深入解析变频器的工作原理

简单地说，变频器就是先通过整流器将工频交流电转换成直流电，然后通过逆变器再将直流电逆变成频率和电压均可控制的交流电，从而达到变频的目的。这里仅对交—直—交变频器的基本控制方式、逆变的基本原理及正弦脉宽调制进行介绍。

1.基本控制方式

我们知道，改变异步电动机的供电频率f₁，可以改变其同步转速n，实现电动机的调速运行。

但是，根据电动机理论可知，三相异步电动机每相定子绕组的电动势有效值为

E₁=4.44k_{r 1}f₁N₁Φ_M （7-1）

式中 E₁——每相定子绕组在气隙磁场中感应的电动势有效值，V；

f₁——定子频率，Hz；

N₁——定子每相绕组的有效匝数；

k_r1——与绕组有关的结构常数；

Φ_M——每极气隙磁通量，Wb。

由式（7-1）可知，如果定子每相绕组的电动势有效值E₁不变，而单纯改变定子的频率时会出现如下两种情况。

1）如果f₁大于电动机的额定频率f_1N，则气隙磁通Φ_M小于额定气隙磁通，结果是电动机的铁心得不到充分利用，造成浪费。

2）如果f₁小于电动机的额定频率f_1N，气隙磁通Φ_M大于额定气隙磁通，结果是电动机的铁心出现过饱和，电动机处于过励磁状态，励磁电流过大，使电动机功率因数、效率下降，严重时会因绕组过热而烧坏电动机。

因此，要实现变频调速，且在不损坏电动机的情况下充分利用铁心，应使每极气隙磁通Φ_M保持额定值不变，即E₁/f₁=常数。

（1）基频以下的恒磁通变频调速

由式（7-1）可知，要保持磁通Φ_M不变，当频率f₁从额定值f_1N下调时，必须降低E₁才能使E₁/f₁=常数，即采用电动势与频率之比为常数的控制方式。但绕组中的感应电动势E₁不易直接控制，当电动势的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可以认为电动机的输入电压U₁=E₁，这样就可以达到通过控制U₁来控制E₁的目的；当频率较低时，U₁和E₁都变小，定子漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）不能再忽略，这种情况下，可人为地适当提高定子电压以补偿定子漏阻抗压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。这种基频以下的恒磁通变频调速属于恒转矩调速方式。

（2）基频以上的弱磁通变频调速

在基频以上调速时，频率可以从电动机额定频率f_1N向上增加，但电压U₁受额定电压U_1N的限制不能再升高，只能保持U₁=U_1N不变。由式（7-1）可知，这样必然会使气隙磁通随着f₁的上升而减小，相当于直流电动机的弱磁调速情况，属于近似的恒功率调速方式。

图7-3 异步电动机变频调速基本控制方式

由上面的讨论可知，异步电动机变频调速的基本控制方式如图7-3所示。因此，异步电动机变频调速时必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF（Variable Voltage Variable Freqency）调速控制。如何实现变频又变压呢？这就是逆变器所要完成的任务。

2.逆变的基本原理

由图7-2可知，逆变器是将整流器输出的直流电转换为频率和电压都可调的交流电的装置，其逆变原理如下。

（1）单相逆变

首先通过单相逆变桥的工作情况来看一下直流电是如何逆变成交流电的。单相逆变桥的构成如图7-4所示，图中将四个开关器件（V1～V4）接成桥形电路，两端加直流电压U_D，负载Z_L接至两桥臂的中点a与b之间，现在就来看看负载Z_L上是怎样得到交变电压和电流的。

图7-4 单相逆变桥

1）前半周期。令V1、V2导通，V3、V4截止，则负载ZL上所得的电压为a“+”、b“-”，设这时的电压为“+”。

2）后半周期。令V1、V2截止，V3、V4导通，则负载ZL上所得的电压为a“-”、b“+”，电压的方向与前半周期相反，为“-”。

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，这就是把直流电“逆变”成交流电的工作过程。

（2）三相逆变

三相逆变桥的工作过程与单相逆变桥相同，只要注意三相之间互隔T/3（T是周期）就可以了，即V相比U相滞后T/3，W相又比V相滞后T/3，如图7-5所示，具体的导通顺序如下。

