變頻電路原理

1、第七章變頻電路學(xué)習(xí)要求1. 熟悉變頻電路的基本工作原理，理解交一直一交變頻電路與交一交變頻電路的原理特點(diǎn)。2. 掌握諧振式變頻電路的原理，理解諧振式換流的特點(diǎn)。3. 熟練掌握三相橋式變頻電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，會(huì)分析電路的工作波形。4. 理解兩種交一交變頻電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，。5. 重點(diǎn)掌握脈寬調(diào)制(PWM型變頻電路的工作原理，熟悉生成三相SPWI波的芯片外部接線。7.1 變頻電路的基本工作原理我們以單相交一直一交、交一交變頻電路為例，說明變頻電路的基本工作原理。7.1.1 單相輸出交一直一交變頻電路圖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

2、管V、V4稱為正組，V2、V3稱為反組。當(dāng)控制電路使 V、V4導(dǎo)通，使V2、V3關(guān)斷時(shí)，在輸出端獲得正向 電壓UO；當(dāng)控制電路使 V V3導(dǎo)通，使V、關(guān)斷時(shí)，輸出端獲得反向電壓UO ,即交替導(dǎo)通正組、反組的晶閘管，并且改變其導(dǎo)通關(guān)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a的大小，則可實(shí)現(xiàn)對輸出電壓幅值的調(diào)節(jié)。這種電路直接將直流電變換為不同頻率的交流電，從晶閘管的工作特性可知，晶閘管從關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通 是容易實(shí)現(xiàn)的，然而，由于電源為直流電，要使已導(dǎo)通的晶閘管重新恢復(fù)到關(guān)斷狀態(tài)則比較困難。從某種 意義上講，整個(gè)晶閘管變頻電路發(fā)展的過程即是

3、研究如何更有效、可靠地關(guān)斷晶閘管的過程。我們把變頻 電路中已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷后再恢復(fù)其正向阻斷狀態(tài)的過程稱為換流，通常采用的辦法是對導(dǎo)通狀態(tài)的晶 閘管施加反壓，使其陽極電流下降到維持電流以下，從而關(guān)斷晶閘管。加反壓的時(shí)間必須大于晶閘管的關(guān) 斷時(shí)間。+&矜 IVv3圖7.1 單相輸出交一直一交變頻電路(a)電路； (b)輸出電壓；隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，一些新型的全控型開關(guān)器件如前面所講到的GTO GTR MOSFETIGBT管等正在逐漸取代晶閘管，由于其屬于全控型器件，導(dǎo)通和關(guān)斷都可以控制，這使交一直一交變頻電路得到了 很大的發(fā)展。7.1.2 單相輸出交一交變頻電路電路原理如圖7.2 (a)所示

4、。電路由具有相同特征的兩組晶閘管整流電路反并聯(lián)構(gòu)成，將其中一組稱 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(fù)載端輸出電壓的 極性為上正下負(fù)；如果反組整流器工作，正組整流器被封鎖，則負(fù)載端得到的輸出電壓的極性為上負(fù)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(fù)載端獲得交變的輸出電壓。止組反凱(a)正織週0反細(xì)通i(b)圖7.2 單相輸出交一交變頻電路及波形圖(控制角不變)(a)電路；(b)輸出電壓；如果在一個(gè)周期內(nèi)控制角a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(jī)的工作不利。如果控制

5、角a不固定，在正組工作的半個(gè)周期內(nèi)讓控制角a按正弦規(guī)律從90逐漸減小到0，然后再由逐漸增加到 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。控制角從零增大到最大，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(diǎn)為觸發(fā)控制的時(shí)刻。在反組工作的半個(gè)周期內(nèi)采用同樣的控制方法，就可得到接近 正弦波的輸出電壓。圖7.3 交一交變頻電路的輸出波形(控制角變化)7.1.3 兩種變頻電路的特點(diǎn)比較同交一直一交變頻電路相比，交一交變頻電路有以下優(yōu)缺點(diǎn)。1. 優(yōu)點(diǎn)(1) 只有一次變流，且利用電網(wǎng)電源進(jìn)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(shí)現(xiàn)

6、四象限工作。(3 )低頻時(shí)輸出波形接近正弦波。2. 缺點(diǎn)(1 )接線復(fù)雜，使用的晶閘管數(shù)目多。(2) 受電網(wǎng)頻率和交流電路各脈沖數(shù)的限制，輸出頻率低。(3) 采用相控方式，功率因數(shù)較低。由于上述的優(yōu)缺點(diǎn)，交一交變頻電路主要用于500 kW或1000 kW以上，轉(zhuǎn)速在 600r/ min以下的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速裝置中，目前已在礦山碎石機(jī)、水泥球磨機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)及軋鋼機(jī)主傳動(dòng)裝 置中獲得較多的應(yīng)用。它既可用于異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，也可用于同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。而交一直一交變頻電路主要用于金屬熔煉、感應(yīng)加熱的中頻電源裝置，可將蓄電池的直流電變換為50Hz交流電的不停電電源、變頻變壓電源(VWF)和恒頻

