變頻電路PPT課件

1、第7章 變頻電路 變頻電路 第7章 變頻電路 7.1 7.1 變頻電路的基本工作原理變頻電路的基本工作原理 7.2 7.2 諧振式變頻電路諧振式變頻電路 7.3 7.3 三相橋式變頻電路三相橋式變頻電路 7.4 7.4 交交交變頻電路交變頻電路 7.5 7.5 脈寬調制（脈寬調制（PWMPWM）型變頻電路）型變頻電路 習題及思考題習題及思考題 第7章 變頻電路 變頻電路 圖7-1（a）所示為單相橋式變頻電路，該圖中UD為通過整 流電路將交流電整流而得的直流電源，晶閘管V1、V4稱為正組， V2、V3稱為反組。當控制電路使V1、V4導通， V2、V3關斷時， 在輸出端獲得正向電壓uo；當控制電路

2、使V2、V3導通， V1、V4 關斷時， 輸出端獲得反向電壓uo ，即交替導通正組、反組的 晶閘管， 并且改變其導通關斷的頻率，就可在輸出端獲得頻 率不同的方波，其輸出波形如圖7-1（b）所示。如果改變正組 和反組的控制角的大小，則可實現(xiàn)對輸出電壓幅值的調節(jié)。 7.1 變頻電路的基本工作原理變頻電路的基本工作原理 第7章 變頻電路 變頻電路 圖 7-1 單相輸出交直交變頻電路 (a) 電路； (b) 輸出電壓 uo V 2 V 1 V 4 V 3 UD (a)(b) 0t uo 第7章 變頻電路 變頻電路 電路原理如圖7-2（a）所示。電路由具有相同特征的兩組 晶閘管整流電路反并聯(lián)構成，將其中

3、一組稱為正組整流器，另 外一組稱為反組整流器。如果正組整流器工作，反組整流器被 封鎖，負載端輸出電壓為上正下負；如果反組整流器工作，正 組整流器被封鎖，則負載端得到的輸出電壓為上負下正。這樣， 只要交替地以低于電源頻率切換正、反組整流器的工作狀態(tài)， 即可在負載端獲得交變的輸出電壓。 7.1.2 單相輸出交單相輸出交交變頻電路交變頻電路 第7章 變頻電路 變頻電路 圖 7-2 單相輸出交交變頻電路及波形圖(控制角不變) (a) 電路； (b) 輸出電壓 Z uo 正 組反 組 交 流 輸 入交 流 輸 入 (a)(b) 0t uo 反 組 通 正 組 通 第7章 變頻電路 變頻電路 如果在一個周

4、期內控制角是固定不變的，則輸出電壓波 形為矩形波，如圖7-2（b）所示。矩形波中含有大量的諧波， 對電機的工作不利。如果控制角不固定，在正組工作的半個 周期內讓控制角按正弦規(guī)律從90逐漸減小到0，然后再由 0逐漸增加到90，那么正組整流電路的輸出電壓的平均值就 按正弦規(guī)律變化?？刂平菑牧阍龃蟮阶畲?，然后從最大減小到 零，變頻電路輸出波形如圖7-3所示（三相交流輸入），該圖中 AG點為觸發(fā)控角的時刻。在反組工作的半個周期內采用同樣 的控制方法， 就可得到接近正弦波的輸出電壓。 第7章 變頻電路 變頻電路 圖 7-3 交交變頻電路的輸出波形(控制角變化) 0 A B C D E F G uaubu

5、cuaubucuaubucuaub 輸出電壓 p / 2 uo p 0 p / 2 t 平均輸出電壓 第7章 變頻電路 變頻電路 同交直交變頻電路相比， 交交變頻電路有以下優(yōu)缺點。 1 1 優(yōu)點優(yōu)點 (1）只有一次變流，且利用電網電源進行換流，不需要另 接換流元件，提高了變流效率。 (2） 可以很方便地實現(xiàn)四象限工作。 (3） 低頻時輸出波形接近正弦波。 7.1.3 兩種變頻電路的比較兩種變頻電路的比較 第7章 變頻電路 變頻電路 2 2 缺點缺點 (1） 接線復雜， 使用的晶閘管數目多。 (2） 受電網頻率和交流電路各脈沖數的限制， 輸出頻率低。 (3） 采用相控方式， 功率因數較低。 第7

6、章 變頻電路 變頻電路 由于上述的優(yōu)缺點，交交變頻電路主要用于500 kW或 1000 kW以上，轉速在600 r/min 以下的大功率、低轉速的交 流調速裝置中，目前已在礦石碎機、水泥球磨機、卷揚機、鼓 風機及軋鋼機主傳動裝置中獲得較多的應用。它既可用于異步 電動機傳動， 也可用于同步電動機傳動。 而交直交變頻電路主要用于金屬熔煉、感應加熱的中 頻電源裝置，可將蓄電池的直流電變換為50 Hz交流電的不停 電電源、變頻變壓電源（VVVF）和恒頻恒壓電源等。通常又將 交直交變頻電路稱為無源逆變電路。 第7章 變頻電路 變頻電路 7.2 諧振式變頻電路諧振式變頻電路 7.2.1 7.2.1 并聯(lián)諧

7、振式變頻電路并聯(lián)諧振式變頻電路 圖7-4所示電路即為并聯(lián)諧振變頻電路的主電路。L為負載， 換流電容C與之并聯(lián)，L1L4為四只電感量很小的電感，用于限 制晶閘管電流上升率di/dt；由三相可控整流電路獲得電壓連續(xù) 可調的直流電源UD，經過大電感LD濾波，加到由四個晶閘管組成 的變頻橋兩端，通過該變頻電路的相應工作，將直流電變換為 所需頻率的交流電供給負載。 上述變頻電路在直流環(huán)節(jié)中設置大電感濾波，使直流輸出 電流波形平滑，從而使變頻電路輸出電流波形近似于矩形。由 于直流回路串聯(lián)了大電感，故電源的內阻抗很大，類似于恒流 源， 因此這種變頻電路又被稱為電流源型變頻電路。 第7章 變頻電路 變頻電路