第1个T/6：V1、V6、V5导通，V4、V3、V2截止。

第2个T/6：V1、V6、V2导通，V4、V3、V5截止。

第3个T/6：V1、V3、V2导通，V4、V6、V5截止。

第4个T/6：V4、V3、V2导通，V1、V6、V5截止。

第5个T/6：V4、V3、V5导通，V1、V6、V2截止。

第6个T/6：V4、V6、V5导通，V1、V3、V2截止。

总之，所谓逆变过程，就是若干个开关器件长时间不停息地交替导通和截止的过程。

图7-5 三相逆变桥

图7-6 逆变管承受电压和电流

（3）逆变器件必须满足的条件

由前述可知，逆变桥是实现变频的关键部分，三相逆变桥由6个开关元件构成。在这里，并不是所有的开关元件都可以构成逆变桥的，因为构成逆变桥的开关器件必须满足以下要求：

1）能承受足够大的电压。我国三相交流电的线电压为380V，经三相全波整流后的直流电压为537V。所以，开关元件能够承受的电压必须超过537V，如图7-6所示。(www.xing528.com)

2）能承受足够大的电流。电动机的额定功率大至成百上千千瓦，额定电流高达数千安，不言而喻，逆变管允许通过的电流至少应超过电动机电流的振幅值。

3）允许长时间频繁地接通和截止。这是由逆变电路的工作过程所决定的。

一般来说，开关元件有两大类：一类是机械式的开关元件，如刀开关、接触器等，它们能满足上面的第1和第2个条件，但满足不了第3个条件；另一类是半导体开关元件，它对第3个条件毫不介意，但是能否满足第1和第2个条件就成了能否实现变频调速的关键。

3.正弦脉宽调制

在脉宽调制中，如果脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律分布，则输出电流的波形接近于正弦波，这就是正弦脉宽调制（SPWM），如图7-7所示。这种方式大大减少了负载电流中的高次谐波。当正弦值较大时，脉冲宽度和占空比都大；当正弦值较小时，脉冲宽度和占空比都小。那么如何产生SPWM脉冲系列？其基本方法是各脉冲的上升沿与下降沿由正弦波和三角波的交点来决定，具体方法又分两种。

（1）单极性调制

这种调制的特点是在每半个周期内，三角波的极性是单方向的，所得到脉冲系列的极性也是单方向的，如图7-8所示。通常，正弦波称为调制波，三角波称为载波。调制时，三角波的振幅是不变的，当正弦波的振幅值较大时，调制所得脉冲系列的占空比较大，如图7-8a中的曲线①和图7-8b所示；反之，当正弦波的振幅值较小时，调制所得脉冲系列的占空比也较小，如图7-8a中的曲线②和图7-8c所示。单极性调制方式易于理解，但由于调制所得的线电压波形并不好，实际上已很少使用。

图7-7 正弦脉宽调制的电压波形

图7-8 单极性调制方式

（2）双极性调制

实际变频器中，更多地使用双极性调制方式，其特点是：三角波和所得到的相电压脉冲系列都是双极性的，但线电压脉冲系列却是单极性的，如图7-9所示。

在具体电路中，各开关元件的工作情况如图7-10所示，图7-10a和图7-10b为双极性调制波，图7-10c则画出了各开关管控制极所得到的控制脉冲。由图可以看出，双极性脉冲系列的上半部分是桥臂上面管子的控制脉冲，而下半部分则是桥臂下面管子的控制脉冲。其工作特点是每个桥臂的上下两管总是处于不断交替导通的状态。

图7-9 双极性调制方式

图7-10 开关元件的工作情况

要具体实施SPWM，必须实时地求出各相的正弦波与三角波的交点，它们的周期以及正弦波的振幅都必须根据用户的需要而随时调整。直到20世纪80年代，在微机技术高度发达的条件下，才有可能在极短的时间内实时地计算出正弦波与三角波的所有交点，并使逆变管按各交点所规定的时刻有序地导通和截止，从而为变频变压技术的实施创造条件。