7、恒壓電源等。 通常又將交一直一交變頻電路稱為無源逆變電路。7.2 三相橋式變頻電路如果變頻電路的負(fù)載是三相負(fù)載，則需要變頻電路輸出頻率可調(diào)的三相電壓。這種變頻電路多采用三相橋式變頻電路。7.3.1電壓源型橋式變頻電路電路結(jié)構(gòu)如圖7.9所示。該圖中用六個(gè)大功率晶體管（GTR作為可控元件，Vi與V4, V3與 V V與V2構(gòu)成三對橋臂，二極管 VDVD6為續(xù)流二極管。圖7.9 電壓源型三相橋式變頻電路電壓源型三相橋式變頻電路的基本工作方式為180。導(dǎo)電型，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180。，同一相上下橋臂交替導(dǎo)電， 各相開始導(dǎo)電的時(shí)間依次相差120。由于每次換流都在同一相上下橋臂之間進(jìn)行，因此稱為縱向

8、換流。在一個(gè)周期內(nèi)，六個(gè)管子觸發(fā)導(dǎo)通的次序?yàn)閂iV6 ,依次相隔60,任意時(shí)刻均有三個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通的組合順序?yàn)閂1V2V3、V2V3V4、V3V4V5、V4V5V6、V5V6V1和V6V1V2，每種組合工作60電角度。下面分析各相負(fù)載相電壓和線電壓波形。設(shè)負(fù)載為星形聯(lián)接，三相負(fù)載對稱，中性點(diǎn)為No圖7.10給出了電壓源型三相橋式變頻電路的工作波形。圖7.10 電壓源型三相橋式變頻電路的工作波形 為了分析方便，將一個(gè)工作周期分成六個(gè)區(qū)域。在0 V 3 t 0,Ug2 O,Ug3 0,使Vi、V2、V3同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí) AB兩點(diǎn)通過導(dǎo)通的 Vi、V3相當(dāng)于同時(shí)接在電源的正極，而C點(diǎn)通過導(dǎo)通的V

9、2接于電源的負(fù)極，所以該時(shí)區(qū)變頻橋的等效電路如圖7.11所示。圖7.11 V 1、V2、V3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的等效電路由此等效電路可得此時(shí)負(fù)載的線電壓為UAB = 0, UBc= +U D , UCa = -U D式中Ud為變頻電路輸入的直流電壓。負(fù)載的相電壓為LAn= + U d/3 ，UBn= + U d/3，UCn= - 2U d /3在3 t = n/3時(shí)，控制關(guān)斷Vi，控制導(dǎo)通V4，即在n/ 3 V 3 t 2n/ 3區(qū)域，有V2、VV4同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí) AC兩點(diǎn)通過導(dǎo)通的 、V4相當(dāng)于同時(shí)接在電源的負(fù)極，而B點(diǎn)通過導(dǎo)通的 V接于電源的正極，所以該時(shí)區(qū)變頻橋的等效電路如圖7.12所示。圖7.

10、12 V 2、V3、V4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的等效電路由此等效電路可得此時(shí)負(fù)載的線電壓為U負(fù)載的相電壓為AB = -U D , LBc= +U D , LCa = 0LAn= - U d/3 , LBn= + 2U3 , LCn = - U d /3根據(jù)同樣的思路可得其余四個(gè)時(shí)域的相電壓和線電壓的值，如圖7.10所示。從圖7.10可以看出，負(fù)載線電壓為120正、負(fù)對稱的矩形波，相電壓為180正、負(fù)對稱的階梯波。 三相負(fù)載電壓相位相差120。由于每個(gè)控制脈沖的寬度為180,因此每個(gè)開關(guān)元件的導(dǎo)通寬度也為180。如果改變控制電路中一個(gè)工作周期T的長度，則可改變輸出電壓的頻率。對于180導(dǎo)電型變頻電路，由于是

