第2章 交-直-交变频器

2.1 交-直-交变频器的结构与原理

迄今为止，在中、小容量的变频器中，应用最为广泛的是“交-直-交”变频器。先将电源的交流电整流成直流电，再将直流电“逆变”成交流电。那么，为什么必须插入直流这一环节？

2.1.1 自生交流好变频

1.基本思想

由电网提供的交流电源，其频率是固定的，我国低压电网的电源频率是50Hz，无可更改。

要想得到频率可变的交流电源，必须人为地“自行”产生。所以先将电网的交流电整流成直流电，再将直流电人为地“逆变”成交流电，如图2-1所示。这逆变产生的交流电，就可以由人们随意地进行控制了。

所以变频器的核心部分是“逆变电路”，其构成和原理如下述。

2.单相逆变桥

图2-2a中，开关器件V1、V2、V3、V4组成单相逆变桥，接至直流电源P（+）与N（-）之间，电压为UD；ZL是负载。

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。则电流的路径是P（+）→V1→ZL→V2→N（-），负载ZL中的电流从a流向b，ZL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UD。

2）后半周期 令V1、V2截止；V3、V4导通。则电流的路径是P（+）→V3→ZL→V4→N（-），负载ZL中的电流从b流向a，ZL上得到的电压是a{-}、b{+}，这时的电压为“-”，振幅值也是UD。

上述两种状态如能不断地反复交替进行，则负载ZL上所得到的便是交变电压了，如图2-2b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。

所以“逆变”是开关器件交替导通的结果。

三相逆变桥的电路结构如图2-3a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2-3b所示。

2.1.2 “怀胎”百年说因由

如第1章所述，由式（1-1）和式（1-4）可知，在19世纪80年代，异步电动机诞生之日，就知道变频是可以调速的。并且出于电力拖动的需要，人们也一直企盼着变频器的早日诞生；而变频器达到能够普及应用的阶段，却是在20世纪的80年代，中间相隔了近一个世纪。症结在哪里呢？

1.逆变器件有条件

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 先看电压，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。

再看电流，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，在实际工作中，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2-4所示，对于有触点开关器件来说，以上条件是

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推迟了长达近百年之久。

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。由此变频器和变频调速技术也就应运而生了。

2.逆变器件的发展

1）起步始于SCR20世纪60年代，大功率晶闸管（SCR）首先亮相，变频调速也因此而得到了实施，出现了希望。

晶闸管VT在直流电路中的工作情形如图2-5所示，当门极G与阴极K之间加入正电压信号UG时，VT导通，如图2-5a所示。

当门极与阴极之间撤销UG时，VT将继续保持导通状态，如图2-5b所示。故晶闸管在直流电路中，一旦导通之后，是不能自行关断的。所以门极与阴极之间的触发信号可以是短暂的脉冲信号uG，uG称为触发脉冲电压。

由于晶闸管在直流电路中不具有自行关断的能力，要想关断已经导通的晶闸管，必须令晶闸管的阳极和阴极之间的电压为0，或加入反向电压。所以晶闸管虽然使变频调速成为了可能，实现了近百年来人们对于变频调速的企盼，但并未达到普及推广的阶段。

2）普及归功GTR（BJT）20世纪70年代，电力晶体管GTR问世，将变频调速推向了实用阶段，并于20世纪80年代初开始逐渐推广。

电力晶体管实际上是由两个或多个晶体管复合而成的复合晶体管（达林顿管），如图2-6a所示，也称为大功率晶体管（GTR）或双极晶体管（BJT）。

由于在变频器内，开关器件主要用于逆变桥，故将两个GTR集成到一起，做成双管模块如图2-6b所示，也有将6个GTR集成到一起，做成六管模块的。

又因为在变频器中，各逆变管旁边总要反并联一个二极管，所以模块中的GTR旁边，都已经将反并联的二极管也集成进去了。

就基本工作状态而言，电力晶体管和普通晶体管是一样的，也有3种状态：放大状态、截止状态和饱和导通状态。

GTR存在着二次击穿的问题，故障率较高，迫使人们进一步开发更好的开关器件。

3）提高全靠IGBT 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GTR相同，也有集电极（C）和发射极（E），而门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2-7a所示。其工作特点如下：

①控制部分 控制信号为电压信号UGE，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（控制功耗）都很小。

②主体部分 因为与GTR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，IGBT已经完全取代了GTR。

变频器所用的IGBT，通常已经制作成各种模块，如图2-8所示。图2-8a是双管模块，图2-8b是六管模块。

2.1.3 单进三出变频器

1.家用电动机由单相改三相

众所周知，一般家庭里都没有三相电源，只有单相电源。所以家用电器里的电动机都是单相电动机。

纯粹的单相电动机是没有起动转矩的。为了使它能够旋转，必须增加起动绕组，还需要串联一个电容器。即使这样，其转矩和效率都远逊于三相电动机。并且，由于需要外接电容器，增加了故障率。由于交-直-交变频器的中间环节是直流电路，输出电路的相数和输入侧电源的相数之间毫不相干。因此，其输出侧完全可以通过三相逆变桥逆变成三相交流电源。这种输入单相交流、输出三相交流的变频器，通常被形象地称为“单进三出”变频器，其主电路框图如图2-9所示。

2.单进三出的主电路特点

单相全波整流后的直流电压平均值只有交流电压有效值的0.9倍，即

UD=0.9UL （2-1）

式中 UD——单进三出变频器的直流电压（V）；

UL——单相交流电压的有效值（V）。

由式（2-1），当UL=220V时，UD=198V。

因此，逆变后所得到的三相交流线电压的有效值只有146V，如图2-10所示。它不可能用来驱动三相220V的电动机。

为了能驱动三相220V的电动机，在单相全波整流以后，还必须增加一个升压电路，如图2-11所示。

图2-11中，升压电路由电容器C01和C02构成。

当N点的电位处于正弦波的上半周时，直流回路P+端的正电位将因C01的作用而得到补充；而当N点的电位处于正弦波下半周时，直流回路N端的负电位也因C02的作用而得到补充，从而增大了P+和N-之间的直流电压值。

适当选择C01和C02的电容量，可使直流回路的平均电压升至297V，使逆变后的三相线电压升为220V。