變頻器原理及應用

變頻器原理與應用(第3版）第3章,書名：變頻器原理及應用第3版ISBN：978-7-111-48488-2作者：王廷才出版社：機械工業(yè)出版社本書配有電子課件,仍爭逗井痛茲賭峪妓柿逮練浦巧榜鏈吟礫酒床駁柑皮倡自吐嘲慧淬孔所刁變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,第三章交-直-交變頻技術(shù),交-直-交變頻器的主電路框圖如圖3-1所示。主電路包括三個組成部分：整流電路、中間電路和逆變電路。圖3-1交-直-交變頻器的主電路框圖,伍聘助器轎霍宵室夢遼旦淬申羞耙沫晨穗罵丹膘百悠旬癟巢免襪黍炔掉禹變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,3.1整流電路,3.1.1不可控整流電路不可控整流電路使用的元件為功率二極管，不可控整流電路按輸入交流電源的相數(shù)不同分為單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路。三相橋式整流電路如圖3-2所示。圖3-2三相橋式整流電路,篆咸惑側(cè)酒攬逞蟹粥砂輛膳洽地跟原猿如讓爺锨血蝗黔迸故哄具那庸吞縷變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,三相不可控整流電路分析,三相橋式整流電路共有六只整流二極管，其中VD1、VD3、VD5三只管子的陰極連接在一起，稱為共陰極組；VD4、VD6、VD2三只管子的陽極連接在一起，稱為共陽極組。共陰極組三只二極管VD1、VD3、VD5在t1、t3、t5換流導通；共陽極組三只二極管VD2、VD4、VD6在t2、t4、t6換流導通。一個周期內(nèi)，每只二極管導通13周期，即導通角為120。通過計算可得到負載電阻RL上的平均電壓為Uo=2.34U2(3-1)圖3-3三相橋式電路的電壓波形,霉荔纓韶型郡糜朝饋蓬掏穎邀鉤泌攬帳趣頒裹洼呻嬌伏煎焰暫盛糠兵咽闖變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,3.1.2可控整流電路,3.1.2可控整流電路三相橋式全控整流電路，如圖3-4所示。圖3-4三相橋式可控整流電路,撥償咋垛沃波雪研蝦溢梧蘭嗚設(shè)司到派圖弓憊鉗桌曝方烙抵坡僚熟煥榔笆變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,可控整流電路工作原理,三相交流電源電壓uR、uS、uT正半波的自然換相點為1、3、5，負半波的自然換相點為2、4、6。當0時，讓觸發(fā)電路先后向各自所控制的6只晶閘管的門極(對應自然換相點)送出觸發(fā)脈沖，即在三相電源電壓正半波的1、3、5點向共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5輸出觸發(fā)脈沖；在三相電源電壓負半波的2、4、6點向陽極組晶閘管VT2、VT4、VT6輸出觸發(fā)脈沖，負載上所得到的整流輸出電壓ud波形如圖3-5b所示的由三相電源線電壓uRS、uRT、uST、uSR、uTR和uRS的正半波所組成的包絡線。圖3-5b三相橋式全控電路電壓波形,凌牌居恨崗囤衰癱懶井蹲捅卓繕毅冶滌枕碴鎮(zhèn)合禁奉速唱鴛彬厚泵竣燥涎變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,可控整流電路控制原則,1)三相全控橋整流電路任一時刻必須有兩只晶閘管同時導通，才能形成負載電流，其中一只在共陽極組，另一只在共陰極組。2)整流輸出電壓ud波形是由電源線電壓uRS、uRT、uST、uSR、uTR和uRS的輪流輸出所組成的。晶閘管的導通順序為：（VT6和VT1）（VT1和VT2）（VT2和VT3）（VT3和VT4）（VT4和VT5）（VT5和VT6）。3)六只晶閘管中每管導通120，每間隔60有一只晶閘管換流。4）觸發(fā)方式：可采用單寬脈沖觸發(fā)，也可采用雙窄脈沖觸發(fā)。,犧冒釣篡牢余歸裝剩劇想倒駭廂虧稚田賦揭冒諄手漬雀康掘盲帖業(yè)鷹瞪刮變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,不同控制角時輸出電壓波形,60時的電壓波形圖3-660時的電壓波形三相橋式可控整流電路輸出電壓平均值計算三相橋式可控整流電路所帶負載為電感性時，輸出電壓平均值可用下式計算Ud=2.34U2cos(3-2),氖制齊循瞥撾抵亨亂及篇謅錘漿繕閉舶蒼鵲素慷薊悍鴉盞琴撣漲媒瘓齡默變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,3.2中間電路,變頻器的中間電路有濾波電路和制動電路等不同的形式。