11、縱向換流，存在著同一橋臂上的兩個(gè)元件一個(gè)關(guān)斷、同時(shí)另一元 件導(dǎo)通的時(shí)刻，例如，在 3 t = n/3時(shí)，要關(guān)斷V1,同時(shí)控制導(dǎo)通 V4,所以，為了防止同相上、下橋臂 同時(shí)導(dǎo)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(qū)動(dòng)信號之間必須存在死區(qū)，即兩個(gè)元件同時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)。除180導(dǎo)電型外，三相橋式變頻電路還有120導(dǎo)電型的控制方式，即每個(gè)橋臂導(dǎo)通120 ,同一相上、下兩臂的導(dǎo)通有 60。的間隔，各相導(dǎo)通依次相差120 。120。導(dǎo)通型不存在上、下開關(guān)元件同時(shí)導(dǎo)通的問題，但當(dāng)直流電壓一定時(shí)，其輸出交流線電壓有效值比180。導(dǎo)通型低得多，直流電源電壓利用率低。因此，一般電壓源型三

12、相變頻電路都采用180導(dǎo)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速與正反轉(zhuǎn)控制。注意：若采用晶閘管作為變頻橋的開關(guān)元件，必須附加換流電路，以實(shí)現(xiàn)晶閘管的換流。7.3.2電流源型三相橋式變頻電路圖7.13給出了電流源型三相橋式變頻電路原理圖。變頻橋采用IGBT即絕緣柵雙極型晶體管作為可控開關(guān)元件。圖7.13 電流源型三相橋式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(dǎo)通方式，每個(gè)可控元件均導(dǎo)通120 ，與三相橋式整流電路相似，任意瞬間只有兩個(gè)橋臂導(dǎo)通。導(dǎo)通順序?yàn)閂1V6，依次相隔60,每個(gè)橋臂導(dǎo)通120,

13、這樣，每個(gè)時(shí)刻上橋臂組和下橋臂組中都各有一個(gè)臂導(dǎo)通。換流時(shí)，在上橋臂組或下橋臂組內(nèi)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(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)刻，也不會(huì)發(fā)生直流電源短路的現(xiàn)象，上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號之間不必存在死區(qū)。下面分析各相負(fù)載電流的波形。設(shè)負(fù)載為星型聯(lián)接，三相負(fù)載對稱，中性點(diǎn)為N圖7.14給出了電流源型三相橋式變頻電路的輸出電流波形。11F.1II一1i!I|i1!1111i1i1 ll iI l! 1 -1J1L|Hi1i 11 lif111110111圖7.14 電流源型變頻電路的工作波形為了分析方便，將一個(gè)工作周期分為六個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的電角度為n/

14、3。在0 v 3 t n/ 3區(qū)域，已經(jīng)控制導(dǎo)通開關(guān)元件Vi、V6，此時(shí)電源電流通過 M、Za、Zb、V構(gòu)成閉合回路。負(fù)載上分別有電流ia、i b流過，由于電路的直流側(cè)串人了大電感 Ld ,使負(fù)載電流波形基本無脈動(dòng)，因此電流i a、i b為方波輸出，其中i a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(fù)， 負(fù)載電流ic = 0。在3 t = n/3時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制電路使 Vs關(guān)斷，V?導(dǎo)通，進(jìn)入下一個(gè)時(shí)區(qū)。在n/3v3 t a 0之間來回變化(分別為B、C、D E、F各點(diǎn))，那么變頻電路在 半個(gè)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。2 .

15、兩組變頻電路的工作狀態(tài)為了分析交一交變頻電路的工作狀態(tài)，可把變頻電路視為一個(gè)理想交流電源與一個(gè)理想二極管相串聯(lián)，并構(gòu)成反并聯(lián)電路，輪流向負(fù)載供電，如圖7.18 ( a)所示。分析時(shí)略去輸出電壓、電流中的諧波。系統(tǒng)采用無環(huán)流工作方式，即一組變頻電路工作時(shí)，另一組則被封鎖。反組狀態(tài)阻斯 整流逆變(a)(b圖7.18 交一交變頻電路(a)電路；(b)電壓與電流的波形；通常，負(fù)載是感性的，負(fù)載電壓與電流的波形如圖7.18(b)所示。功率因數(shù)角為時(shí)，兩組變頻電路的工作狀態(tài)是：在負(fù)載電流的正半周(tit 3),由于整流器的單向?qū)щ娦裕M變頻電路有電流流過，反組變頻電路被阻斷。但在正組變頻電路導(dǎo)通的tit

16、 2階段，正組變頻電路輸出電壓、電流都為正時(shí)，它工作在整流狀態(tài)。而在 t2t 3階段，負(fù)載電流方向未改變，但輸出電壓方向卻已變負(fù)，正組變頻電路 處于逆變狀態(tài)。在t 3t4階段，負(fù)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(fù)，故反組變頻電路處于整流狀態(tài)。在t4t 5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)。從以上分析可得出：哪組變頻電路應(yīng)導(dǎo)通是由電流的方向所決定的，而與電壓的極性無關(guān)。對于感性 負(fù)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作在整流還是逆變狀態(tài)，應(yīng) 視輸出電壓與電流是極性相同還是相反而定。實(shí)際變頻電路輸

