变频器的整流与逆变基本概念

    一般家用或工厂电气设备，多采用交流电源，但在这些设备的控制部分，也少不了要用直流。至于电视机、录音机、计算机等电子设备，它们的主要元器件，如IC电路、晶体管、显像管等，必须要用直流供电。此外，工业上的电解、电镀用电量特别大，是直流供电的大户。    把交流变为直流称为整流。电解或电镀厂必须配备的整流装置，通称整流器。一般情况用二极管即可进行整流，二极管是半导体元件中的一种，其特点是只能让一个方向的电流通过，故又称为整流元件，如图1-2所示。
    图1-2    二极管单向通电示意图    最常用的整流电路是“单向桥式整流电路”，其电路接线和工作原理如图1-3所示。交流电压u为正的期间，二极管VD1、VD2处于导通状态（记为ON），在负荷电阻R上加正电压u，ed=+u；而当u为负时，VD3、VD4导通；在负荷电阻R上加负电压，ed=-u。由于桥式接法使平均电压ed成为直流电压，R上流过直流电流。    由图1-3可见，ed是单一方向的整流电压，但存在较大的脉动电流。在很多情况下，这种脉动会对设备运行造成不良影响，必须增设滤波电路才能得到平滑的直流。    把直流变为交流电力的交换称为逆变(Inverter)，用于逆变的装置称为逆变器。逆变器是变频器的核心部件，其原理性电路如图1-4所示。
    图1-3    单相桥式整流电路
    图1-4    逆变器电路和原理    图中开关S1和S2可以任意接向十侧或一侧。如果像图1-4(b)所示控制S1和S2的动作，则对于负荷上的电压eL为矩形波的交流电压。该交流电压的频率取决于开关的切换速度。设开关正负切换一个周期的时间为T，则f=T/1，T越大，f越低，可以自由进行控制。    现在把图1-4的原理性电路进行实用化，把机械式的开关S1、S2用高速的电子开关代替，这类电力电子开关很多，有晶闸管(VS)、晶体管(GTR)等多个品种可供选用。    可选用一种控制极可关断的晶闸管(GTO)作为开关来构成逆变器电路。GTO元件如图1-5所示，它是一个三端的半导体整流元件，其阳极为A，阴极为K，控制极为G。从控制极流入正方向电流，则GTO为通态(ON)；而当加入反方向电流，则GTO为断态(OFF)。由于GTO的电流只能从A→K单方向流过，若要满足如图1-4的开关功能，则必须增加用二极管反并联的续流电路。    GTO控制原理的说明如图1-5所示，通过控制极电流的正负变化进行GTO的通断控制。
    图1-5    用GTO构成逆变器    GTO是一种半导体开关，ON、OFF的开关速度和寿命均比机械开关优越得多。此外，由于制造技术的进步，大容量的价格比较低的半导体器件层出不穷，促进了逆变器在各个领域广泛地得到应用。