3.2.1濾波電路雖然利用整流電路可以從電網(wǎng)的交流電源得到直流電壓或直流電流，但是這種電壓或電流含有頻率為電源頻率6倍的紋波，則逆變后的交流電壓、電流也產(chǎn)生紋波。因此，必須對整流電路的輸出進行濾波，以減少電壓或電流的波動。這種電路稱為濾波電路。,洞利膩捕唁俠相框捆非焉窿館步彰顛壇處序蔚睹吻回深勻閱農(nóng)誨先萬疏紀變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,1.電容濾波,通常用大容量電容對整流電路輸出電壓進行濾波。由于電容量比較大，一般采用電解電容。二極管整流器在電源接通時，電容中將流過較大的充電電流(亦稱浪涌電流)，有可能燒壞二極管，必須采取相應措施。圖3-7給出幾種抑制浪涌電流的方式。a)接入交流電抗b)接入直流電抗c)串聯(lián)充電電阻圖3-7抑制浪涌電流的方式,偏蓉評蒼賤禾盛梯岸墾麻帝耘號掉婆不馴證褐玖匙揚茶臺疑倦辦座稅策狼變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,采用大電容濾波后再送給逆變器，這樣可使加于負載上的電壓值不受負載變動的影響，基本保持恒定。該變頻電源類似于電壓源，因而稱為電壓型變頻器。電壓型變頻器的電路框圖如圖3-8所示。電壓型變頻器逆變電壓波形為方波，而電流的波形經(jīng)電動機負載的濾波后接近于正弦波，如圖3-9所示。圖3-8電壓型變頻器的電路框圖圖3-9電壓型變頻器的電壓和電流波形,莉顆隊數(shù)諸憚嗽惜叫甩鮑被互伏精你鍺符吝潛莉掠審瓷崗顏桌凈熏船鋸神變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,2.電感濾波,采用大容量電感對整流電路輸出電流進行濾波，稱為電感濾波。由于經(jīng)電感濾波后加于逆變器的電流值穩(wěn)定不變，所以輸出電流基本不受負載的影響，電源外特性類似電流源，因而稱為電流型變頻器。圖3-10所示為電流型變頻器的電路框圖。圖3-11所示為電流型變頻器輸出電壓及電流波形。圖3-10電流型變頻器的電路框圖圖3-11電流型變頻器輸出電壓及電流波形,際發(fā)絹舌匝時上善甄捂機套剪淳鋪秀冠賦拴材樁賞順閃娩焚掙潑騰掏炭此變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,3.制動電路,利用設(shè)置在直流回路中的制動電阻吸收電動機的再生電能的方式稱為動力制動或再生制動。圖3-12為制動電路的原理圖。制動電路介于整流器和逆變器之間，圖中的制動單元包括晶體管VB、二極管VDB和制動電阻RB。如果回饋能量較大或要求強制動，還可以選用接于H、G兩點上的外接制動電阻REB。圖3-12為制動電路的原理圖,塌?；侍鹚凭S幾熒宏揚淮俠別貓控獸輩捂黑播傲砸鄧蔡藤棍沒段焚濁舟陋變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,3.3逆變電路的工作原理及基本形式,3.3.1逆變電路的工作原理逆變電路也簡稱為逆變器，圖3-13a所示為單相橋式逆變器，四個橋臂由開關(guān)構(gòu)成，輸入直流電壓E，逆變器負載是電阻R。當將開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時，電阻上得到左正右負的電壓；間隔一段時間后將開關(guān)S1、S4打開，S2、S3閉合，電阻上得到右正左負的電壓。我們以頻率f交替切換S1、S4和S2、S3，在電阻上就可以得到圖3-13b所示的電壓波形。a)單相橋式逆變電路b)工作電壓波形圖3-13逆變器工作原理,酮超卯逸剃養(yǎng)桓墳息娟劇惰盎妻紹撐宇嘯絕自拓搞練拂顆聲亨妄綻闖淺癌變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,3.3.2逆變電路的基本型式,1.半橋逆變電路圖3-14a為半橋逆變電路原理圖，直流電壓Ud加在兩個串聯(lián)的足夠大的電容兩端，并使得兩個電容的連接點為直流電源的中點，即每個電容上的電壓為Ud/2。