17、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。變頻電路在感性負(fù)載下工作時(shí)，正組橋和反組橋均存在著整流和逆變兩種工作狀態(tài)，當(dāng)控制角處于n/2 a 0時(shí)，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(dāng)n/2 a n時(shí)，整流電壓上部面積小于下部面積，平均電壓為負(fù)，正組變頻電路工作于逆變狀態(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(fù)載上電 壓的波形就由正組整流、逆變和反組整流、逆變四種波形組合而成。輸由電壓平溝輸出電比(a)(b)輸岀Hi壓 0 的某一值再回到 n/2連續(xù)變化，可方便地調(diào)節(jié)輸 出電

18、壓幅值。當(dāng)控制正、反組變頻電路導(dǎo)通的頻率時(shí)，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(diào)節(jié)圖7.15中每組整流電路的控制角a由n/2到a 0 的某一值再回到n/2連續(xù)變化，負(fù)載上就可獲得三相正弦電壓波形。7.5 脈寬調(diào)制（PWM型變頻電路7.5.1 脈寬調(diào)制變頻電路概述1 脈寬調(diào)制變頻電路的基本工作原理脈寬調(diào)制變頻電路簡稱 PW諛頻電路，常采用電壓源型交一直一交變頻電路的形式，其基本原理是控 制變頻電路開關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間比（即調(diào)節(jié)脈沖寬度）來控制交流電壓的大小和頻率。下面以單相 PW礎(chǔ)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

19、式整流電路獲得一恒定的直流電壓，由四個(gè)全控型大功率晶體管V1V4作為開關(guān)元件，二極管 VDVD4是續(xù)流二極管，為無功能量反饋到直流電源提供通路。信號波氣凋制屯踣載波一圖7.20單相橋式PWM頻電路當(dāng)改變V1、V2、V3 V4導(dǎo)通時(shí)間的長短和導(dǎo)通的順序時(shí)，可得出圖7.21所示不同的電壓波形。圖7.21（a）為180導(dǎo)通型輸出方波電壓波形，即V1、V4組和V2、V3組各導(dǎo)通T/2的時(shí)間。若在正半周內(nèi)，控制 V、V4和V2、V3輪流導(dǎo)通（同理在負(fù)半周內(nèi)控制V V3和V1、V4輪流導(dǎo)通），則在Vi、V4和 V、V分別導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載上獲得正、負(fù)電壓；在Vi、V3和 V V4導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載上所得電壓為零,如圖

20、7.21 （ b）所示。V2、V3若在正半周內(nèi)，控制 Vi、V4導(dǎo)通和關(guān)斷多次，每次導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間分別相等（負(fù)半周則控制導(dǎo)通和關(guān)斷），則負(fù)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(shù)，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(gè)輸出矩形波電壓下的面積接近于所對應(yīng)的正弦 波電壓下的面積。這種波形被稱之為脈寬調(diào)制波形，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(diào)制波形，即SPWMtd)0%耳耳導(dǎo)通0VM導(dǎo)通tI5 導(dǎo)通0導(dǎo)it/圖7.21 單相橋式變頻電路的幾種輸出波形根據(jù)采樣控制理論，脈沖頻率越高，SP

21、WM波形便越接近于正弦波。變頻電路的輸出電壓為SPWM波形時(shí)，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）可以看出，在輸出波形的正半周，V1、V4導(dǎo)通時(shí)有輸出電壓， V1、V3導(dǎo)通時(shí)輸出電壓為零，因此，改變半個(gè)周期內(nèi)V1、V3、V4導(dǎo)通關(guān)斷的時(shí)間比，即脈沖的寬度，即可實(shí)現(xiàn)對輸出電壓幅值的調(diào)節(jié)（負(fù)半周，調(diào)節(jié)半個(gè)周期內(nèi)V2、V3和V2、V4導(dǎo)通關(guān)斷的時(shí)間比）。因V1、V4導(dǎo)通時(shí)輸出正半周電壓，V2、V3導(dǎo)通時(shí)輸出負(fù)半周電壓，所以可以通過改變V1、V4和V2、V3交替導(dǎo)通的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)對輸出電壓、頻率的調(diào)節(jié)。2 .脈寬調(diào)制的控制方式