8、圖7-4 并聯(lián)諧振式變頻電路 L3 L4 V 2 V 4 LR C uo L1 L2 V 1 V 3 LD UD 第7章 變頻電路 變頻電路 圖7-4電路一般多用于金屬的熔煉、淬火及透熱的中頻 加熱電源。 當變頻電路中V1、V4和V2、V3兩組晶閘管以一定 頻率交替導通和關斷時， 負載感應線圈就流入中頻電流， 線圈中即產生相應頻率的交流磁通，從而在熔煉爐內的金屬 中產生渦流，使之被加熱至熔化。晶閘管交替導通的頻率接 近于負載回路的諧振頻率，負載電路工作在諧振狀態(tài)，從而 具有較高的效率。 第7章 變頻電路 變頻電路 圖7-5為變頻電路工作時晶閘管的換流過程。當晶閘管V1、 V4觸發(fā)時，負載L得到

9、左正右負的電壓，負載電流io的流向如圖 7-5（a）虛線所示。由于負載上并聯(lián)了換流電容C，L和C形成的 并聯(lián)電路可近似工作在諧振狀態(tài)，負載成容性，使io超前負載 電壓uo一個角度，負載中電流及電壓波形如圖7-6所示。當在 t2時刻觸發(fā)V2及V3晶閘管時，由于負載電壓uo的極性此時對V2及 V3而言為順極性，使iV2及iV3從零逐漸增大；反之因V2及V3的導 通，將uo電壓反加至V1及V4兩端，從而使iV1及iV4相應減小，在 t2t4時間內iV1和iV4從額定值減小至零，iV2和iV3則由零增加至 額定值， 電路完成了換流。 第7章 變頻電路 變頻電路 設換流期間時間為tr，從上述分析可見，t

10、r內四個晶閘管皆處 于導通狀態(tài)，由于大電感LD的恒流作用及時間tr很短，故不會 出現(xiàn)電源短路的現(xiàn)象。雖然在t4時刻V1及V4中的電流已為零， 但不能認為其已恢復阻斷狀態(tài)，此時仍需繼續(xù)對它們施加反壓， 施加反壓的時間應大于晶閘管的關斷時間tq，換流電容C的作用 即可以提供滯后的反向電壓，以保證V1及V4的可靠關斷，圖7-6 中t4至t5的時間即為施加反壓的時間。根據上述分析，為保證 變頻電路可靠換流，必須在中頻電壓uo過零前的tf時刻去觸發(fā) V2及V3，tf應滿足下式要求 qfrf tKtt 式中Kf為大于1的系數，一般取23，tf稱為觸發(fā)引前時間。 第7章 變頻電路 變頻電路 負載的功率因數角

11、由負載電流與電壓的相位差決定，從 圖7-6可知： t tr 2 ,其中為電路的工作頻率。 第7章 變頻電路 變頻電路 圖 7-5 變頻器的換流過程 (a) V1 , V4觸發(fā)； (b) 換流； (c) V2 , V3導通 V2 V4 L，R C V1 V3 UD ID io (a) (b)(c) V2 V4 L，R C V1 V3 UD ID io V2 V4 L，R C V1 V3 UD ID io 第7章 變頻電路 變頻電路 圖7-6 并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形 0 u g1,4 t 0 u g2,3 t 0 i V iV1iV4iV2iV3 tt r 0 io t1t2 t3 t4 t5

12、 T / 2 t 0 u o t 第7章 變頻電路 變頻電路 在變頻電路的直流側并聯(lián)一個大電容C， 用電容儲能來緩 沖電源和負載之間的無功功率傳輸。從直流輸出端看，電源因 并聯(lián)大電容，其等效阻抗變得很小，大電容又使電源電壓穩(wěn)定， 因此具有恒電壓源特點，變頻電路輸出電壓接近矩形波，這種 變頻電路又被稱為電壓源型變頻電路。 圖7-7給出了串聯(lián)諧振式變頻電路的電路結構，其直流側采 用不可控整流電路和大電容濾波，從而構成電壓源型變頻電路。 電路為了續(xù)流，設置了反并聯(lián)二極管VD1VD4, 補償電容C和負 載電感線圈構成串聯(lián)諧振電路。為了實現(xiàn)負載換流，要求補償 以后的總負載呈容性, 即負載電流io超前負載

13、電壓uo的變化。 7.2.2 串聯(lián)諧振式變頻電路串聯(lián)諧振式變頻電路 第7章 變頻電路 變頻電路 電路工作時，變頻電路頻率接近諧振頻率，故負載對基 波電壓呈現(xiàn)低阻抗，基波電流很大，而對諧波分量呈現(xiàn)高阻 抗，諧波電流很小，所以負載電流基本為正弦波。另外，還 要求電路工作頻率低于電路的諧振頻率， 以使負載電路呈 容性， 負載電流io超前電壓uo，以實現(xiàn)換流。 第7章 變頻電路 變頻電路 圖 7-7 串聯(lián)諧振式變頻電路 UDCD V 1 VD1 A V 3 VD2 RLC V 2 VD3 V 4 VD4 B uo io 第7章 變頻電路 變頻電路 圖7-8 串聯(lián)諧振式逆變電路工作波形 0 u g1,4

14、 t 0 u g2,3 t tr 0 u AB U D UD t 0 i o t1t2 t3t4 t 導 通 器 件 V1 V4 VD 1 VD 4 V2 V3 VD 2 VD 3 V1 V4 第7章 變頻電路 變頻電路 圖7-8為電路輸出電壓和電流波形。設晶閘管V1、V4導通， 電流從A流向B，uAB左正右負。由于電流超前電壓，當tt1時， 電流io為零，當tt1時，電流反向。由于V2、V3未導通，反向 電流通過二極管VD1、VD4續(xù)流，V1、V4承受反壓關斷。當tt2時， 觸發(fā)V2、V3，負載兩端電壓極性反向，即uAB左負右正，VD1、VD4 截止，電流從V2、V3中流過。當tt3時，電流

