變頻器是一種靜止的頻率變換器，可將電網(wǎng)電源的50Hz頻率交流電變成頻率可調(diào)的交流電，作為電動機的電源裝置，目前在國內(nèi)外使用廣泛。使用變頻器可以節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率等。

1、變頻器組成原理

1.1變頻器的基本結(jié)構(gòu)

調(diào)速用變頻器構(gòu)成：主電路、控制電路、保護電路

變頻器主電路工作原理

變壓變頻裝置結(jié)構(gòu)框圖

按照不同的控制方式，交-直-交變頻器可分成以下三種方式：

采用可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖。

可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式的特點：

在這種裝置中，調(diào)壓和調(diào)頻在兩個環(huán)節(jié)上分別進行，在控制電路上協(xié)調(diào)配合，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。但是，由于輸入環(huán)節(jié)采用晶閘管可控整流器，當電壓調(diào)得較低時，電網(wǎng)端功率因數(shù)較低。而輸出環(huán)節(jié)多用由晶閘管組成多拍逆變器，每周換相六次，輸出的諧波較大，因此這類控制方式現(xiàn)在用的較少。

采用不控整流器整流、斬波器調(diào)壓、再用逆變器調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖。

不控整流器整流、斬波器調(diào)壓、再用逆變器調(diào)頻的控制方式的特點：

整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流器，只整流不調(diào)壓，再單獨設(shè)置斬波器，用脈寬調(diào)壓，這種方法克服功率因數(shù)較低的缺點;但輸出逆變環(huán)節(jié)未變，仍有諧波較大的缺點;

采用不控制整流器整流、脈寬調(diào)制(PWM)逆變器同時調(diào)壓調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖。

不控制整流器整流、脈寬調(diào)制(PWM)逆變器同時調(diào)壓調(diào)頻的控制方式的特點：

在這類裝置中，用不控整流，則輸入功率因數(shù)不變;用(PWM)逆變，則輸出諧波可以減小。PWM逆變器需要全控型電力半導(dǎo)體器件，其輸出諧波減少的程度取決于PWM的開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率則受器件開關(guān)時間的限制。采用絕緣雙極型晶體管IGBT時，開關(guān)頻率可達10kHz以上，輸出波形已經(jīng)非常逼近正弦波，因而又稱為SPWM逆變器，成為當前最有發(fā)展前途的一種裝置形式。

電壓型變頻器結(jié)構(gòu)框圖：

電壓型變頻器：

在交-直-交變頻器中，當中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，這類變頻器叫做電壓型變頻器

電流型變頻器結(jié)構(gòu)框圖：

電流型變頻器：

當交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時，直流電流波形比較平直，因而電源內(nèi)阻抗很大，對負載來說基本上是一個電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類變頻器叫做電流型變頻器。

2、幾種典型的交-直-交變頻器的主電路

①交-直-交電壓型變頻電路

常用的交—直—交電壓型PWM變頻電路。

交—直—交電壓型PWM變頻電路采用二極管構(gòu)成整流器，完成交流到直流的變換，其輸出直流電壓Ud是不可控的;中間直流環(huán)節(jié)用大電容C濾波;電力晶體管V1～V6構(gòu)成PWM逆變器，完成直流到交流的變換，并能實現(xiàn)輸出頻率和電壓的同時調(diào)節(jié)，VD1～VD6是電壓型逆變器所需的反饋二極管。

②交-直-交電流型變頻電路

常用的交-直-交電流型變頻電路。

交-直-交電流型變頻電路：整流器采用晶閘管構(gòu)成的可控整流電路，完成交流到直流的變換，輸出可控的直流電壓U，實現(xiàn)調(diào)壓功能;中間直流環(huán)節(jié)用大電感L濾波;逆變器采用晶閘管構(gòu)成的串聯(lián)二極管式電流型逆變電路，完成直流到交流的變換，并實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)。

③交-直-交電壓型變頻器與電流型變頻器的性能比較

3、絕緣門極晶體管(IGBT)

