1.3 變頻器的工作原理

1.3.1 交-直-交變換技術(shù)

電網(wǎng)的電壓和頻率是固定的。在我國，低壓電網(wǎng)的電壓為380 V、頻率為50 Hz，這是不能變的。要想得到電壓和頻率都能調(diào)節(jié)的電源，只能從另一種能源變過來，即直流電。因此，交-直-交變頻器的工作可分為兩個(gè)基本過程。

1．交-直變換過程

就是先把不可調(diào)的電網(wǎng)的三相（或單相）交流電經(jīng)整流橋整流成直流電。

2．直-交變換過程

就是反過來又把直流電“逆變”成電壓和頻率都任意可調(diào)的三相交流電，交-直-交變頻器框圖如圖1-12所示，圖中U表示電源電壓，U_D 表示整流后的直流電壓，U_X表示逆變后的交流電壓。

1.3.2 變頻變壓的原理

1．變頻變壓的原因

讀者很明白地知道，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為

式中 n——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；

f——電源的頻率；

s——轉(zhuǎn)差率；

p——電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。

很顯然，改變電動(dòng)機(jī)的頻率f就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。但為什么還要改變電壓呢？這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的磁通量滿足如下公式：

式中 Φ_m——電動(dòng)機(jī)的每極氣隙的磁通量；

f——定子的頻率；

N_s——定子繞組的匝數(shù)；

k_ns——定子基波繞組系數(shù)；

U_s——定子相電壓；

E_g——?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值。

由于實(shí)際測(cè)量E_g比較困難，而U_s和E_g大小近似，所以用U_s代替E_g。又因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的每極氣隙的磁通量Φ_m接近飽和值，因此，降低電動(dòng)機(jī)頻率時(shí)，如果U_s不降低，那么勢(shì)必使得Φ_m增加，而Φ_m接近飽和值，不能增加，所以導(dǎo)致繞組線圈的電流急劇上升，從而造成燒毀電動(dòng)機(jī)的繞組。所以變頻器在改變頻率的同時(shí)，要改變U_s，通常保持磁通為一個(gè)恒定的數(shù)值，也就是電壓和頻率為一個(gè)固定的比例，滿足如下公式：

2．變頻變壓的實(shí)現(xiàn)的方法

變頻變壓的實(shí)現(xiàn)方法有脈幅調(diào)制（Pulse Amplitude Modulation，PAM）、脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PMW）和正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SP-WM）。以下分別介紹。

（1）脈幅調(diào)制

就是在頻率下降的同時(shí)，使直流電壓下降。因?yàn)榫чl管的可控整流技術(shù)已經(jīng)成熟，所以在整流的同時(shí)使直流電的電壓和頻率同步下降。PAM調(diào)制如圖1-14所示，圖1-13a中頻率高，整流后的直流電壓也高；圖1-13b中頻率低，整流后的直流電壓也低。

脈幅調(diào)制比較復(fù)雜，因?yàn)橐瑫r(shí)控制整流和逆變兩個(gè)部分，現(xiàn)在使用并不多。

（2）脈寬調(diào)制

脈沖寬度調(diào)制簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中，最早用于無線電領(lǐng)域。由于P WM控制技術(shù)控制簡單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，所以成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速和閥門控制，比如現(xiàn)在的電動(dòng)車電動(dòng)機(jī)調(diào)速就是使用這種方式。

占空比（Duty Ratio）就是在一串脈沖周期序列中（如方波），脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖總周期的比值。脈沖波形圖如圖1-14所示，占空比公式如下：

對(duì)于變頻器的輸出電壓而言，P WM實(shí)際就是將每半個(gè)周期分割成許多個(gè)脈沖，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度和脈沖周期的“占空比”來調(diào)節(jié)平均電壓，占空比越大，平均電壓越大。

P WM的優(yōu)點(diǎn)是只需要在逆變側(cè)控制脈沖的上升沿和下降沿的時(shí)刻（即脈沖的時(shí)間寬度），而不必控制直流側(cè)，因而大大簡化了電路。

（3）正弦脈寬調(diào)制（SPWM）

所謂正弦脈寬調(diào)制就是在P WM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)律排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。

正弦脈寬調(diào)制的波形圖如圖1-15所示，圖形上部是正弦波，圖形的下部就是正弦脈寬調(diào)制波，在圖中正弦波與時(shí)間軸圍成的面積分成7塊，每一塊的面積與下面的矩形面積相等，也就是說正弦脈寬調(diào)制波等效于正弦波。

SPWM的優(yōu)點(diǎn)：由于電動(dòng)機(jī)繞組具有電感性，因此，盡管電壓是由一系列的脈沖波構(gòu)成，但通入電動(dòng)機(jī)的電流（電動(dòng)機(jī)繞組相當(dāng)于電感，可對(duì)電流進(jìn)行濾波）就十分接近于正弦波。