15、再次反向， 電流 通過VD2、VD3續(xù)流，V2、V3承受反壓關斷。當tt4時， 再觸發(fā) V2、V3。二極管導通時間tf即為晶閘管反壓時間，要使晶閘管可 靠關斷，tf應大于晶閘管關斷時間tq。 串聯(lián)諧振式變頻電路啟動和關斷容易，但對負載的適應性 較差。當負載參數變化較大且配合不當時，會影響功率輸出。 因此，串聯(lián)變頻電路適用于淬火熱加工等需要頻繁啟動，負載 參數變化較小和工作頻率較高的場合。 第7章 變頻電路 變頻電路 7.3.1 7.3.1 電壓源型橋式變頻電路電壓源型橋式變頻電路 電路結構如圖7-9所示。該圖中用六個大功率晶體管（GTR） 作為可控元件， V1與V4、V3與V6、V5與V2構成

16、三對橋臂，二極 管VD1VD6為續(xù)流二極管。 電壓源型三相橋式變頻電路的基本工作方式為180導電 型，即每個橋臂的導電角度為180，同一相上下橋臂交替導 電，各相開始導電的時間依次相差120。由于每次換流都在 同一相上下橋臂之間進行，因此稱為縱向換流。在一個周期內， 六個管子觸發(fā)導通的次序為V1V6，依次相隔60，任意時刻 均有三個管子同時導通，導通的組合順序為V1V2V3、V2V3V4, V3V4V5 , V4V5V6 , V5V6V1和V6V1V2，每種組合工作60電角度。 7.3 三相橋式變頻電路三相橋式變頻電路 第7章 變頻電路 變頻電路 VD5V 5 Za Zb Zc N VD2V

17、2 C VD3V 3 VD6V 6 VD1V 1 VD4V 4 B A UD 圖7-9 電壓源型三相橋式變頻電路 第7章 變頻電路 變頻電路 0t u AB U D U D 0t u g6 0t u g5 0t u g4 0t u g3 0t u g2 0t u g1 123456 圖 7-10 電壓源型變頻電路工作波形 第7章 變頻電路 變頻電路 0t u CN 0t u BN 0t u AN 0t u CA 0t u BC 圖 7-10 電壓源型變頻電路工作波形 第7章 變頻電路 變頻電路 為了分析方便，將一個工作周期分成六個區(qū)域。 在0t/3區(qū)域，給電力晶體管V1、V2、V3加有控制 脈

18、沖，即ug10，ug20，ug30，使V1、V2、V3同時導通， 此時AB兩點通過導通的V1、V3相當于同時接在電源的正極， 而C點通過導通的V2接于電源的負極，所以該時區(qū)變頻橋的等 效電路如圖7-11所示。 第7章 變頻電路 變頻電路 圖 7-11 V1、V2、V3導通時的等效電路 ZbZa N Zc AB C UD 第7章 變頻電路 變頻電路 由此等效電路可得此時負載的線電壓為 UAB0 UBCUD UCA-UD 式中UD為變頻電路輸入的直流電壓。 第7章 變頻電路 變頻電路 負載的相電壓為 3 2 3 3 D CN D BN D AN U U U U U U 第7章 變頻電路 變頻電路

19、在t/3時，關斷V1，控制導通V4，即在/3 t2/3區(qū)域有V2、V3、V4同時導通，此時AC兩點通過導通 的V4、V2相當于同時接在電源的負極，而B點通過導通的V3接 于電源的正極，所以該時區(qū)變頻橋的等效電路如圖7-12所示。 由此等效電路可得此時負載的線電壓為 0 CA DBC DAB U UU UU 第7章 變頻電路 變頻電路 負載的相電壓為 3 3 2 3 D CN D BN D AN U U U U U U 第7章 變頻電路 變頻電路 Zb ZaZc A B C UD 圖7-12 V2、V3、V4 導通時的等效電路 第7章 變頻電路 變頻電路 從圖7-10可以看出，負載線電壓為120

20、正、負對稱的矩 形波，相電壓為180正、負對稱的階梯波。三相負載電壓 相位相差120。由于每個控制脈沖的寬度為180，因此每 個開關元件的導通寬度也為180。如果改變控制電路中一 個工作周期T的長度， 則可改變輸出電壓的頻率。 第7章 變頻電路 變頻電路 對于180導電型變頻電路，由于是縱向換流，存在著同 一橋臂上的兩個元件一個關斷，同時另一元件導通的時刻， 例如，在t/3時，要關斷V1， 同時控制導通V4，所以 為了防止同相上、下橋臂同時導通而引起直流電源的短路， 必須采取先斷后通的方法，即上、下橋臂的驅動信號之間必 須存在死區(qū)， 即兩個元件同時處于關斷狀態(tài)。 第7章 變頻電路 變頻電路 表

21、表7-1 7-1 三相變頻橋工作狀態(tài)表三相變頻橋工作狀態(tài)表 第7章 變頻電路 變頻電路 除180導電型外，三相橋式變頻電路還有120導電型的 控制方式， 即每個橋臂導通120，同一相上、下兩臂的導通 有60的間隔， 各相導通依次相差120。120導通型不存 在上、下開關元件同時導通的問題， 但當直流電壓一定時， 其輸出交流線電壓有效值比180導通型低得多，直流電源電 壓利用率低。因此，一般電壓源型三相變頻電路都采用180 導電型控制方式。 改變變頻橋晶體管的觸發(fā)頻率或者觸發(fā)順序（V6V1）， 能改變輸出電壓的頻率及相序，從而可實現(xiàn)電動機的變頻調速 與正反轉。 若采用晶閘管作為變頻橋的開關元件，