一.IGBT的結(jié)構(gòu)和基本工作原理

絕緣門極晶體管IGBT也稱絕緣柵極雙極型晶體管，是一種新發(fā)展起來的復(fù)合型電力電子器件。

由于它結(jié)合了MOSFET和GTR的特點，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又具有輸入通態(tài)電壓低，耐壓高和承受電流大的優(yōu)點，這些都使IGBT比GTR有更大的吸引力。

在變頻器驅(qū)動電機，中頻和開關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域，IGBT有著主導(dǎo)地位。

1. IGBT的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1)基本結(jié)構(gòu)

IGBT也是三端器件，三個極為漏極(D)、柵極(G)和源極(S)。

(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu) (b)簡化等效電路(c)電氣圖形符號

2)工作原理

IGBT的驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，它是一種壓控型器件。

開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的，當UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流使其導(dǎo)通。

當柵極與發(fā)射極之間加反向電壓或不加電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管無基極電流，IGBT關(guān)斷。

2.IGBT的基本特性與主要參數(shù)

IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

(a) 轉(zhuǎn)移特性 (b) 輸出特性

1)IGBT的基本特性

① 靜態(tài)特性

IGBT的轉(zhuǎn)移特性，它描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系，與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相似。

開啟電壓UGE(th)是IGBT能實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。

UGE(th)隨溫度升高而略有下降，溫度升高1oC，其值下降5mV左右。在+25oC時，UGE(th)的值一般為2~6V。

IGBT的輸出特性，也稱伏安特性，它描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。穩(wěn)壓環(huán)路原理：

1、反饋電路原理圖：

2、工作原理：

當輸出U0升高，經(jīng)取樣電阻R7、R8、R10、VR1分壓后，U1③腳電壓升高，當其超過U1②腳基準電壓后U1①腳輸出高電平，使Q1導(dǎo)通，光耦OT1發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導(dǎo)通，UC3842①腳電位相應(yīng)變低，從而改變U1⑥腳輸出占空比減小，U0降低。

當輸出U0降低時，U1③腳電壓降低，當其低過U1②腳基準電壓后U1①腳輸出低電平，Q1不導(dǎo)通，光耦OT1發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導(dǎo)通，UC3842①腳電位升高，從而改變U1⑥腳輸出占空比增大，U0降低。周而復(fù)始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié)VR1可改變輸出電壓值。

反饋環(huán)路是影響開關(guān)電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯、漏、虛焊等，會產(chǎn)生自激振蕩，故障現(xiàn)象為：波形異常，空、滿載振蕩，輸出電壓不穩(wěn)定等。

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六、短路保護電路： 1、在輸出端短路的情況下，PWM控制電路能夠把輸出電流限制在一個**范圍內(nèi)，它可以用多種方法來實現(xiàn)限流電路，當功率限流在短路時不起作用時，只有另增設(shè)一部分電路。 2、短路保護電路通常有兩種，下圖是小功率短路保護電路，其原理簡述如下：

當輸出電路短路，輸出電壓消失，光耦OT1不導(dǎo)通，UC3842①腳電壓上升至5V左右，R1與R2的分壓超過TL431基準，使之導(dǎo)通，UC3842⑦腳VCC電位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后①腳電位消失，TL431不導(dǎo)通UC3842⑦腳電位上升，UC3842重新啟動，周而復(fù)始。當短路現(xiàn)象消失后，電路可以自動恢復(fù)成正常工作狀態(tài)。 3、下圖是**率短路保護電路，其原理簡述如下：

當輸出短路，UC3842①腳電壓上升,U1 ③腳電位高于②腳時，比較器翻轉(zhuǎn)①腳輸出高電位，給 C1充電，當C1兩端電壓超過⑤腳基準電壓時 U1⑦腳輸出低電位，UC3842①腳低于1V，UCC3842 停止工作，輸出電壓為0V，周而復(fù)始，當短路消失后電路正常工作。R2、C1是充放電時間常數(shù)，阻值不對時短路保護不起作用。 4、 下圖是常見的限流、短路保護電路。其工作原理簡述如下：

當輸出電路短路或過流，變壓器原邊電流增大，R3 兩端電壓降增大，③腳電壓升高，UC3842⑥腳輸出占空比逐漸增大，③腳電壓超過1V時，UC3842關(guān)閉無輸出。 5、下圖是用電流互感器取樣電流的保護電路，