載波頻率是指變頻器輸出的P WM信號(hào)的頻率，其取值范圍一般在0.5～12kHz之間，可通過功能參數(shù)設(shè)定。載波頻率提高，電磁噪聲減少，電動(dòng)機(jī)獲得較理想的正弦電流曲線。開關(guān)頻率高，電磁輻射增大，輸出電壓下降，開關(guān)元件耗損大。

1.3.3 正弦脈寬調(diào)制波的實(shí)現(xiàn)方法

正弦脈寬調(diào)制有兩種方法，即單極性正弦脈寬調(diào)制和雙極性脈寬調(diào)制。雙極性脈寬調(diào)制使用較多，而單極性正弦脈寬調(diào)制很少使用，但其簡單，容易說明問題，故首先加以介紹。

1．單極性SPWM法

單極性正弦脈寬調(diào)制波形圖如圖1-16所示，正弦波是調(diào)制波，其周期決定于需要的給定頻率f_X，其振幅U_X按比例U_X/f_X隨給定頻率f_X變化。等腰三角波是載波，其周期決定于載波頻率，原則上隨著載波頻率而改變，但也不全是如此，取決于變頻器的品牌，載波的振幅不變，每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同（即單極性）。

如圖1-16所示，調(diào)制波和載波的交點(diǎn)，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖的間隔寬度，每半周期內(nèi)的脈沖系列也是單極性的。

單極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：每半個(gè)周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中，只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)斷地工作，另一個(gè)完全截止；而在另半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)器件的工況正好相反，流經(jīng)負(fù)載的便是正、負(fù)交替的交變電流。

值得注意的是，變頻器中并無三角波發(fā)生器和正弦波發(fā)生器，圖1-16所示的交點(diǎn)，都是變頻器中的計(jì)算機(jī)計(jì)算得來，這些交點(diǎn)是十分關(guān)鍵的，實(shí)際決定了脈沖的上升時(shí)刻。

2．雙極性SPWM法

毫無疑問，雙極性SPWM法是采用最為廣泛的方法。單相橋式SPWM逆變電路如圖1-17所示。

雙極性正弦脈寬調(diào)制波形圖如圖1-18所示，正弦波是調(diào)制波，其周期決定于需要的給定頻率f_X，其振幅U_X按比例U_X/f_X隨給定頻率f_X變化。等腰三角波是載波，其周期決定于載波頻率，原則上隨著載波頻率而改變（但也不全是如此，取決于變頻器的品牌），載波的振幅不變。調(diào)制波與載波的交點(diǎn)決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的。

但是，由相電壓合成為線電壓（U_UV=U_U-U_V，U_VW=U_V-U_W，U_WV=U_W-U_U）時(shí)，所得到的線電壓脈沖系列卻是單極性的。

雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷。如圖1-19所示，當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，VT4關(guān)斷，而VT4導(dǎo)通時(shí)，VT1關(guān)斷。在圖1-20中，正脈沖時(shí)，驅(qū)動(dòng)VT1導(dǎo)通；而負(fù)脈沖時(shí)，脈沖經(jīng)過反相，驅(qū)動(dòng)VT4導(dǎo)通。開關(guān)器件VT1和VT4交替導(dǎo)通，并不是毫不停息，必須先關(guān)斷，停頓一小段時(shí)間（死區(qū)時(shí)間），確保開關(guān)器件完全關(guān)斷，再導(dǎo)通另一個(gè)開關(guān)器件。而流過負(fù)載的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。

1.3.4 交-直-交變頻器的主電路

1．整流與濾波電路

（1）整流電路

整流和濾波回路如圖1-20所示。整流電路比較簡單，由6個(gè)二極管組成全橋整流（如果進(jìn)線單相變頻器，則需要4個(gè)二極管），交流電經(jīng)過整流后就變成了直流電。

（2）濾波電路

市電經(jīng)過圖1-21左側(cè)的全橋整流后，轉(zhuǎn)換成直流電，但此時(shí)的直流電有很多交流成分，因此需要經(jīng)過濾波，電解電容器C1和C2起濾波作用。實(shí)際使用的變頻器的C1和C2電容上還會(huì)并聯(lián)小電容量的電容，主要是為了吸收短時(shí)間的干擾電壓。

由于經(jīng)過全橋?yàn)V波后直流U_D 的峰值為380V=537 V，又因我國的電壓許可范圍是±20%，所以U_D 的峰值實(shí)際可達(dá)645 V，一般取U_D 的峰值650～700 V，而電解電容的耐壓通常不超過500 V，所以在濾波電路中，要將兩個(gè)電容器串聯(lián)起來，但又由于電容器的電容量有誤差，所以每個(gè)電容器并聯(lián)一個(gè)電阻（RS1和RS2），這兩個(gè)電阻就是均壓電阻，由于RS1=RS2，所以能保證兩個(gè)電容的電壓基本相等。