22、 必須附加換流電路。 第7章 變頻電路 變頻電路 圖 7-13 電流源型三相橋式變頻電路 V 5 VD5 Za Zb Zc N ic V 2 VD2 V 3 VD3 V 6 VD6 V 1 VD1 V 4 VD4 LD ib ia ID UD 7.3.2 電流源型三相橋式變頻電路電流源型三相橋式變頻電路 第7章 變頻電路 變頻電路 電流源型三相橋式變頻電路的基本工作方式是120導通方 式，每個可控元件均導通120，與三相橋式整流電路相似， 任意瞬間只有兩個橋臂導通。導通順序為V1V6， 依次相隔 60, 每個橋臂導通120，這樣，每個時刻上橋臂組和下橋臂 組中都各有一個臂導通。 換流時，在上橋

23、臂組或下橋臂組內依 次換流， 稱為橫向換流， 所以即使出現(xiàn)換流失敗，即出現(xiàn)上 橋臂（或下橋臂）兩個IGBT同時導通的時刻， 也不會發(fā)生直流 電源短路的現(xiàn)象，上、下橋臂的驅動信號之間不必存在死區(qū)。 第7章 變頻電路 變頻電路 圖7-14 電流源型變頻電路工作波形 0 t ID ID ia 0t ib 0t ic 導 通 元 件 V6 V1 V1 V2 V2 V3 V3 V4 V4 V5 V5 V6 V1 V2 V2 V3 V3 V4 V6 V1 第7章 變頻電路 變頻電路 （1） 0t/3， 已控制導通開關元件V1、V6，此時 電源電流通過V1、Za、Zb、V6構成閉合回路。負載上分別有電 流i

24、a、ib流過，由于電路的直流側串入了大電感LD，使負載電 流波形基本無脈動，因此電流ia、ib為方波輸出，其中ia與圖 7-13所示的參考方向一致為正，ib與圖示方向相反為負, 負載 電流ic0。 在t/3 時，驅動控制電路使V6關斷，V2導 通， 進入下一個時區(qū)。 第7章 變頻電路 變頻電路 （2）/3t2/3，此時導通的開關元件為V1、V2。 電源電流通過V1、Za、Zc、V2構成閉合回路。形成負載電流 ia、ic為方波輸出，其中ia與圖7-13所示的參考方向一致為正， ic與圖示方向相反為負, 負載電流ib0。在t2/3時， 驅動控制電路使V1關斷， V3導通， 進入下一個時區(qū)。 （3）

25、/3t，此時導通的開關元件為V2、V3。電 源電流通過V3、 Zb、 Zc、 V2構成閉合回路。形成負載電流ib、 ic為方波輸出，其中ib與圖7-13所示的參考方向一致為正，ic 與圖示方向相反為負, 負載電流ia0。 在t時，驅動 控制電路使V2關斷，V4導通， 進入下一個時區(qū)。 第7章 變頻電路 變頻電路 由圖7-14可以看出，每個IGBT導通的電角度均為120， 任一時刻只有兩相負載上有電流流過，總有一相負載上的電流 為零，所以每相負載電流波形是斷續(xù)、正負對稱的方波，將此 波形的平均值展開成傅氏級數有 ttt I I D 5sin 5 1 3sin 3 1 sin 32 0 輸出電流的

26、基波有效值I1和直流電流的關系為 DD III78. 0 6 1 第7章 變頻電路 變頻電路 由上式可以看出，電流波形正、負半周對稱，因此電流 諧波中只有奇次諧波，沒有偶次諧波。以三次諧波所占比重 最大。由于三相負載沒有接零線，故無三次諧波電流流過電 源，減少了諧波對電源的影響。由于沒有偶次諧波， 如果三 相負載是交流電動機，則對電機的轉矩也無影響。 第7章 變頻電路 變頻電路 電流源型三相橋式變頻電路的輸出電流波形與負載性質 無關, 輸出電壓波形由負載的性質決定。如果是感性負載， 則負載電壓的波形超前電流的變化，近似成三角波或正弦波。 同樣，如果改變控制電路中一個工作周期T的長度，則 可改變

27、輸出電流的頻率。 第7章 變頻電路 變頻電路 IGBT具有開關特性好，開關速度快等特性，但它的反向 電壓承受能力很差，其反向阻斷電壓UBM只有幾十伏。為了避 免它們在電路中承受過高的反向電壓，圖中每個IGBT的發(fā)射 極都串有二極管，即VD1VD6。 它們的作用是，當IGBT承受 反向電壓時，由于所串二極管同樣也承受反向電壓， 二極管 呈反向高阻狀態(tài)，相當于在IGBT的發(fā)射極串接了一個大的分 壓電阻， 從而減小了IGBT所承受的反向電壓。 第7章 變頻電路 變頻電路 1 1 電壓源型變頻電路的主要特點電壓源型變頻電路的主要特點 （1） 直流側接有大電容，相當于電壓源，直流電壓基本 無脈動， 直流

28、回路呈現(xiàn)低阻抗狀態(tài)。 （2） 由于直流電壓源的箝位作用，交流側電壓波形為矩 形波，與負載阻抗角無關，而交流側電流波形因負載阻抗角的 不同而不同， 其波形接近三角波或正弦波。 （3） 當交流側為電感性負載時需提供無功功率，直流 側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋能 量提供通道，各臂都并聯(lián)了續(xù)流二極管。 7.3.3 兩種變頻電路的特點兩種變頻電路的特點 第7章 變頻電路 變頻電路 （4） 變頻電路從直流側向交流側傳送的功率是脈動的， 因直流電壓無脈動，故功率的脈動是由直流電流的脈動來體 現(xiàn)的。 （5） 當變頻電路的負載是電動機時，如果電動機工作在 再生制動狀態(tài)，就必須向交流電源反