22、PWM控制方式就是對變頻電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使主電路輸出端得到一系列幅值相等而寬度 不相等的脈沖，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(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，脈沖波形的寬度和間隔便可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。然后按照計(jì)算的結(jié)果控制電路 中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的波形。但在實(shí)際應(yīng)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(gè)數(shù)。等腰三角波上下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑曲線相交時(shí)，就可得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這種方法稱為調(diào)制方法。希望輸出的信號為調(diào)制信號，用Ur表示，把

23、接受調(diào)制的三角波稱為載波，用Uc表示。當(dāng)調(diào)制信號是正弦波時(shí)，所得到的便是SPWM波形,如圖7.22所示。當(dāng)調(diào)制信號不是正弦波時(shí)，也能得到與調(diào)制信號等效的PWM波形。圖7.22 單極性PWM控制方式原理圖7.5.2 單相PWM頻電路輸出為單相電壓時(shí)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(shí)為正極性的三角波，在負(fù)半周時(shí)為負(fù)極性的三角波，調(diào)制信號Ur和載波Uc的交點(diǎn)時(shí)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(dǎo)通，V4交替通斷。當(dāng)Ur Uc時(shí)，使V4導(dǎo)通，負(fù)載電壓Uo = Ud ；當(dāng)UrW

24、 Uc時(shí)，使V4關(guān)斷，由于電感負(fù)載中電流不能突變，負(fù)載電流將通過VD3續(xù)流，負(fù)載電壓Uo = 0。在Ur的負(fù)半周期，保持V?導(dǎo)通，V3交替通斷。當(dāng)Ur Uc時(shí)，使V3關(guān)斷，由于電感負(fù)載中電流不能突變，負(fù)載電流將通過VD4續(xù)流，負(fù)載電壓Uo = 0。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(gè)周期內(nèi)三角波只在一個(gè)方向變化，所得到的PWM波形也只在一個(gè)方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。調(diào)節(jié)調(diào)制信號 Ur的幅值可以使輸出調(diào)制脈沖寬度作相應(yīng)變化，這能改變變頻電路輸出電壓的基波幅值，從而可實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的平滑調(diào)節(jié)；改變調(diào)制信號Ur的頻

25、率則可以改變輸出電壓的頻率，即可實(shí)現(xiàn)電壓、頻率的同時(shí)調(diào)節(jié)。所以，從調(diào)節(jié)的角度來看，spwM頻電路非常適用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中。與單極性pwM控制方式相對應(yīng)，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(zhǔn)信號是正弦波時(shí)，它與單極性正弦波脈寬調(diào)制的不同之處在于它們的極性隨時(shí)問不斷地正、負(fù) 變化，如圖7.23所示，不需要如上述單極性調(diào)制那樣加倒向控制信號。圖 7.23單相橋式變頻電路采用雙極性控制方式時(shí)的雙極性PWM控制方式原理圖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(fù)半周內(nèi)，對各晶體管控制規(guī)律與單極性控制方式相同，同樣在調(diào)制信號Ur和載波信號U

26、c的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)器件的通斷。當(dāng)Ur Uc時(shí)，使晶體管V1、V4導(dǎo)通，/、V3關(guān)斷，此時(shí)Uo = +Ud ；當(dāng)Ur V Uc ,使晶體管V2、V3導(dǎo)通，V1、V4關(guān)斷，此時(shí)Uo = -U D。在雙極性控制方式中，三角載波在正、負(fù)兩個(gè)方向變化，所得到的PWM波形也在正、負(fù)兩個(gè)方向變化，在Ur的一個(gè)周期內(nèi)，PWM輸出只有正、負(fù)UD兩種電平，變頻電路同一相上、下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號是互補(bǔ)的。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了防止上、下兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通而造成短路，在給一個(gè)臂的開關(guān)器件加關(guān)斷信號，必須 延遲一段時(shí)間，再給另一個(gè)臂的開關(guān)器件施加導(dǎo)通信號，即有一段四個(gè)晶體管都關(guān)斷的時(shí)間。延遲時(shí)間的 長短取決于功率開關(guān)器件的關(guān)

27、斷時(shí)間。需要指出的是，這個(gè)延遲時(shí)間將會(huì)給輸出的PWM波形帶來不利影響，使輸出偏離正弦波。7.5.3 三相橋式PWM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(gè)三角波信號 Uc ,三相調(diào)制信號UrA、UrB、UrC分別為三相正弦波信號，三相調(diào)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(dāng)UrA Uc時(shí)，使晶體管Vi導(dǎo)通，V4關(guān)斷；當(dāng)UrA V Uc ,使晶體管Vi關(guān)斷，V4導(dǎo)通。Vl、V4的驅(qū)動(dòng)信號始終互補(bǔ)。三相正弦波脈寬調(diào)制波形如圖7.25所示。由圖可以看出，任何時(shí)刻

