1.3 变频器的工作原理

1.3.1 交-直-交变换技术

电网的电压和频率是固定的。在我国，低压电网的电压为380 V、频率为50 Hz，这是不能变的。要想得到电压和频率都能调节的电源，只能从另一种能源变过来，即直流电。因此，交-直-交变频器的工作可分为两个基本过程。

1．交-直变换过程

就是先把不可调的电网的三相（或单相）交流电经整流桥整流成直流电。

2．直-交变换过程

就是反过来又把直流电“逆变”成电压和频率都任意可调的三相交流电，交-直-交变频器框图如图1-12所示，图中U表示电源电压，U_D 表示整流后的直流电压，U_X表示逆变后的交流电压。

1.3.2 变频变压的原理

1．变频变压的原因

读者很明白地知道，电动机的转速公式为

式中 n——电动机的转速；

f——电源的频率；

s——转差率；

p——电动机的磁极对数。

很显然，改变电动机的频率f就可以改变电动机的转速。但为什么还要改变电压呢？这是因为电动机的磁通量满足如下公式：

式中 Φ_m——电动机的每极气隙的磁通量；

f——定子的频率；

N_s——定子绕组的匝数；

k_ns——定子基波绕组系数；

U_s——定子相电压；

E_g——气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值。

由于实际测量E_g比较困难，而U_s和E_g大小近似，所以用U_s代替E_g。又因为在设计电动机时，电动机的每极气隙的磁通量Φ_m接近饱和值，因此，降低电动机频率时，如果U_s不降低，那么势必使得Φ_m增加，而Φ_m接近饱和值，不能增加，所以导致绕组线圈的电流急剧上升，从而造成烧毁电动机的绕组。所以变频器在改变频率的同时，要改变U_s，通常保持磁通为一个恒定的数值，也就是电压和频率为一个固定的比例，满足如下公式：

2．变频变压的实现的方法

变频变压的实现方法有脉幅调制（Pulse Amplitude Modulation，PAM）、脉宽调制（Pulse Width Modulation，PMW）和正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SP-WM）。以下分别介绍。

（1）脉幅调制

就是在频率下降的同时，使直流电压下降。因为晶闸管的可控整流技术已经成熟，所以在整流的同时使直流电的电压和频率同步下降。PAM调制如图1-14所示，图1-13a中频率高，整流后的直流电压也高；图1-13b中频率低，整流后的直流电压也低。

脉幅调制比较复杂，因为要同时控制整流和逆变两个部分，现在使用并不多。

（2）脉宽调制

脉冲宽度调制简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中，最早用于无线电领域。由于P WM控制技术控制简单、灵活和动态响应好，所以成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。用于直流电动机调速和阀门控制，比如现在的电动车电动机调速就是使用这种方式。

占空比（Duty Ratio）就是在一串脉冲周期序列中（如方波），脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。脉冲波形图如图1-14所示，占空比公式如下：

对于变频器的输出电压而言，P WM实际就是将每半个周期分割成许多个脉冲，通过调节脉冲宽度和脉冲周期的“占空比”来调节平均电压，占空比越大，平均电压越大。

P WM的优点是只需要在逆变侧控制脉冲的上升沿和下降沿的时刻（即脉冲的时间宽度），而不必控制直流侧，因而大大简化了电路。

（3）正弦脉宽调制（SPWM）

所谓正弦脉宽调制就是在P WM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。

正弦脉宽调制的波形图如图1-15所示，图形上部是正弦波，图形的下部就是正弦脉宽调制波，在图中正弦波与时间轴围成的面积分成7块，每一块的面积与下面的矩形面积相等，也就是说正弦脉宽调制波等效于正弦波。

SPWM的优点：由于电动机绕组具有电感性，因此，尽管电压是由一系列的脉冲波构成，但通入电动机的电流（电动机绕组相当于电感，可对电流进行滤波）就十分接近于正弦波。

载波频率是指变频器输出的P WM信号的频率，其取值范围一般在0.5～12kHz之间，可通过功能参数设定。载波频率提高，电磁噪声减少，电动机获得较理想的正弦电流曲线。开关频率高，电磁辐射增大，输出电压下降，开关元件耗损大。

1.3.3 正弦脉宽调制波的实现方法

正弦脉宽调制有两种方法，即单极性正弦脉宽调制和双极性脉宽调制。双极性脉宽调制使用较多，而单极性正弦脉宽调制很少使用，但其简单，容易说明问题，故首先加以介绍。

1．单极性SPWM法

单极性正弦脉宽调制波形图如图1-16所示，正弦波是调制波，其周期决定于需要的给定频率f_X，其振幅U_X按比例U_X/f_X随给定频率f_X变化。等腰三角波是载波，其周期决定于载波频率，原则上随着载波频率而改变，但也不全是如此，取决于变频器的品牌，载波的振幅不变，每半周期内所有三角波的极性均相同（即单极性）。

如图1-16所示，调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。

单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反，流经负载的便是正、负交替的交变电流。

值得注意的是，变频器中并无三角波发生器和正弦波发生器，图1-16所示的交点，都是变频器中的计算机计算得来，这些交点是十分关键的，实际决定了脉冲的上升时刻。

2．双极性SPWM法

毫无疑问，双极性SPWM法是采用最为广泛的方法。单相桥式SPWM逆变电路如图1-17所示。

双极性正弦脉宽调制波形图如图1-18所示，正弦波是调制波，其周期决定于需要的给定频率f_X，其振幅U_X按比例U_X/f_X随给定频率f_X变化。等腰三角波是载波，其周期决定于载波频率，原则上随着载波频率而改变（但也不全是如此，取决于变频器的品牌），载波的振幅不变。调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的。