29、饋能量。因直流側電壓 方向不能改變，只能靠改變直流電流的方向來實現(xiàn)，這就需 要給電路再反并聯(lián)一套變頻橋， 這將使電路變得復雜。 第7章 變頻電路 變頻電路 2 電流源型變頻電路的主要特點電流源型變頻電路的主要特點 （1） 直流側接有大電感，相當于電流源，直流電流基本 無脈動， 直流回路呈現(xiàn)高阻抗狀態(tài)。 （2） 由于各開關器件主要起改變直流電流流通路徑的作 用， 故交流側電流為矩形波，與負載性質無關， 而交流側 電壓波形因負載阻抗角的不同而不同。 （3） 直流側電感起緩沖無功能量的作用，因電流不能反 向， 故可控器件不必反并聯(lián)二極管。 （4） 當變頻電路的負載為電動機時，若變頻電路中的 交直變換

30、是可控整流時，則可很方便地實現(xiàn)再生制動，不 需另加一套變頻橋。 第7章 變頻電路 變頻電路 7.4.1 7.4.1 方波型交方波型交交變頻電路交變頻電路 1 1 單相負載單相負載 方波形交交變頻電路單相負載的電路原理圖見圖7-2， 具體內容參見7.1.2節(jié)。 7.4 交交交變頻電路交變頻電路 第7章 變頻電路 變頻電路 2 2 三相負載三相負載 三相方波型交交變頻電路的主電路如圖7-15所示。它 的每一相由兩組反并聯(lián)的三相零式整流電路組成，這種連接 方式又稱為公共交流母線進線方式。 整流器、為 正組 、 、 為反組。 每個正組由1、 3、 5晶閘管 組成， 每個反組由4、 6、 2晶閘管組成。

31、因此， 變頻電 路中的換流應分成組與組之間換流和組內換流兩種情況。 第7章 變頻電路 變頻電路 圖 7-15 三相方波型交交變頻電路 531 Za Zb Zc N ic C 264 531 ib B 264 531 ia A 264 a b c 第7章 變頻電路 變頻電路 組與組之間的換流順序為、 、 、 、 、 、 ； 組內換流的順序為1、 2、 3、 4、 5、 6、 1。 為了 在負載上獲得三相互差T/3（T為輸出電壓的周期）的電壓 波形， 任何時候都應有一正一負兩組同時導通，所以每組導 電時間也應為T/3，并每隔T/6換組一次。 雖然同一時刻應 有一個正組和一個反組同時導通，但不允許同

32、一橋臂上的正、 反組同時導通，例如組和同時導通， 否則將會造成電源 短路。 每組橋內晶閘管按1、 2、 3、 4、 5、 6、 1順序換 流， 各組及組內導電次序如圖7-16所示。 第7章 變頻電路 變頻電路 圖 7-16 變頻電路各組的導電次序 62 64 531 V 264 IV 531 III 264 II 531 I T 第7章 變頻電路 變頻電路 先由圖7-16來分析組與組之間的換流情況。假設在第一個 T/3的開始時刻，第組開始導通，而第組已經導通了T/6的 時間，即此時為第組和第組同時導通；經過T/6 后，組 已導通了T/3的時間，所以開始換流，組關閉，組導通， 此時是第組和第組同

33、時導通；再經過T/6的時間，第組 已導通了T/3的時間，又進行另一次換流，換為第組，此時 是第組和第組同時導通；以此類推，其它各組的換流情況 同上。 為了保證任何時刻都有兩組同時導通，換流只在導通 的兩組中的一組進行，一組導通T/6后，另一組換流，不可能 出現(xiàn)兩組同時換流的現(xiàn)象。組與組之間的換流由控制電路中的 選組脈沖實現(xiàn)。 第7章 變頻電路 變頻電路 再來分析每組橋內晶閘管的換流情況。由于此電路共由 18個晶閘管組成，任何時候都應有兩個晶閘管同時導通， 因 此在一個周期T內，每個晶閘管導通的時間為T/9，同組晶閘 管之間的換流與組與組之間的換流情況相似，兩個導通的晶 閘管中，其中一個導通一半

34、的時間，即T/18時進行組內換流， 所以每隔T/18的時間換流一次。以第組和第組導通時為 例來說明組內之間的換流。 第7章 變頻電路 變頻電路 在T/6時刻有3、 4兩個晶閘管導通，經過T/18后，第 組組內換流， 3關斷5導通，此時為4、5晶閘管導通； 再過 T/18， 4已導通了T/9的時間， 第組組內換流，4關斷，6 導通，此時為5、 6導通。 其它各組的組內晶閘管的換流方 式相同。 組內各晶閘管的換流是由控制電路中的移相脈沖來 實現(xiàn)的。 在電路中串接濾波電感，就形成電流源型變頻電路。三 相零式整流電路需18個晶閘管元件，若采用三相橋式接法， 則需要36個晶閘管元件。 第7章 變頻電路

35、變頻電路 圖 7-17 交交變頻電路導通次序及電流波形 0 u u A u B u C u A u B u C u A u B u C u A u B 電 源 電 壓 移 相 脈 沖 選 組 脈 沖 135 624 135 624 135 624 13 624 正 組 反 組 t t0 iA 0 iB t t iC 0 負 載 電 流 正 組 反 組 第7章 變頻電路 變頻電路 以A相負載的波形為例來說明。由圖7-15所示電路可知， 如果A相負載中有電流通過，必定是組和其它各組配合導通 或者是組和其它各組配合導通時，所以由圖7-17可以看出， 在組導通的T/3時間內，A相負載上有正相電流， 且

36、導通 120（T/3）時間； 在第組導通時， A相負載上有負電流 通過，也導通120（T/3）時間。 由于組晶閘管依 次各導通120（T/3）， 又因是電流源型變頻電路，所以其 它兩相負載電流同A相一樣， 也是持續(xù)120的方波。 第7章 變頻電路 變頻電路 在每一個120的時間內，都實現(xiàn)了組內16晶閘管之間 的換流， 電源電流就正好變換一周。 三個120的時間內， 電源電流變換三周， 所以電源頻率是負載電流頻率的三倍， 即系統(tǒng)輸出頻率為電源頻率的1/3， 實現(xiàn)了變頻。 上述電路中，由于輸出電壓為方波，其中含有較多諧波， 對負載不利。 為了克服這一缺點， 可采用正弦型交交變 頻電路， 使輸出電壓

