频器靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变调制周期来控制其输出频率，所以脉冲调制方法对PWM型变频器的性能具有根本性的影响。脉宽调制的方法很多，从调制脉冲的极性上看，可大致分为单极性和双极性调制两种；从载频信号和参考信号（基准信号）频率之间的关系来看，又可大致分为同步式和非同步式两种。

　　r波形相交处发出调制信号，部分脉冲调制波形如图8所示。图中画出的是经过三相对称倒相后的a、b点电位、U’oo和相电压Uao的脉冲列波形。在一个周期内有12个三角形，即载频三角波的频率fΔ为输出频率fo的12倍（fΔ可以是fo的任意6的整数倍）。输出波形正负半周对称，主电路中的6个开关器件以1—2—3—4—5—6—1顺序轮流工作，每个开关器件都是半周工作，通、断6次输出6个等幅、等宽、等距脉冲列，另半周总处于阻断状态。图7 电压型三相桥式变频器原理电路图8 单极性直流参考信号的部分调制脉冲波形

　　和一系列谐波电压，基波电压就是要求输出的交流电压，而谐波电压分量愈小愈好。

　　的大小时，输出脉冲的宽度即将随即改变，从而改变输出基波电压的大小；改变载频三角波的频率并保持每周的输出脉冲数不变，就能轻松实现输出电压频率的调节。显然，同时改变三角波的频率和参考直流信号电压U

　　SPWM调制的基本特点是在半个周期内，中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲之间等距而脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比，脉宽基本上成正弦分布。经倒相后正半周输出正脉冲列，负半周输出负脉冲列。由波形可见，SPWM比PWM的调制波形更接近于正弦波，谐波分量大为减小。

　　图9只画出单相脉宽调制波形。对于三相变频器，必须产生相位差为120的三相调制波。载频三角波三相可以共用，但必须有一个可变频变幅的三相正弦波发生器，产生可变频变幅的三相正弦参考信号，然后分别比较产生三相输出脉冲调制波。若三角波和正弦波的频率成比例地改变，不论输出频率高低，每半周的输出脉波数不变，即为同步调制式。{{分页}}若三角波频率一定，只改变正弦参考信号的频率，正、负半周的脉波数和相位在不同输出频率下就不是完全对称的了，这样的形式叫非同步脉宽调制方式。非同步虽然正、负半周输出波形不能完全对称，会出现偶次谐波，但是每周的输出的调制脉波数将随输出频率的降低而增多，有利于改善低频输出特性。2.双极性调制 上述单极性脉宽调制，脉冲的极性不改变，要正、负半周输出不同极性的脉冲，必须另加倒相电路。与此相对应，若在调制过程中，载频信号和参考信号的极替地不断改变则称为双极性调制。其调制波形如图10所示，图中画出三相调制波形。与上述单极性SPWM的情况相同，输出电压的大小和频率也是由改变正弦参考信号Ur的幅值大小和频率调制的。参考信号也能够使用阶梯式准正弦波。

　　这种正弦波脉宽调制方式，当然也能够使用同步式和非同步式的调制方式。但SPWM型变频器带异步电动机负载时，在脉宽调制过程中，要根据异步电动机变频调速控制特性的要求，在调节正弦参考信号频率的同时，要相应地适当调节其幅值，使输出基波电压的大小与频率之比为恒值，即保持U

　　3.“Δ”调制（DM）方式 “Δ”脉宽调制方式（Delta Modulation Technique）的调制电路及波形如图11所示。只要输入可变频恒幅正弦波参考电压U

　　1迅速升到正饱和值Us，+Us电压经运算放大器A2作反向积分，其输出电压UF负向线性增长，UF和+U1经R2、R3综合加到运算放大器A3的反相输入端，R3R2，A3输出正向上升电压UK，UK与Ur在运算放大器A1中相比较，当UK SPANr时，A1输出保持+Us，一旦UK上升到UKUr时，A1迅速翻转输出负饱和电压-Us。-Us电压再经运算放大器A2反向积分，使其输出UF负值线的输出电压UK也随之减小，当UK SPANr时，U1又转换为+Us，UF负值又增大，UK再次上升，如此循环不已，便得到图11所示的“Δ”脉宽调制波形。图

　　Δ”脉宽调制电路及波形“Δ”脉宽调制电路具有一个可贵的特性，就是当输入正弦波参考电压Ur的幅值一定时，其输出调制脉冲列U1的基波电压大小与其频率之比随时保持恒值，这个U1/fo为恒值的特性正符合异步电动机变频调速对PWM逆变器输出的要求。

　　图12为多重化变频器的原理。将单相变频器的电压波形（或电流波形）按傅立叶级数展开，则含有不少高次谐波。并在图中给出了3次谐波。

　　如果将相位差为60的两台单相变频器的输出U1、U2图12a与图b合成，则合成输出的导通宽度为120。U1、U2所含的3次谐波相位相差180，在输出中被互相抵消。这就叫作多重化。这种多台变频器的多重化可以抵消谐波，改善波形；输出为两台变频器之和，容易实现大容量化。

　　电压型、电流型两种变频器的多重化构成原理图，如图13所示。变频器的输出采用输出变压器来实现多重化，变压器的二次绕组对于电压型变频器为串联连接，对于电流型为并联连接。

　　此时，为了使转动能量反馈到变频器侧（再生），一定要有吸收与此转动能量相对应的电功率的能力。1.采用电压型逆变器时 当变频器的频率低于电动机的转速时，续流二极管是作为以电动机为电源的整流器而工作，由电动机产生的再生功率流入直流电源回路的平波电容中。在这种情况下，对于通用小容量变频器要装设电阻（见表1），再生时用此电阻将再生功率消耗掉。对于大容量变频器，则采用可逆整流器将再生功率反馈给电源。

　　2.采用电流型变频器时 对于电流型变频器，再生时直流电流方向不变，而直流电压的方向反向，所以整流器部分不需要可逆方式，用不可逆整流器即可。图14示出电流型变频器的直流电流与直流电压的关系。