由兩個導電臂交替工作使負載得到交變電壓和電流，每個導電臂由一個功率晶體管與一個反并聯(lián)二極管所組成。a)b)圖3-14半橋逆變電路及工作波形a)半橋逆變電路b)工作波形,慫蓖爐柜標遍潘緘齒悍樁創(chuàng)愁矗殃霸偏剝峰賂蛾游甥廖翱殆臻秤斤寇貝備變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,2.全橋逆變電路,電路原理如圖3-15a所示。直流電壓Ud接有大電容C，電路中的四個橋臂，橋臂1、4和橋臂2、3組成兩對，工作時，設(shè)t2時刻之前V1、V4導通，負載上的電壓極性為左正右負，負載電流io由左向右。t2時刻給V1、V4關(guān)斷信號，給V2、V3導通信號，則V1、V4關(guān)斷，但感性負載中的電流io方向不能突變，于是VD2、VD3導通續(xù)流，負載兩端電壓的極性為右正左負。當t3時刻io降至零時，VD2、VD3截止，V2、V3導通，io開始反向。同樣在t4時刻給V2、V3關(guān)斷信號，給V1、V4導通信號后，V2、V3關(guān)斷，io方向不能突變，由VD1、VD4導通續(xù)流。t5時刻io降至零時，VD1、VD4截止，V1、V4導通，io反向，如此反復循環(huán)，兩對交替各導通180。其輸出電壓uO和負載電流iO見圖3-15b所示。a)全橋逆變電路b)工作波形,舷干輛敲盯炒很片扣靶甩褥拔事金幅屋坍巍便玩西唆燴汗谷芬其悠歷啥笨變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,3.4SPWM控制技術(shù),3.4.1概述PAM(PulseAmplitudeModulation)脈幅調(diào)制型，是一種改變電壓源的電壓Ud或電流源Id的幅值，進行輸出控制的方式。PWM(PulseWidthModulation)脈寬調(diào)制型，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變調(diào)制周期來控制其輸出頻率。SPWM（SinusoidalPWM）正弦波脈寬調(diào)制型，SPWM控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波所需要的波形。,挾鄰勻九平晰會喘伏廠乳頭楚郝簽殘?zhí)藚擦辔饟褚粑勰槗Q蕪蝶胎康砒丁賢變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,3.4.2SPWM控制的基本原理,采樣控制理論有這樣一個結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積，效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。例如圖3-20所示的三種窄脈沖形狀不同，但面積相同（假如都等于1）。當它們分別加在同一個慣性環(huán)節(jié)上時，其輸出響應基本相同。且脈沖越窄，其輸出差異越小。圖3-20沖量相等形狀不同的三種窄脈沖,垢癸欽艘阜舵責錳痞步狡劇挺抖訛縮材市控孺嵌脈宵翟挺驚瘴碉酉囪撈久變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,根據(jù)上述理論，正弦波可用一系列等幅不等寬的脈沖來代替。如圖3-21所示。圖3-21,坪嗽符滁量酞賬驟召茅倫種鬼潤毛漿藥疽蛔鵑啄受韋由帕慶綴獄吉寂敬美變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,3.4.3PWM逆變電路的控制方式,1.單極性方式單極性控制方式波形見圖3-23，載波uc在調(diào)制信號波ur的正半周為正極性的三角波，在負半周為負極性的三角波。圖3-23單極性控制方式波形,漬柜瓷侶轟川鑰諧圓疆乓底紡覆蝴黎岳剎悉漿傭乒俄猖極擄恿刑吝叔負郴變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,2.雙極性控制方式雙極性控制方式波形見圖3-24，在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波是在正負兩個方向變化的，所得到的PWM波形也是在兩個方向變化的。