37、的平均值按正弦規(guī)律變化。 第7章 變頻電路 變頻電路 1 1 輸出正弦波的調節(jié)方法輸出正弦波的調節(jié)方法 在圖7-15所示的交交變頻電路中，其輸出電壓在半個 周期中的平均值取決于變頻電路的控制角。 如果在半個周 期中控制角是固定不變的，則輸出電壓在半個周期中的平均 值是一個固定值。如果在半個周期中使導通組變頻電路的控制 角如圖7-3所示變化, 由/2（A點）逐漸減小到零（G點）， 然后再逐漸由0增加到/2， 即角在/20之間來回 變化（分別為B、 C、 D、 E、 F各點）， 那么變頻電路在半 個周期中輸出電壓的平均值就從0變到最大再減小到0，可獲得 按正弦規(guī)律變化的平均電壓。 7.4.2 正弦

38、波型交正弦波型交交變頻電路交變頻電路 第7章 變頻電路 變頻電路 2 2兩組變頻電路的工作狀態(tài)兩組變頻電路的工作狀態(tài) 圖 7-18 交交變頻電路 (a) 電路； (b) 電流波形 u i uPuN iPiN (a)(b) i u ui 0t1t2t3 t4t5 t 0 0 iP iN t t 逆 變整 流阻 斷 逆 變整 流阻 斷 正 組 狀 態(tài) 反 組 狀 態(tài) 第7章 變頻電路 變頻電路 通常,負載是感性的, 負載電壓與電流的波形如圖7-18（b） 所示。功率因數角為時，兩組變頻電路的工作狀態(tài)是：在負 載電流的正半周（t1t3），由于整流器的單向導電性，正組 變頻電路有電流流過，反組變頻電路

39、被阻斷。但在正組變頻電 路導通的t1t2階段，正組變頻電路輸出電壓、電流都為正時， 它工作在整流狀態(tài)。而在t2t3階段，負載電流方向未改變， 但輸出電壓方向卻已變負，正組變頻電路處于逆變狀態(tài)。 在 t3t4階段，負載電流反向，正組變頻電路阻斷，反組變頻電 路工作，由于輸出電壓、輸出電流均為負，故反組變頻電路處 于整流狀態(tài)。 在t4t5階段，電流方向未變，但輸出電壓反向， 反組變頻電路處于逆變狀態(tài)。 第7章 變頻電路 變頻電路 根據以上分析可得出：哪組變頻電路應導通是由電流的方 向所決定的，而與電壓的極性無關。 對于感性負載， 兩組 變頻電路均存在整流和逆變兩種工作狀態(tài)。 至于哪組變頻電 路是工

40、作在整流還是逆變狀態(tài)，應視輸出電壓與電流是極性 相同還是相反而定。實際變頻電路輸出電壓波形由電源電壓 的若干片段拼湊而成，如圖7-19（a）所示。 第7章 變頻電路 變頻電路 變頻電路在感性負載下工作時，正組橋和反組橋均存在 整流和逆變兩種工作狀態(tài)，當控制角處于/20時， 整流電壓上部面積大于下部面積，平均電壓為正，正組變頻 電路工作于整流狀態(tài)；當/2時， 整流電壓上部面 積小于下部面積，平均電壓為負， 正組變頻電路工作于變頻 狀態(tài)。圖7-19給出了正組（共陰極）輸出的電壓波形， 反組 變頻電路（共陽極）工作狀態(tài)與正組相似。 這樣， 負載上 電壓的波形就由正組整流、 逆變和反組整流、 逆變四種

41、波 形組合而成。 第7章 變頻電路 變頻電路 圖 7-19 正組橋輸出電壓波形 (a) 整流狀態(tài)； (b) 逆變狀態(tài)； (c) 控制角連續(xù)變化時的輸出電壓波形 uo 輸出電壓 p 0 平均輸出電壓 p / 2 (a)(b) (c) 輸出電壓 p / 2 p / 2 p 第7章 變頻電路 變頻電路 調節(jié)控制角的深度，使角由/2到0的某一值 再回到/2連續(xù)變化，可方便地調節(jié)輸出電壓幅值。 當控制 正、 反組變頻電路導通的頻率時， 即可改變輸出電壓的頻 率。 顯然，這種電路的輸出電壓頻率小于電源頻率。 只要調節(jié)圖7-15中每組整流電路的控制角由/2到 0的某一值再回到/2連續(xù)變化，負載上就可獲得三相

42、正 弦電壓波形。 第7章 變頻電路 變頻電路 7.5 脈寬調制（脈寬調制（PWM）型變頻電路）型變頻電路 1 1 脈寬調制變頻電路的基本工作原理脈寬調制變頻電路的基本工作原理 脈寬調制變頻電路簡稱PWM變頻電路，常采用電壓源型交 直交變頻電路的形式，其基本原理是控制變頻電路開關元件 的導通和關斷時間比（即調節(jié)脈沖寬度）來控制交流電壓的大 小和頻率。下面以單相PWM變頻電路為例來說明其工作原理。 圖7-20為單相橋式變頻電路的主電路，由三相橋式整流電路獲 得一恒定的直流電壓，由四個全控型大功率晶體管V1V4作為開 關元件，二極管VD1VD4是續(xù)流二極管，為無功能量反饋到直 流電源提供通路。 7.