28、始終都有兩相調(diào)制信號電壓大于載波信號電壓，即總有兩個(gè)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以負(fù)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。圖7.24三相橋式PWM頻電路i、L0、0圖7.25 三相雙極形PWM波形7.5.4 專用大規(guī)模集成電路芯片形成SPWI波HEF4725是全數(shù)字化的生成三相SPWI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(guān)器件構(gòu)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(diào)頻范圍為0200Hz。由于它生成的 SPWI波最大開關(guān)頻率比較低，一般在1 kHz以下，所以較適于以GTR或 GTQ為開關(guān)器件的變頻電路，而不適于IG

29、BT變頻電路。HEF4725 采用標(biāo)準(zhǔn)的28腳雙列直插式封裝，芯片用 5V （有的10V）電源，可提供三組相位互差120的互補(bǔ)輸出SPWI控制脈沖，以供驅(qū)動(dòng)變頻電路的六個(gè)功率開關(guān)器件產(chǎn)生對稱的三相輸出。當(dāng)用晶閘管時(shí)， 需附加產(chǎn)生三對互補(bǔ)換流脈沖，用以控制換流電路中的輔助晶閘管。它的內(nèi)部邏輯框圖和管腳示于圖7.26。它由三個(gè)計(jì)數(shù)器、一個(gè)譯碼器、三個(gè)輸出口和一個(gè)試驗(yàn)電路組成。三個(gè)輸出口分別對應(yīng)于變頻電路的R 丫、B （相當(dāng)于 A B、C）三相，每個(gè)輸出口包括主開關(guān)元件輸出端（Ml、M2）和換流輔助開關(guān)元件輸出端（ C1、C2）兩組信號。換流輔助開關(guān)信號是為晶閘管逆變器設(shè) 置的。由控制輸人端I選擇晶

30、體管/晶閘管方式。當(dāng)I置高電平時(shí)，為晶閘管工作方式，主輸出為占空比1 : 3的觸發(fā)脈沖串，換流輸出為單脈沖；當(dāng) I置低電平時(shí)，為晶體管工作方式，驅(qū)動(dòng)晶體管變頻電路輸出 波形是雙邊緣調(diào)制的脈寬調(diào)制波。為減小低頻諧波影響，在低頻時(shí)適當(dāng)提高開關(guān)頻率與輸出頻率的比 值，即載波比，采用多載波比分段自動(dòng)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(diào)制頻率范圍寬，而且可與輸出電壓同步。K L【2425OBMI OBM2 ? OBCI 6 OBC2電路輸出口J10RMIflORMZ10 6 QRC1 IL I彳 ORC2譯碼器輸出口輸出口OYMIOOYM2

31、20 IOC2CSP ABC RSYkB胡換翫腺?zèng)_ORC!B相相主控腌沖BM2 OBM1堆離開關(guān)頻率控制笑考時(shí)鐘）RCT 相序選擇CW 死區(qū)間隔控制輸出推遲時(shí)鐘）OCT 死區(qū)間隔選擇KE相血主控脈沖ORMJORM2 -ORCI B相換流脈沖ORC2頻率擔(dān)制時(shí)鐘FCT-一 復(fù)位輸入控制A亠 員直漬電湍理1 28HEF4-725一正直鍛電源OBC2內(nèi)相換流脈沖 VAV楫?dāng)M輸岀乎均電雄 一一I晶楝管晶閘母述癢 L啟動(dòng)喈止選杼RSYN R擁同步信號OYMIOYM2OYC1OYC2主控脈沖Y相換流肘沖CSP開關(guān)頻眾指示 VCT電爪控制時(shí)鐘測試電粥用怙號圖7.26 HEF4725內(nèi)部邏輯框圖與管腳圖（a）

32、HEF4725內(nèi)部邏輯框圖；（b） HEF472管腳排列圖; 變頻電路輸出由四個(gè)時(shí)鐘輸入來進(jìn)行控制。1.頻率控制時(shí)鐘（FCT它用來控制變頻電路的輸出頻率，一般用線性壓控振蕩器提供，計(jì)算方法為f fct = 3360 X f out式中：fouT為變頻電路輸出頻率（Hz）。2 .電壓控制時(shí)鐘（VCT）它用以控制變頻電路輸出的基波電壓，即脈沖寬度，計(jì)算方法為f VCT (NOM = 6720 X f OUT式中，fvCT( NOM (單位HZ)是fvCT的標(biāo)稱值，當(dāng)取為此值時(shí)，輸出電壓和輸出頻率間將保持線性關(guān)系，直到輸出頻率達(dá)到臨界值 f OUT( M) 。foUT( M)為100%調(diào)制時(shí)的輸出頻