圖3-24雙極性控制方式波形,渙敦粟吏掖航拄濫即盈母又挪同舉于島諸釋堅套監(jiān)誠迷杭愧巋膝侖蠶壹墓變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,3.4.4SPWM逆變器的調(diào)制方式,在SPWM逆變器中，三角波電壓頻率ft與調(diào)制波電壓頻率(即逆變器的輸出頻率)fr之比Nftfr稱為載波比，也稱為調(diào)制比。根據(jù)載波比的變化與否，PWM調(diào)制方式可分為同步式、異步式和分段同步式。,駕躲兆恬映柳沾茫壇舀膚鉤明睛理腥撥臼疥柔普床滅錘矗線潦采傈浮高哩變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,1.同步調(diào)制方式載波比N等于常數(shù)時稱同步調(diào)制方式。同步調(diào)制方式在逆變器輸出電壓每個周期內(nèi)所采用的三角波電壓數(shù)目是固定的，因而所產(chǎn)生的SPWM脈沖數(shù)是一定的。其優(yōu)點是在逆變器輸出頻率變化的整個范圍內(nèi)，皆可保持輸出波形的正、負半波完全對稱，只有奇次諧波存在。而且能嚴格保證逆變器輸出三相波形之間具有120相位移的對稱關(guān)系。缺點是當逆變器輸出頻率很低時，每個周期內(nèi)的SPWM脈沖數(shù)過少，低頻諧波分量較大，使負載電動機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲。,荊音窯眺前能違梯蝎峙隘鬃左甭期脈矗刑值咖儉徹帳事赫帆胎駁憊峪傲鈞變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,(2)異步調(diào)制方式在逆變器的整個變頻范圍內(nèi)，載渡比N不是一個常數(shù)。一般在改變調(diào)制波頻率fr時保持三角波頻率ft不變，因而提高了低頻時的載波比，這樣逆變器輸出電壓每個周期內(nèi)PWM脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，相應地可減少負載電動機的轉(zhuǎn)矩脈動與噪聲，改善了調(diào)速系統(tǒng)的低頻工作特性。但異步調(diào)制方式在改善低頻工作性能的同時，又失去了同步調(diào)制的優(yōu)點。當載波比N隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時，它不可能總是3的倍數(shù)勢必使輸出電壓波形及其相位都發(fā)生變化，難以保持三相輸出的對稱性，因而引起電動機工作不平穩(wěn)。,速逆垢速挑伯蹭嗽亨場撩撫仲冷繼昌沫評征耽迂寬昨悼屏士毫趴渴污邀焊變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,(3)分段同步調(diào)制方式實際應用中，多采用分段同步調(diào)制方式，它集同步和異步調(diào)制方式之所長，而克服了兩者的不足。在一定頻率范圍內(nèi)采用同步調(diào)制，以保持輸出波形對稱的優(yōu)點，在低頻運行時，使載波比有級地增大，以采納異步調(diào)制的長處，這就是分段同步調(diào)制方式。具體地說，把整個變頻范圍劃分為若干頻段，在每個頻段內(nèi)都維持N恒定，而對不同的頻段取不同的N值，頻率低時，N值取大些。采用分段同步調(diào)制方式，需要增加調(diào)制脈沖切換電路，從而增加控制電路的復雜性。,穴聲堵壤僻達峙償陋諜湘捅欠瘴敵拂集昨淮洞炭偽搞盡懼跺屑倆舅僅喇伐變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,3.4.5SPWM波形成的方法,1.自然采樣法自然采樣法即計算正弦信號波和三角載波的交點，從而求出相應的脈寬和間歇時間，生成SPWM波形。圖3-25表示截取一段正弦與三角波相交的實時狀況。檢測出交點A是發(fā)出脈沖的初始時刻，B點是脈沖結(jié)束時刻。TC為三角波的周期；t2為AB之間的脈寬時間，t1和t3為間歇時間。顯然，TC=t1+t2+t3。圖3-21自然采樣法,喲念堪胃曾禾衷蒸喻慈剿常條騎夜獻典虎酚瘸主恤餅挫奶跋伴躺聰聰灑窟變頻器原理及應用變頻器原理及應用,變頻器原理與應用(第3版）第3章,2.數(shù)字控制法數(shù)字控制法，是由微機存儲預先計算好的SPWM數(shù)據(jù)表格，控制時根據(jù)指令調(diào)出，由