43、5.1 7.5.1 脈寬調制變頻電路概述脈寬調制變頻電路概述 第7章 變頻電路 變頻電路 圖 7-20 單相橋式PWM變頻電路 VD3 V 3 LR VD1 V 1 uo VD4 VD2 Ud A B C 調 制 電 路 ug1 ug2 ug3 ug4 ur uc 信 號 波 載 波 ug1ug3 V 2 ug2 V 4 ug4 第7章 變頻電路 變頻電路 當改變V1、V2、V3、V4導通時間的長短和導通的順序時， 可得出圖7-21所示不同的電壓波形。圖7-21（a）為180導 通型輸出方波電壓波形，即V1、V4組和V2、V3組各導通T/2的時 間。 若在正半周內，控制V1、V4和V2、V3輪

44、流導通（同理在負 半周內控制V2、V3和V1、V4輪流導通），則在V1、V4和V2、V3分 別導通時，負載上獲得正、負電壓； 在V1、V3和V2、V4導通時， 負載上所得電壓為零, 如圖7-21（b）所示。 第7章 變頻電路 變頻電路 若在正半周內，控制V1、V4導通和關斷多次，每次導通和 關斷時間分別相等（負半周則控制V2、V3導通和關斷）， 則 負載上得到圖7-21（c）所示的電壓波形。 若將以上這些波形分解成傅氏級數，可以看出，其中諧 波成分均較大。 圖7-21（d）所示波形是一組脈沖列，其規(guī)律是：每個輸 出矩形波電壓下的面積接近于所對應的正弦波電壓下的面積。 這種波形被稱之為脈寬調制波

45、形，即PWM波。由于它的脈沖寬 度接近于正弦規(guī)律變化，故又稱之為正弦脈寬調制波形， 即 SPWM。 第7章 變頻電路 變頻電路 根據采樣控制理論，脈沖頻率越高，SPWM波形便越接近于 正弦波。 變頻電路的輸出電壓為SPWM波形時，其低次諧波得到 很好的抑制和消除， 高次諧波又很容易濾去，從而可獲得畸變 率極低的正弦波輸出電壓。 由圖7-21（d）可看出，在輸出波形的正半周，V1、V4導通 時有輸出電壓，V1、V3導通時輸出電壓為零， 因此， 改變半個 周期內V1、V3 、V4導通關斷的時間比， 即脈沖的寬度，即可實 現(xiàn)對輸出電壓幅值的調節(jié)（負半周，調節(jié)半個周期內V2、V3和V2、 V4導通關斷

46、的時間比）。因V1、V4導通時輸出正半周電壓，V2、 V3導通時輸出負半周電壓，所以可以通過改變V1、V4和V2、V3交 替導通的時間來實現(xiàn)對輸出電壓頻率的調節(jié)。 第7章 變頻電路 變頻電路 圖 7-21 單相橋式變頻電路的幾種輸出波形 0 uo 0 uo 0 0 u o t t t t uo (a) (b) (c) (d) V1V4導 通 V2V3導 通 V1V4 導 通 V1V3 導 通 V2V3 導 通 V2V4 導 通 第7章 變頻電路 變頻電路 2 2 脈寬調制的控制方式脈寬調制的控制方式 PWM控制方式就是對變頻電路開關器件的通斷進行控制， 使主電路輸出端得到一系列幅值相等而寬度不

47、相等的脈沖， 用這些脈沖來代替正弦波或者其它所需要的波形。從理論上講， 在給出了正弦波頻率、幅值和半個周期內的脈沖數后，脈沖波 形的寬度和間隔便可以準確計算出來。然后按照計算的結果控 制電路中各開關器件的通斷， 就可以得到所需要的波形。但 在實際應用中，人們常采用正弦波與等腰三角波相交的辦法來 確定各矩形脈沖的寬度和個數。 第7章 變頻電路 變頻電路 等腰三角波上下寬度與高度成線性關系且左右對稱，當 它與任何一個光滑曲線相交時，就可得到一組等幅而脈沖寬 度正比該曲線函數值的矩形脈沖，這種方法稱為調制方法。 希望輸出的信號為調制信號，用ur表示，把接受調制的三角 波稱為載波，用uc表示。當調制信

48、號是正弦波時，所得到的 便是SPWM波形，如圖7-22 所示。當調制信號不是正弦波時， 也能得到與調制信號等效的PWM波形。 第7章 變頻電路 變頻電路 圖7-22 單極性PWM控制方式原理圖 0 u u c u r u o u of t 0t u 第7章 變頻電路 變頻電路 輸出為單相電壓時的電路稱為單相PWM變頻電路。該電路 的原理圖如圖7-20所示。該圖中載波信號uc在信號波的正半周 時為正極性的三角波，在負半周時為負極性的三角波，調制信 號ur和載波uc的交點時刻控制變頻電路中大功率晶體管V3、V4 的通斷。各晶體管的控制規(guī)律如下： 在ur的正半周期，保持V1導通，V4交替通斷。當ur

49、uc時， 使V4導通，負載電壓uoUD；當uruc時，使V4關斷，由于電感 負載中電流不能突變，負載電流將通過VD3續(xù)流，負載電壓uo 0。 7.5.2 單相單相PWM變頻電路變頻電路 第7章 變頻電路 變頻電路 在ur的負半周期，保持V2導通，V3交替通斷。當uruc時， 使V3導通，負載電壓uo-UD；當ur uc時， 使V3關斷，負載 電流將通過VD4續(xù)流，負載電壓uo0。 這樣，便得到uo的SPWM波形，如圖7-22所示，該圖中uof表 示uo中的基波分量。像這種在ur的半個周期內三角波只在一個 方向變化，所得到的PWM波形也只在一個方向變化的控制方式 稱為單極性PWM控制方式。 第7

50、章 變頻電路 變頻電路 調節(jié)調制信號ur的幅值可以使輸出調制脈沖寬度作相應變 化，這能改變變頻電路輸出電壓的基波幅值，從而可實現(xiàn)對輸 出電壓的平滑調節(jié)； 改變調制信號ur的頻率則可以改變輸出電 壓的頻率，即可實現(xiàn)電壓、頻率的同時調節(jié)。所以，從調節(jié)的 角度來看，SPWM變頻電路非常適用于交流變頻調速系統(tǒng)中。 與單極性PWM控制方式對應，另外一種PWM控制方式稱為雙 極性PWM控制方式。其頻率信號還是三角波， 基準信號是正弦 波時，它與單極性正弦波脈寬調制的不同之處在于它們的極性 隨時間不斷地正、負變化，如圖7-23 所示，不需要如上述單極 性調制那樣加倒向控制信號。 第7章 變頻電路 變頻電路