由于變頻器都要采用濾波器件，濾波器件都有儲(chǔ)能作用，以電容濾波為例，當(dāng)主電路斷電后，電容器上還存儲(chǔ)有電能，因此即使主電路斷電，人體也不能立即觸碰變頻器的導(dǎo)體部分，以免觸電。一般變頻器上設(shè)置了指示燈，這個(gè)指示燈就是指示電荷是否釋放完成的標(biāo)志，如果指示燈亮，表示電荷沒有釋放完成。這個(gè)指示燈并不是用于指示變頻器是否通電的。

（3）限流

在合上電源前，電容器上是沒有電荷的，電壓為0 V，而電容器兩端的電壓又是不能突變的。就是說，在合閘瞬間，整流橋兩端（P、N之間）相當(dāng)于短路。因此，在合上電源瞬間，有很大的沖擊電流，這有可能損壞整流管。因此為了保護(hù)整流橋，在回路上接入一個(gè)限流電阻R0，如果限流電阻一直接在回路中有兩個(gè)壞處：一是電阻要耗費(fèi)電能，特別是大型變頻器更是如此；二是R0的分壓作用將使得逆變后的電壓減少，這是非常不利的（假設(shè)R0一直接入，那么當(dāng)變頻器的輸出頻率與輸入的市電一樣大時(shí)（50 Hz），變頻器的輸出電壓將小于380 V）。因此，變頻器起動(dòng)后，晶閘管VT（也可以是接觸器的觸頭）導(dǎo)通，短接R0，使變頻器在正常工作時(shí)，R0不接入電路。

通常變頻器使用電容濾波，而不采用π型濾波，因?yàn)棣行蜑V波要在回路中接入電感器，電感器的分壓作用也類似于圖1-22中R0的分壓，使得逆變后的電壓減少。

2．逆變電路

（1）逆變電路的工作原理

交-直-交變壓變頻器中的逆變器一般是三相橋式電路，以便輸出三相交流變頻電源。如圖1-21所示，6個(gè)電力電子開關(guān)器件VT1～VT6組成三相逆變器主電路，圖中的VT符號(hào)代表任意一種電力電子開關(guān)器件。控制各開關(guān)器件輪流導(dǎo)通和關(guān)閉，可使輸出端得到三相交流電壓。在某一瞬間，控制一個(gè)開關(guān)器件關(guān)斷，控制另一個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通，就實(shí)現(xiàn)兩個(gè)器件之間的換流。在三相橋式逆變器中有180°導(dǎo)通型和120°導(dǎo)通型兩種換流方式，以下僅介紹180°導(dǎo)通型換流方式。

當(dāng)VT1關(guān)斷后，VT4導(dǎo)通；而VT4斷開后，VT1導(dǎo)通。實(shí)際上，每個(gè)開關(guān)器件，在一個(gè)周期里導(dǎo)通的區(qū)間是180°，其他各相也是如此。每一時(shí)刻都有3個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通。但必須防止同一橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)器件（如VT1和VT4）同時(shí)導(dǎo)通，因?yàn)檫@樣會(huì)造成直流電源短路，即直通。為此，在換流時(shí)，必須采取“先關(guān)后通”的方法，即先給要關(guān)斷開關(guān)的器件發(fā)送關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留一定的時(shí)間裕量，叫作死區(qū)時(shí)間，再給要導(dǎo)通開關(guān)器件發(fā)送導(dǎo)通信號(hào)。死區(qū)時(shí)間的長短，要根據(jù)開關(guān)器件的開關(guān)速度確定，例如MOSFET（Metal Oxide Senliconductor Field Effect Transistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的死區(qū)時(shí)間就可以很短，設(shè)置死區(qū)時(shí)間是非常必要的，在安全的前提下，死區(qū)時(shí)間越短越好，因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間會(huì)造成輸出電壓畸變。

（2）反向二極管的作用

如圖1-22所示，逆變橋的每個(gè)逆變器件旁邊都反向并聯(lián)一個(gè)二極管，以一個(gè)橋臂為例說明，其他橋臂類似。

1）在0～t1時(shí)間段，電流i和電壓u的方向是相反的，是繞組的自感電動(dòng)勢(shì)（反電動(dòng)勢(shì)）克服電源電壓做功，這時(shí)的電流通過二極管VD1流向直流回路，向?yàn)V波電容器充電。如果沒有反向并聯(lián)的二極管，電流的波形將發(fā)生畸變。

2）在t1～t2時(shí)間段，電流i和電壓u的方向是相同的，電源電壓克服繞組自感電動(dòng)勢(shì)做功，這時(shí)的濾波電容向電動(dòng)機(jī)放電。