基于半导体器件控制的变频过程研究

牛卜巧

摘 要： 变频器是电气传动控制系统的重要组成部分，由于其具有低功耗、高效率和控制电路简单等显著优点，因此被广泛应用于各种电气设备的传动系统中。随着科学技术的高速发展，具有更佳性能指标的新型变频器不断涌现，必须在理解其工作原理的基础上更好地利用。

关键词： 变频器 整流 逆变

一、变频器工作原理概述

1.在通常情况下，按照变频的原理把变频器分为两大类：交-交变频器和交-直-交变频器。交-直-交变频器是先将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过逆变电路，把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电，由于把直流电逆变成交流电较易控制，因此在频率的调节范围及变频后电动机特性的改善等方面，都具有明显优势，目前使用最多的变频器属于交-直-交变频器。

2.交-直-交变频器采用六只半控型电力电子器件晶闸管先将频率固定的三相交流电整流成直流电输出，然后利用三相桥式逆变电路把直流电逆变成频率、电压可调的交流电输出。

二、变频器主电路工作原理分析

1.交-直-交变频器主电路图如下：

2.电路工作原理分析：

（1）交-直变换

图中采用了六个不可控电力电子器件二极管，它们不需要驱动电路，如果把六个二极管全部换成晶闸管的话，就会变成三相可控整流电路。图中VD1、VD2、VD3为共阴极组，VD4、VD5、VD6为共阳极组。在三相交流电源时刻变化的过程中，共阴极组中每个管子阳极电压大小是在变化的，同样的，共阳极组中每个管子阴极电压的大小也是在时刻变化的。任一时刻，控制共阴极组中阳极电压最大的哪个管子导通，控制共阳极组中阴极电压最低的那个管子导通。

如上图所示，从三相交流电源正半周第一个交点处开始到负半周第一个交点处截止，a相的相电压是最大的，b相的相电压是最小的，所以控制VT1和VT6导通，这时负载电阻两端的电压为u =u -u =u ；从负半周第一个交点到正半周第二个交点，a相相电压最大，c相相电压最小，控制VT1和VT2导通，则电压u =u -u =u ；从正半周第二个交点到负半周第二个交点，b相相电压最大c相相电压最小，控制VT3和VT2导通，则电压u =u -u =u ；从负半周第二个交点到正半周第三个交点，b相相电压最大a相相电压最小，控制VT3和VT4导通，则电压u =u -u =u ；从正半周第三个交点到负半周第三个交点，c相相电压最大a相相电压最小，控制VT5和VT4导通，则电压u =u -u =u ；从负半周第三个交点到正半周第四个交点，c相相电压最大b相相电压最小，控制VT5和VT6导通，则电压u =u -u =u 。到此为止电源电压正好经过一个完整的周期，后面的工作情况就和前面一个周期相同而且循环下去。在该电路中，每个晶闸管导通的电角度都是120度，其中前60度和它前面的那个管子共同导通，后60度和它后面的那个管子共同导通，整个电路输出电压时一个直流电，电压值比较大而且连续性较好。

（2）开启电流吸收回路

在主电路中，开关S 和电阻R 组成了限流回路。刚开机时，R 串入电路，限制C 的充电电流，充电到一定程度后S 闭合将其切除。

（3）能耗电路

能耗电路由R 和V 组成，变频调速在降速时处于再生制动状态，电动机回馈的能量到达直流电路，需要将这部分能量消耗掉，其中制动电阻R 就是用于消耗该部分的能量的，而V 的功能是为放电电流提供通路。

（4）直-交变换

如图所示，V1～V6组成了桥式逆变电路，这6个管子交替的接通、关断就可以再输出端得到一个相位互差120度的三相交流电压。当V1、V6导通时，u 为正；当V3、V4导通时，u 为负；当V3、V2导通时u 为正；当V5、V6导通时，u 为负；当V5、V4导通时，u 为正；当V1、V2导通时，u 为负。电压型三相全桥逆变通常采用180度导电型方波控制，每个桥臂的导电角度为180度，上下两桥臂交替导通，三个半桥各自按照180度方波控制，但彼此在相位上互差120度，这样，任意瞬间都有3个桥臂同时导通，每次换流都在同一相上、下两个桥臂之间进行。