33、率，當(dāng)f OUT v f OUT( M)時(shí)，經(jīng)調(diào)制后的PWM波形有正弦函數(shù)關(guān)系。3 參考時(shí)鐘( RCT) 它是用來設(shè)置變頻電路最大開關(guān)頻率，是一個(gè)固定不變的時(shí)鐘，計(jì)算方法為f RCT= 280 X f TMAX式中，f TMAX為變頻電路最大開關(guān)頻率(HZ)。4 輸出推遲時(shí)鐘( OCT) 為防止同一橋臂中的上、下開關(guān)元件在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中同時(shí)導(dǎo)通而發(fā)生電源短路事故，必須設(shè)置延遲時(shí)間(死區(qū)時(shí)間)。OCT與控制輸入端 K一同用于控制功率開關(guān)元件的互鎖推遲時(shí)間Td。在已先確定 Td值后確定foCT的方法：當(dāng)K置低電平時(shí)，focT= 8 / T d ;當(dāng)K置高電平時(shí)，focT= 16 / T d。顯然，

34、OCT的時(shí)鐘頻率在一個(gè)系統(tǒng)中可以取為恒值。HEF4752 還有幾個(gè)控制輸入和輔助信號端，分別介紹如下。L 端用來控制啟動(dòng)停止，當(dāng) L 為低電平時(shí)表示停止，高電平時(shí)解除封鎖而啟動(dòng)。在晶體管方式下，L端可封鎖全部主輸出和換流輸出，但內(nèi)部電路始終繼續(xù)運(yùn)行;在晶閘管方式下，只封鎖變頻橋中三個(gè)上部 開關(guān)元件的觸發(fā)信號。 L 除能夠控制啟、停電路外，還可方便地用于過流保護(hù)。CW 為相序控制端，當(dāng) CW為低電平時(shí)，按 R、B、Y (A、C B)相序運(yùn)行，當(dāng) CW為高電平時(shí)，則相序 相反。A 、B C端是在元件生產(chǎn)時(shí)做試驗(yàn)用的，正常運(yùn)行時(shí)不使用，但這三端必須與USs (零電平)連接。A端置高電平初始化整個(gè) I

35、C 芯片，被用作復(fù)位信號。RSYN是一個(gè)脈沖輸出端，其頻率等于foUT，脈寬等于 VCT時(shí)鐘的脈寬，主要為觸發(fā)示波器掃描提供一個(gè)穩(wěn)定的參考信號。VAV 為模擬變頻電路輸出線電壓值的信號，即當(dāng)有電壓輸出時(shí)，有信號輸出，供測量使用。變頻電路開關(guān)輸出 CSP是一脈沖串，不受 L狀態(tài)的影響，用以指示變頻電路開關(guān)頻率值，其頻率為變 頻電路開關(guān)頻率的兩倍。7.5.5 PWM 變頻電路的優(yōu)點(diǎn)根據(jù)前面的分析，PWM變頻電路的優(yōu)點(diǎn)歸納如下：( 1)可以得到接近正弦波的輸出電壓，滿足負(fù)載需要。( 2 )整流電路采用二極管整流，可獲得較高的功率因數(shù)。( 3)只用一級可控功率的環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)簡單。( 4)通過對輸出脈

36、沖的寬度控制就可以改變輸出電壓的大小，大大加快了變頻電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。7.6 變頻電路的應(yīng)用7.6.1 中頻感應(yīng)加熱電源1 中頻感應(yīng)加熱電源的組成 由電工原理知道，處于交變磁場中的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，進(jìn)而形成渦流引起導(dǎo)體材料發(fā)熱。實(shí)踐 證明，在 50 HZ 交流電流形成的交變磁場中，導(dǎo)體材料所產(chǎn)生的感生電流不足以使導(dǎo)體材料加熱到所需溫 度(例如1 200 C)。如果提高頻率就可以增加發(fā)熱效果。中頻感應(yīng)加熱電源是一種將三相工頻(50 Hz )交流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘀蓄l交流電的裝置。目前應(yīng)用較多的中頻感應(yīng)加熱電源的工作原理是：通過整流電路先 將三相交流電整流成可調(diào)的直流電，經(jīng)電抗器濾波后，經(jīng)過逆變器

