交直交变频器的变频原理解析

小李已经根据张老师的要求进行了预习，他说：“变频器的核心部分是逆变电路，为方便起见，先从单相逆变桥开始说明吧。

1.单相变频原理

单相逆变桥的结构如图7-7a所示。图中，V₁、V₂、V₃、V₄为开关器件，组成单相逆变桥，接至直流电源P（+）与N（-）之间，电压为U_D，Z_L是负载。

图7-7 单相逆变桥及其工作过程

a）单相逆变桥的构成 b）工作过程

逆变电路的工作情况如下：

（1）前半周期 令V₁、V₂导通；V₃、V₄截止。则负载Z_L中的电流从a流向b，Z_L上得到的电压是a‘+’、b‘-’，设这时的电压为‘+’，振幅值等于直流电压U_D。

（2）后半周期 令V₁、V₂截止；V₃、V₄导通。则负载Z_L中的电流从b流向a，Z_L上得到的电压是a‘-’、b‘+’，这时的电压为‘-’，振幅值也是U_D。

上述两种状态如能不断地反复交替进行，则负载Z_L上所得到的便是交变电压了，如图b所示。这就是由直流电变为交流电的‘逆变’过程。改变交替导通的快慢，就改变了输出电压的频率。

2.三相逆变桥的结构

三相逆变桥的电路结构如图7-8a所示。其工作过程与单相逆变桥相同，只要使3个桥臂的交替过程之间，互差三分之一周期（T/3），从而使三相输出电压的相位之间互差（2π/3）电角度就可以了，如图7-8b所示。

3.逆变器件的条件

上述逆变过程看似简单：无非是若干个开关器件反复地交替导通而已。但变频器迟迟不能问世的关键恰恰在于这些开关器件上。因为，这些开关器件必须满足以下要求：

（1）能承受足够大的电压和电流

1）电压 我国三相低压电网的线电压均为380V，经三相全波整流后的平均电压为513V，而峰值电压则为537V。考虑到在过渡过程中，由于电感及负载反馈能量的效应，开关器件的耐压应在1000V以上。

图7-8 三相逆变桥及其工作(www.xing528.com)

a）三相逆变桥的构成 b）三相逆变桥的输出电压

2）电流 以中型的150kW的电动机为例，其额定电流为250A，而电流的峰值为353A。考虑到电动机的起动电流略大，以及变频器本身也应该具有一定的过载能力，该变频器开关器件允许承受的电流应大于700A。

上述条件如图7-9所示，对于有触点开关器件来说，这是早已做到了的。

图7-9 逆变器件承受的电压和电流

（2）允许频繁地接通和关断 如上述，逆变过程就是若干个开关器件长时间地反复交替导通和关断的过程，这是有触点开关器件所无法承受的。必须依赖于无触点开关器件，而无触点开关器件要能承受足够大的电压和电流，却并非易事。可以说，正是这个要求，使变频器的出现比异步电动机的发明晚了长达近百年之久。

（3）接通和关断的控制必须十分方便 最基本的控制如：频率的上升和下降、改变频率的同时还要改变电压等。

上面所说的无触点开关器件，实际上就是半导体开关器件。半导体器件在初期阶段只能用于低压电路中，当半导体器件终于能够承受高电压和大电流时，就形成了一门新的学科，称为电力电子学。而变频器和变频调速技术也应运而生了。

4.当代变频器常用的逆变器件

20世纪80年代末，绝缘栅双极型晶体管IGBT的开发成功，使变频器在许多方面得到了较大的提高。

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是场效应晶体管（MOSFET）和电力晶体管（GTR）相结合的产物。其主体部分与电力晶体管相同，也有集电极（C）和发射极（E），而控制极的结构却与场效应晶体管相同，是绝缘栅结构，也称为栅极（G），如图7-10a所示。其工作特点如下：

（1）控制部分 控制信号为电压信号u_GE，栅极与发射极之间的输入阻抗很大，故信号电流与驱动功率都很小。

（2）主体部分 因为与电力晶体管相同，额定电压与电流容易做得较大，故在中小容量的变频器中，基本上都是IGBT的天下。

以IGBT为逆变器件的逆变电路如图7-10b所示。

图7-10 IGBT的基本特点

a）结构特点 b）逆变电路