51、圖7-23 雙極性PWM控制方式原理圖 0 u u r u c t t0 u o UD U D 第7章 變頻電路 變頻電路 單相橋式變頻電路采用雙極性控制方式時的PWM波形 如圖7-23所示，各晶體管控制規(guī)律如下： 在ur的正負半周內，對各晶體管控制規(guī)律與單極性控 制方式相同，同樣在調制信號ur和載波信號uc的交點時刻 控制各開關器件的通斷。當ur uc時，使晶體管V1、V4導 通，V2、V3關斷， 此時uoUD；當ur uc時，使晶體管V2、 V3導通，V1、V4關斷， 此時uo-UD。 第7章 變頻電路 變頻電路 在雙極性控制方式中，三角載波在正、負兩個方向變化， 所得到的PWM波形也在正

52、、負兩個方向變化，在ur的一個周期 內，PWM輸出只有UD兩種電平，變頻電路同一相上、下兩臂 的驅動信號是互補的。在實際應用時，為了防止上、下兩個橋 臂同時導通而造成短路，在給一個臂的開關器件加關斷信號， 必須延遲t時間，再給另一個臂的開關器件施加導通信號， 即有一段四個晶體管都關斷的時間。延遲時間t的長短取決 于功率開關器件的關斷時間。需要指出的是，這個延遲時間將 會給輸出的PWM波形帶來不利影響， 使輸出偏離正弦波。 第7章 變頻電路 變頻電路 圖7-24給出了電壓型三相橋式PWM變頻電器, 其控制方式為雙 極性方式。A、B、C三相的PWM控制共用一個三角波信號uc，三 相調制信號urA、

53、urB、urC分別為三相正弦波信號，三相調制信 號的幅值和頻率均相等，相位依次相差120。A、B、 C三相 的PWM控制規(guī)律相同?，F(xiàn)以A相為例，當urAuc時，使V1導通， V4關斷；當urAuc時，使V1關斷，V4導通。V1、V4的驅動信號始 終互補。三相正弦波脈寬調制波形如圖7-25所示。 由圖可以 看出，任何時刻始終都有兩相調制信號電壓大于載波信號電壓， 即總有兩個晶體管處于導通狀態(tài)，所以負載上的電壓是連續(xù)的 正弦波。其余兩相的控制規(guī)律與A相相同。 7.5.3 三相橋式三相橋式PWM變頻電路變頻電路 第7章 變頻電路 變頻電路 圖 7-24 三相橋式PWM變頻電路 VD5 負 載 VD

54、2 VD3 VD6 VD1V1 VD 4 調 制 電 路 C Ud urA urB urC uc ug1 V3 ug3 V5 ug5 V2V6V4 ug2ug6ug4 第7章 變頻電路 變頻電路 0 u u c u r t 0 u A t 0 u B t 0t u C 圖 7-25 三相雙極性PWM波形 第7章 變頻電路 變頻電路 HEF4725是全數字化的生成三相SPWM波的集成電路。這種芯 片既可以用于有換流電路的三相晶閘管變頻電路，也可用于由全 控型開關器件構成的變頻電路。 對于后者，可輸出三相對稱的 SPWM波控制信號，調頻范圍為0200 Hz。 由于它生成的SPWM波 最大開關頻率比

55、較低，一般在1 kHz以下， 所以較適于以BJT或 GTO為開關器件的變頻電路，而不適于IGBT變頻電路。 HEF4725采用標準的28腳雙列直插式封裝，芯片用5 V（有的 10 V）電源，可提供三組相位互差120的互補輸出SPWM控制脈 沖，以供驅動變頻電路的六個功率開關器件產生對稱的三相輸出。 當用晶閘管時，需附加產生三對互補換流脈沖，用以控制換流電 路中的輔助晶閘管。 7.5.4 專用大規(guī)模集成電路芯片形成專用大規(guī)模集成電路芯片形成SPWM波波 第7章 變頻電路 變頻電路 它的內部邏輯框圖和管腳示于圖7-26。它由三個計數器、 一 個譯碼器、三個輸出口和一個試驗電路組成。三個輸出口分別對

56、應 于變頻電路的R、Y、 B（相當于A、 B、 C）三相，每個輸出口包括 主開關元件輸出端（M1、 M2）和換流輔助開關元件輸出端（C1、C2） 兩組信號。換流輔助開關信號是為晶閘管逆變器設置的。由控制輸 入端I選擇晶體管/晶閘管方式。 當I置高電平時，為晶閘管工作方 式，主輸出為占空比13的觸發(fā)脈沖串，換流輸出為單脈沖；當I置 低電平時，為晶體管工作方式，驅動晶體管變頻電路輸出波形是雙 邊緣調制的脈寬調制波。為減小低頻諧波影響，在低頻時適當提高 開關頻率與輸出頻率的比值，即載波比，采用多載波比分段自動切 換方式， 分為八段，載波比分別為15、21、 30、 42、 60、 84、 120、 168。 這種方式不但調制頻率范圍寬， 而且可與輸出電壓同 步。 第7章 變頻電路 變頻電路 圖 7-26 HEF4725內部邏輯框圖與管腳圖 8 9 10 11 輸 出 口 ORM1 ORM2 ORC1 ORC2 67 24 25 ILKOCT 22 21 20 19 輸 出 口 OYM1 OYM2 OYC1 OYC2 3 2 1 27 輸 出 口 OBM1 OBM2 OBC1 OBC2 13 151623 ABC RSYN 試 驗 電 路 RCT計 數 器 譯 碼 器 526 CWVAV FCT計 數 器12 FCT VCT計 數 器 17 VCT 4 RCT 18 CSP (a