SPWM的显著优点是：由于电动机的绕组是电感性的，因此，尽管电压是由一系列的矩形脉冲构成的，但通入电动机的电流却和正弦波十分接近。

4.脉宽调制型变频器

脉宽调制（PWM）型变频器的主电路如图7-11所示。由图可知，PWM逆变器的主电路就是基本逆变电路，区别在于PWM控制技术。

图7-11 PWM型变频器的主电路

（1）交—直部分

1）整流二极管VD1～VD6。由VD1～VD6组成三相整流桥，将三相交流电转换成直流电。若电源的线电压为U_L，则三相全波整流后平均直流电压为U_d=1.35U_L。若三相交流电源的线电压为380V，则全波整流后的平均电压为U_d=1.35×380V=513V。

2）滤波电容器C_F。滤波电容器C_F的功能是消除整流后的电压纹波，当负载变化时，使直流电压保持平稳。

3）电阻R_L与开关S_L。变频器合上电源的瞬间，滤波电容器C_F的充电电流很大，过大的冲击电流将可能损坏三相整流桥的二极管。为了保护整流桥，在变频器刚接通电源时，电路中串入限流电阻R_L，将电容器C_F的充电电流限制在允许范围以内。开关S_L的功能是当C_F充电到一定程度时S_L接通，将R_L短路。在许多新系列的变频器里，S_L已由晶闸管代替，如图7-11虚线所示。

4）电源指示HL。HL有两个功能，一是表示电源是否接通；二是在变频器切断电源后，反映滤波电容器C_F上的电荷是否已经释放完毕。

由于C_F的容量较大，又没有快速的放电回路，其放电时间往往长达数分钟，如果放不完，C_F上的电压太高，会对人身安全构成威胁。故在维修变频器时，必须等HL指示灯完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。

（2）直—交部分

1）逆变三极管VT1～VT6。逆变管是变频器实现变频的具体执行元件，是变频器的核心部分。图7-11中由VT1～VT6组成逆变桥，将VD1～VD6整流所得的直流电转换为频率可调的交流电。

2）续流二极管VD7～VD12。续流二极管的主要功能有如下：

① 电动机是电感性负载，其电流具有无功分量，VD7～VD12为无功电流返回直流电源时提供通道。

② 当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过VD7～VD12返回直流电路。

③ 在VT1～VT6进行逆变的基本工作过程中，同一桥臂的两个逆变管不停地交替导通和截止，在这交替导通和截止的过程中，需要VD7～VD12提供通路。

3）缓冲电路。缓冲电路由C01～C06、R01～R06、VD01～VD06组成，其作用如下：

C01～C06：每次逆变管VT1～VT6由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极（C极）和发射极（E极）间的电压U_CE将迅速由接近0V上升至直流电压值U_d，这样过高的电压增长率将有可能导致逆变管的损坏。为了减小VT1～VT6在每次关断时的电压增长率，在电路中接入电容器C01～C06。

R01～R06：每次VT1～VT6由截止状态切换成导通状态的接通瞬间，C01～C06上所充的电压（等于U_d）将向VT1～VT6放电。此放电电流的初始值很大，将叠加到负载电流上，导致VT1～VT6的损坏。R01～R06的功能就是限制逆变管接通瞬间C01～C06中的放电电流。

VD01～VD06：R01～R06的接入会影响C01～C06在VT1～VT6关断时减小电压增长率的效果。为此接入VD01～VD06，其功能是在VT1～VT6的关断过程中，使R01～R06不起作用；在VT1～VT6的接通过程中，又迫使C01～C06的放电电流流经R01～R06。

（3）制动部分

制动部分包括制动电阻和制动单元。

1）制动电阻R_B。电动机在工作频率下降过程中将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压U_d不断上升，甚至可能达到危险的地步。因此，在电路中接入制动电阻R_B，用来消耗这部分能量，使U_d保持在允许范围内。

2）制动单元VT_B。由大功率晶体管GTR及其驱动电路构成制动单元VT_B。其功能是为放电电流I_B流经R_B提供通路。