第七章  变频电路
学习要求
1.熟悉变频电路的基本工作原理，理解交═直═交变频电路与交═交变频电路的原理特点。
2.掌握谐振式变频电路的原理，理解谐振式换流的特点。
3.熟练掌握三相桥式变频电路的基本结构和工作原理，会分析电路的工作波形。
4.理解两种交═交变频电路的结构特点，。
5.重点掌握脉宽调制（PWM）型变频电路的工作原理，熟悉生成三相SPWM波的芯片外部接线。
7.1  变频电路的基本工作原理
我们以单相交═直═交、交═交变频电路为例，说明变频电路的基本工作原理。
max.book118.com  单相输出交═直═交变频电路
    图7.1（a）所示为单相桥式变频电路，该图中UD为通过整流电路将交流电整流而得的直流电源，晶闸管Vl、V4称为正组，V2、V3称为反组。当控制电路使Vl、V4导通，使V2、V3关断时，在输出端获得正向电压uO；当控制电路使V2、V3导通，使Vl、V4关断时，输出端获得反向电压uO ，即交替导通正组、反组的晶闸管，并且改变其导通关断的频率，就可在输出端获得频率不同的方波，其输出波形如图7.1（b）所示。如果改变正组和反组的控制角α的大小，则可实现对输出电压幅值的调节。
这种电路直接将直流电变换为不同频率的交流电，从晶闸管的工作特性可知，晶闸管从关断变为导通是容易实现的，然而，由于电源为直流电，要使已导通的晶闸管重新恢复到关断状态则比较困难。从某种意义上讲，整个晶闸管变频电路发展的过程即是研究如何更有效、可靠地关断晶闸管的过程。我们把变频电路中已导通的晶闸管关断后再恢复其正向阻断状态的过程称为换流，通常采用的办法是对导通状态的晶闸管施加反压，使其阳极电流下降到维持电流以下，从而关断晶闸管。加反压的时间必须大于晶闸管的关断时间。
图7.1  单相输出交═直═交变频电路
（a）电路；  （b）输出电压；
随着半导体工业的发展，一些新型的全控型开关器件如前面所讲到的GTO、GTR、MOSFET、IGBT管等正在逐渐取代晶闸管，由于其属于全控型器件，导通和关断都可以控制，这使交═直═交变频电路得到了很大的发展。
max.book118.com  单相输出交═交变频电路
    电路原理如图7.2（a）所示。电路由具有相同特征的两组晶闸管整流电路反并联构成，将其中一组称为正组整流器，另外一组称为反组整流器。如果正组整流器工作，反组整流器被封锁，负载端输出电压的极性为上正下负；如果反组整流器工作，正组整流器被封锁，则负载端得到的输出电压的极性为上负下正。这样，只要交替地以低于电源频率切换正、反组整流器的工作状态，即可在负载端获得交变的输出电压。
图7.2  单相输出交═交变频电路及波形图(控制角不变)
(a)电路；  (b)输出电压；
如果在一个周期内控制角α是固定不变的，则输出电压波形为矩形波，如图7.2（b）所示。矩形波中含有大量的谐波，对电机的工作不利。如果控制角α不固定，在正组工作的半个周期内让控制角α按正弦规律从90°逐渐减小到0°，然后再由逐渐增加到90°，那么正组整流电路的输出电压的平均值就按正弦规律变化。控制角从零增大到最大，然后从最大减小到零，变频电路输出波形如图7.3所示（三相交流输入），该图中A ～ G点为触发控制的时刻。在反组工作的半个周期内采用同样的控制方法，就可得到接近正弦波的输出电压。
图7.3  交═交变频电路的输出波形（控制角变化）
max.book118.com  两种变频电路的特点比较
    同交═直═交变频电路相比，交═交变频电路有以下优缺点。
    1. 优点
    （1）只有一次变流，且利用电网电源进行换流，不需要另接换流元件，提高了变流效率。
    （2）可以很方便地实现四象限工作。
    （3）低频时输出波形接近正弦波。
    2. 缺点
    （1）接线复杂，使用的晶闸管数目多。
    （2）受电网频率和交流电路各脉冲数的限制，输出频率低。
    （3）采用相控方式，功率因数较低。
    由于上述的优缺点，交═交变频电路主要用于500 kW或1000 kW以上，转速在600r／min以下的大功率、低转速的交流调速装置中，目前已在矿山碎石机、水泥球磨机、卷扬机、鼓风机及轧钢机主传动装置中获得较多的应用。它既可用于异步电动机传动，也可用于同步电动机传动。
    而交═直═交变频电路主要用于金属熔炼、感应加热的中频电源装置，可将蓄电池的直流电变换为50Hz交流电的不停电电源、变频变压电源(VVVF)和恒频恒压电源等。通常又将交═直═交变频电路称为无源逆变电路。
7.2  三相桥式变频电路
    如果变频电路的负载是三相负载，则需要变频电路输出频率可调的三相电压。这种变频电路多采用三相桥式变频电路。
max.book118.com型桥式变频电路
    电路结构如图7.9所示。该图中用六个大功率晶体管（GTR）作为可控元件，V1与V4，V3与V6、V5与V2构成三对桥臂，二极管VD1 ～ VD6为续流二极管。
图7.9  电压源型三相桥式变频电路
电压源型三相桥式变频电路的基本工作方式为180°导电型，即每个桥臂的导电角度为180°，同一相上下桥臂交替导电，各相开始导电的时间依次相差120°。由于每次换流都在同一相上下桥臂之间进行，因此称为纵向换流。在一个周期内，六个管子触发导通的次序为Vl ～ V6 ，依次相隔60°，任意时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为V1V2V3、V2V3V4、V3V4V5、V4V5V6、V5V6V1和V6V1V2 ，每种组合工作60°电角度。
    下面分析各相负载相电压和线电压波形。设负载为星形联接，三相负载对称，中性点为N。图7.10给出了电压源型三相桥式变频电路的工作波形。
图7.10  电压源型三相桥式变频电路的工作波形
为了分析方便，将一个工作周期分成六个区域。
    在0 ＜ ωt ≤ ／3区域，给电力晶体管V1、V2、V3加有控制脉冲，即ug1 ＞0，ug2 ＞O，ug3 ＞0，
使V1、V2、V3同时导通，此时AB两点通过导通的V1、V3相当于同时接在电源的正极，而C点通过导通的V2接于电源的负极，所以该时区变频桥的等效电路如图7.11所示。
图7.11  V1、V2、V3同时导通时的等效电路
由此等效电路可得此时负载的线电压为
                           UAB = 0 ，UBC = +UD ，UCA = -UD 
式中UD为变频电路输入的直流电压。
    负载的相电压为
UAN = + UD/3 ，UBN = + UD/3，UCN = - 2UD /3
    在ωt = ／3 时，控制关断V1 ，控制导通V4 ，即在／3 ＜ωt ≤ 2／3区域，有V2、V3、V4同时导通，此时AC两点通过导通的V2、V4相当于同时接在电源的负极，而B点通过导通的V3接于电源的正极，所以该时区变频桥的等效电路如图7.12所示。
图7.12  V2、V3、V4同时导通时的等效电路
由此等效电路可得此时负载的线电压为
     
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