3.2 变频器主电路中的逆变电路

3.2.1 变频器电压型逆变器电压控制方式与特点

1.变频器中的电压型逆变器的控制方式

变频器中的电压型逆变器有电压与电流两大类控制方式，这两种控制方式的主要特点有一定的差别。

2.变频器中的电压型逆变器的电压控制方式的特点

（1）IPM模块等组成的主电路结构

变频器中电压型逆变器，采用电压控制方式时，逆变器部分采用IPM模块、电力晶体管、GTO晶闸管（可控晶闸管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）时，其主电路的典型构成方式简图如图3-2（a）所示，当需要再生时的电路如图3-2（b）所示。这类控制方式的逆变器，其通用性好（不选择负载），经济性好，功率因数高。

（2）晶闸管组成的主电路结构

变频器中电压型逆变器，采用电压控制方式时，逆变器部分采用晶闸管时，其主电路的典型构成方式简图如图3-3（a）所示，当需要再生时的电路如图3-3（b）所示。这类控制方式的逆变器，其通用性好。

3.2.2 变频器电压型逆变器电流控制方式及其特点

变频器中电压型逆变器，采用电流控制方式时，逆变器部分采用IPM模块、电力晶体管GTR、GTO晶闸管（可控晶闸管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）时，其主电路的典型构成方式简图与图3-2（a）基本相同，当需要再生时的电路如图3-3（b）所示。这类控制方式的逆变器，其相应快，功率因数高。

3.2.3 变频器电流型逆变器电压控制方式及其特点

变频器中的电流型逆变器有电压与电流两大类控制方式，这两种控制方式的主要特点简述如下。

变频器中电流型逆变器，采用电压控制方式时，逆变器部分采用IPM模块、电力晶体管、GTO晶闸管（可控晶闸管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）时，其主电路的典型构成方式简图如图3-4所示。这类控制方式的逆变器，有利于频繁加、减速。

3.2.4 变频器电流型逆变器电流控制方式及其特点

变频器中电流型逆变器，采用电流控制方式时，逆变器部分采用电力晶体管、GTO晶闸管（可控晶闸管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）时，其主电路的典型构成方式简图与图3-4基本相同。这类控制方式的逆变器，其相应速度快。

3.2.5 晶闸管构成的变频器逆变电路组成

1.典型逆变电路

图3-5是由晶闸管构成的变频器的典型逆变电路。在该图中，UD为直流回路的工作电压，假设该电压的平均值UD=513V。

2.电路元件作用

在图3-5电路中，各个电容器是用于使各自的晶闸管相互关断的；二极管VD1～VD6则用来隔开逆变桥的上下两个桥臂的。

3.2.6 晶闸管构成的变频器逆变电路的工作原理

1.工作特点

在直流电路中，晶闸管导通以后是无法自行关断的，要使导通的晶闸管进入关断状态，必须在晶闸管两端加上反向电压。变频器中晶闸管逆变电路就是依据这一特点来进行工作的。

2.工作原理

由晶闸管构成的变频器的逆变电路如图3-5所示，其基本工作原理简述如下。

（1）VS1已经处于导通状态

假设晶闸管VS1已经处于导通状态，此时①点的电位与直流电压正极端（P端）相同，如果VS3与VS5均处于截止状态，则②点与③点均为0电位。

（2）需要关断VS1晶闸管

假如需要关断VS1晶闸管，必须要使VS3或VS5导通，以VS3晶闸管导通为例。在VS3晶闸管导通的瞬间，②点的电位突然上升为513V，由于电容器C1两端的电压不会突变，故①点的电位也同时上升为513V，使VS1的阴极电位高于阳极电位，进而就会使VS1晶闸管截止。

3.2.7 场效应管逆变驱动电路的变频器逆变电路的特点

1.优点

采用功率场效应晶体管作为变频器的逆变器件时，由于载波频率较高，故电动机的电流波形较好，不再有电磁噪声，是一种比较理想的功率器件。

2.不足

由于功率场效应晶体管的额定电压与额定电流均不够大。因此，采用功率场效应晶体管作为变频器的逆变器件时，只能作为电压较低（例如220V）、容量较小的变频器件。

3.2.8 绝缘栅双极型晶体管驱动电路的变频器逆变电路的工作原理

1.典型连接电路

绝缘栅双极型晶体管构成的驱动电路对驱动信号的要求和MOSFET管组成的驱动电路对驱动信号的要求基本相同，但前者组成的驱动电路基本上都实现了模块化。图3-6所示是一种使用较普遍的、型号为EXB850的模块内部电路方框图，其外部典型连接电路如图3-7所示。

2.VT3的基极得到驱动信号

当晶体管VT3的基极得到驱动信号后，VT3导通，导致EXB850模块与脚内的光电耦合器IC1工作，使EXB850模块内部的AMP放大器输出为“+”，内部的晶体管VT1导通，控制+20V电源从EXB850模块的②脚输入，经导通的VT1管→EXB850模块的③脚→限流电阻器RG→绝缘栅双极型晶体管VT4的栅极；同时，VT4的发射极经EXB850模块的①脚→稳压二极管VDW→EXB850模块的⑨脚→控制电源的“0V”端。

至此，绝缘栅双极型晶体管VT4的栅极与发射极之间得到正电压而导通。此时，电容器C2上被冲上了上正、下负的电压，该电压的大小取决于稳压二极管的稳定电压。

3.VT3的基极驱动信号消失

当VT3管基极上的驱动信号消失后，VT3管截止，导致EXB850模块与脚内的光电耦合器IC1停止工作，使EXB850模块内部的AMP放大器输出为“-”，内部的晶体管VT2导通、VT1管截止。此时，绝缘栅双极型晶体管VT4的栅极G经EXB850模块的③脚→导通的VT2管→EXB850模块的⑨脚→控制电源的“0V”端连接，而发射极E则和电容器C2的正极端连接，绝缘栅双极型晶体管VT4的栅极与发射极之间得到负偏电压而截止。

3.2.9 采用绝缘栅双极型晶体管作为逆变管的变频器的特点

采用绝缘栅双极型晶体管作为逆变管的变频器的逆变电路和由GTR组成的逆变电路基本相同，其典型结构如图3-8所示，其主要特点归纳起来主要有以下几个方面。

1.载波频率高

现在许多变频器的载波频率可以在3～15kHz的范围内任意可调，其电压波形如图3-9所示。载波频率高的结果是电流的谐波成分减小，其电流波形如图3-10所示。

2.功率减小

由于采用绝缘栅双极型晶体管作为逆变管的变频器的逆变电路取用电流极小，几乎不会消耗功率。而采用电力晶体管（GTR）基极回路的取用电流多为安培级的，故这类电路消耗的功率不可忽视。

3.瞬间停电可以不用停机

由于采用绝缘栅双极型晶体管作为逆变管的变频器的逆变电路中栅极电流极小，停电后，栅极控制电压衰减很慢，IGBT不会立即进入放大状态，故在瞬间停电后，变频器允许自动重合闸，而不会跳闸。

3.2.10变频器中公共直流母线基本类型

在变频器中，公共直流母线技术的应用，使由多台电动机（或多轴）构成的传动系统能量得到了很好的利用，提高了系统的整体运行效率，由此也降低了变频器本身的成本。

公共直流母线通常分为再生型与非再生型两大类。对于采用谐振直流环技术的变频器，其内的功率开关可以工作在软开关状态，由此可以使器件损耗进一步下降，开关频率也得到了进一步的提高，而由电压与电流尖峰引起的EMI干扰问题被有效抑制，由此可以省去消缓冲电路。