但是，由相电压合成为线电压（U_UV=U_U-U_V，U_VW=U_V-U_W，U_WV=U_W-U_U）时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的。

双极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断。如图1-19所示，当VT1导通时，VT4关断，而VT4导通时，VT1关断。在图1-20中，正脉冲时，驱动VT1导通；而负脉冲时，脉冲经过反相，驱动VT4导通。开关器件VT1和VT4交替导通，并不是毫不停息，必须先关断，停顿一小段时间（死区时间），确保开关器件完全关断，再导通另一个开关器件。而流过负载的是按线电压规律变化的交变电流。

1.3.4 交-直-交变频器的主电路

1．整流与滤波电路

（1）整流电路

整流和滤波回路如图1-20所示。整流电路比较简单，由6个二极管组成全桥整流（如果进线单相变频器，则需要4个二极管），交流电经过整流后就变成了直流电。

（2）滤波电路

市电经过图1-21左侧的全桥整流后，转换成直流电，但此时的直流电有很多交流成分，因此需要经过滤波，电解电容器C1和C2起滤波作用。实际使用的变频器的C1和C2电容上还会并联小电容量的电容，主要是为了吸收短时间的干扰电压。

由于经过全桥滤波后直流U_D 的峰值为380V=537 V，又因我国的电压许可范围是±20%，所以U_D 的峰值实际可达645 V，一般取U_D 的峰值650～700 V，而电解电容的耐压通常不超过500 V，所以在滤波电路中，要将两个电容器串联起来，但又由于电容器的电容量有误差，所以每个电容器并联一个电阻（RS1和RS2），这两个电阻就是均压电阻，由于RS1=RS2，所以能保证两个电容的电压基本相等。

由于变频器都要采用滤波器件，滤波器件都有储能作用，以电容滤波为例，当主电路断电后，电容器上还存储有电能，因此即使主电路断电，人体也不能立即触碰变频器的导体部分，以免触电。一般变频器上设置了指示灯，这个指示灯就是指示电荷是否释放完成的标志，如果指示灯亮，表示电荷没有释放完成。这个指示灯并不是用于指示变频器是否通电的。

（3）限流

在合上电源前，电容器上是没有电荷的，电压为0 V，而电容器两端的电压又是不能突变的。就是说，在合闸瞬间，整流桥两端（P、N之间）相当于短路。因此，在合上电源瞬间，有很大的冲击电流，这有可能损坏整流管。因此为了保护整流桥，在回路上接入一个限流电阻R0，如果限流电阻一直接在回路中有两个坏处：一是电阻要耗费电能，特别是大型变频器更是如此；二是R0的分压作用将使得逆变后的电压减少，这是非常不利的（假设R0一直接入，那么当变频器的输出频率与输入的市电一样大时（50 Hz），变频器的输出电压将小于380 V）。因此，变频器起动后，晶闸管VT（也可以是接触器的触头）导通，短接R0，使变频器在正常工作时，R0不接入电路。

通常变频器使用电容滤波，而不采用π型滤波，因为π型滤波要在回路中接入电感器，电感器的分压作用也类似于图1-22中R0的分压，使得逆变后的电压减少。

2．逆变电路

（1）逆变电路的工作原理

交-直-交变压变频器中的逆变器一般是三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源。如图1-21所示，6个电力电子开关器件VT1～VT6组成三相逆变器主电路，图中的VT符号代表任意一种电力电子开关器件。控制各开关器件轮流导通和关闭，可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，控制另一个开关器件导通，就实现两个器件之间的换流。在三相桥式逆变器中有180°导通型和120°导通型两种换流方式，以下仅介绍180°导通型换流方式。

当VT1关断后，VT4导通；而VT4断开后，VT1导通。实际上，每个开关器件，在一个周期里导通的区间是180°，其他各相也是如此。每一时刻都有3个开关器件导通。但必须防止同一桥臂上、下两个开关器件（如VT1和VT4）同时导通，因为这样会造成直流电源短路，即直通。为此，在换流时，必须采取“先关后通”的方法，即先给要关断开关的器件发送关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，叫作死区时间，再给要导通开关器件发送导通信号。死区时间的长短，要根据开关器件的开关速度确定，例如MOSFET（Metal Oxide Senliconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）的死区时间就可以很短，设置死区时间是非常必要的，在安全的前提下，死区时间越短越好，因为死区时间会造成输出电压畸变。

（2）反向二极管的作用

如图1-22所示，逆变桥的每个逆变器件旁边都反向并联一个二极管，以一个桥臂为例说明，其他桥臂类似。

1）在0～t1时间段，电流i和电压u的方向是相反的，是绕组的自感电动势（反电动势）克服电源电压做功，这时的电流通过二极管VD1流向直流回路，向滤波电容器充电。如果没有反向并联的二极管，电流的波形将发生畸变。

2）在t1～t2时间段，电流i和电压u的方向是相同的，电源电压克服绕组自感电动势做功，这时的滤波电容向电动机放电。