有著功耗小，但成本高和電路較為復(fù)雜，其工作原理簡述如下：輸出電路短路或電流過大，TR1次級線圈感應(yīng)的電壓就越高，當UC3842③腳超過1伏，UC3842 停止工作，周而復(fù)始，當短路或過載消失，電路自行恢復(fù)。 七、【b】輸出端限流保護【/b】：】：

上圖是常見的輸出端限流保護電路，其工作原理簡述如上圖：當輸出電流過大時，RS(錳銅絲)兩端電壓上升，U1③腳電壓高于②腳基準電壓，U1①腳輸出高電壓，Q1導(dǎo)通，光耦發(fā)生光電效應(yīng)，UC3842①腳電壓降低，輸出電壓降低，從而達到輸出過載限流的目的。

八、輸出過壓保護電路的原理：

輸出過壓保護電路的作用是：當輸出電壓超過設(shè)計值時，把輸出電壓限定在一**值的范圍內(nèi)。當開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當引起輸出過壓現(xiàn)象時，過壓保護電路進行保護以防止損壞后級用電設(shè)備。應(yīng)用*為普遍的過壓保護電路有如下幾種：

1、可控硅觸發(fā)保護電路：

如上圖，當Uo1輸出升高，穩(wěn)壓管(Z3)擊穿導(dǎo)通，可控硅(SCR1)的控制端得到觸發(fā)電壓，因此可控硅導(dǎo)通。Uo2電壓對地短路，過流保護電路或短路保護電路就會工作，停止整個電源電路的工作。當輸出過壓現(xiàn)象排除，可控硅的控制端觸發(fā)電壓通過R對地泄放，可控硅恢復(fù)斷開狀態(tài)。

2、光電耦合保護電路：

如上圖，當Uo有過壓現(xiàn)象時，穩(wěn)壓管擊穿導(dǎo)通，經(jīng)光耦(OT2)R6到地產(chǎn)生電流流過，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光電耦合器的光敏三極管導(dǎo)通。Q1基極得電導(dǎo)通， 3842的③腳電降低，使IC關(guān)閉，停止整個電源的工作，Uo為零，周而復(fù)始，。

3、輸出限壓保護電路：

輸出限壓保護電路如下圖，當輸出電壓升高，穩(wěn)壓管導(dǎo)通光耦導(dǎo)通，Q1基極有驅(qū)動電壓而道通，UC3842③電壓升高，輸出降低，穩(wěn)壓管不導(dǎo)通，UC3842③電壓降低，輸出電壓升高。周而復(fù)始，輸出電壓將穩(wěn)定在一范圍內(nèi)(取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值)。

4、輸出過壓鎖死電路：

圖A的工作原理是，當輸出電壓Uo升高，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，光耦導(dǎo)通，Q2基極得電導(dǎo)通，由于Q2的導(dǎo)通Q1基極電壓降低也導(dǎo)通，Vcc電壓經(jīng)R1、Q1、R2使Q2始終導(dǎo)通，UC3842③腳始終是高電平而停止工作。在圖B中，UO升高U1③腳電壓升高，①腳輸出高電平，由于D1、R1的存在，U1①腳始終輸出高電平Q1始終導(dǎo)通，UC3842①腳始終是低電平而停止工作。

九、功率因數(shù)校正電路(PFC)：

1、原理示意圖：

2、工作原理： 輸入電壓經(jīng)L1、L2、L3等組成的EMI濾波器，BRG1整流一路送PFC電感，另一路經(jīng)R1、R2分壓后送入PFC控制器作為輸入電壓的取樣，用以調(diào)整控制信號的占空比，即改變Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，穩(wěn)定PFC輸出電壓。L4是PFC電感，它在Q1導(dǎo)通時儲存能量，在Q1關(guān)斷時施放能量。D1是啟動二極管。D2是PFC整流二極管，C6、C7濾波。PFC電壓一路送后級電路，另一路經(jīng)R3、R4分壓后送入PFC控制器作為PFC輸出電壓的取樣，用以調(diào)整控制信號的占空比，穩(wěn)定PFC輸出電壓。