37、變換成頻率較高的交流電供給負(fù)載。中頻感應(yīng)加熱電源的主電路有若干種，但大部分用的是并聯(lián)逆變中頻電源，原理圖如圖7.27所示。圖7.27 中頻感應(yīng)加熱電源主電路原理圖直流電源由工頻交流電源經(jīng)三相相控整流后得到。在直流側(cè)串有大電感 Ld，從而構(gòu)成電流型逆變電路。單相逆變電橋由4個(gè)快速晶閘管橋臂構(gòu)成，電抗器LiL4用來限制晶閘管導(dǎo)通時(shí)的di /dt。VT、VT4和VT2、VT3以中頻（5005 000Hz ）輪流導(dǎo)通，就可在負(fù)載上得到中頻交流電。中頻電爐負(fù)載是一個(gè)感應(yīng)線圈，圖中L和R串聯(lián)即為其等效電路。因?yàn)楣β室驍?shù)很低，故并聯(lián)補(bǔ)償電容C,電容C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。所以這種逆變電路被稱為并聯(lián)諧振式

38、逆變電路。負(fù)載換相方式要 求負(fù)載電流超前于電壓，因此補(bǔ)償電容應(yīng)使負(fù)載過補(bǔ)償，使負(fù)載電路工作在容性小失諧情況下?？梢钥闯?，補(bǔ)償電容C也起到換流電容的作用。對于這種換流電容和負(fù)載并聯(lián)的逆變電路，也稱為并聯(lián)逆變電路，廣 泛用于金屬冶煉、中頻淬火的中頻電源裝置中。2 .工作原理因?yàn)椴⒙?lián)諧振式逆變電路屬電流型，故其交流波形接近矩形波，其中包含基波和各奇次諧波。因基波 頻率接近負(fù)載電路諧振頻率，故負(fù)載電路對基波呈現(xiàn)高阻抗，而對諧波呈現(xiàn)低阻抗，諧波在負(fù)載電路上幾 乎不產(chǎn)生壓降，因此負(fù)載電壓波形接近正弦波。圖7.28所示是該逆變電路的工作波形。在交流電流的一個(gè)周期內(nèi)，有兩個(gè)穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個(gè)換相 階段。圖7.

39、28 并聯(lián)諧振式逆變電路的工作波形11t 2之間為晶閘管VT和VT穩(wěn)定導(dǎo)通階段，負(fù)載電流io= Id ,近似為恒值，t2時(shí)刻之前在電容 C兩端，即負(fù)載兩端建立了左正右負(fù)的電壓。負(fù)載電壓接近正弦波。在t2時(shí)刻觸發(fā)晶閘管 VT和VT3，因在t2前VT2和VT3陽極電壓等于負(fù)載電壓，為正值，故VT2和VT3導(dǎo)通，開始進(jìn)人換相階段。由于每個(gè)晶閘管都串有換相電抗器，故VT1和VT4在t2時(shí)刻不能立即關(guān)斷，其電流有一個(gè)減小過程，VT和VT3的電流有一個(gè)增大過程。t2時(shí)刻后，4只晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電容經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電。一個(gè)回路是經(jīng)Li、VTi、VT2、L2回到電容，另一回路是回到電容。在L3、

40、VT3、VT4、L4回到電容。在這個(gè)過程中，VTi和VT4電流逐漸減小，VT2和VT3電流逐漸增大。當(dāng) t = t 4時(shí)，VTi和VT4電流逐漸減至零而關(guān)斷，直流側(cè)電流Id全部從VTi和VT4轉(zhuǎn)到VT?和VT3,換相階段結(jié)束。從圖7.28所示可以看出，在換相過程中，負(fù)載電流i o是VTi與VT2電流之差。從圖7.28所示可知，i a為i o的基波分量，i o超前于Uo的時(shí)間所對應(yīng)的電角度稱為滯后功率角，其大小應(yīng)滿足晶閘管恢復(fù)到正向阻斷能力所需的時(shí)間，通常取40為宜。改變直流電壓 Ud就可以調(diào)節(jié)輸出功率 Po的大小，所以直流電源一般采用三相相控整流電路。調(diào)節(jié)三 相相控整流電路的控制角就可以達(dá)到調(diào)

41、節(jié)輸出功率的目的。7.6.2 變頻器 變頻器是將工頻交流電變?yōu)轭l率和電壓可調(diào)的三相交流電的電器設(shè)備，用以驅(qū)動(dòng)交流異步(同步)電 動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，不但能滿足不同生產(chǎn)工藝需要，而且節(jié)能效果顯著。1 變頻調(diào)速原理 過去傳統(tǒng)的調(diào)速方式是由晶閘管直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)所組成，但直流電動(dòng)機(jī)本身存在一些固有的缺 點(diǎn)：直流電動(dòng)機(jī)造價(jià)高、維護(hù)工作量大；受使用環(huán)境制約條件多；最高速度和容量都有一定限制等。交流 調(diào)速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、節(jié)能、高精度和響應(yīng)快速等突出優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在工業(yè)、交通運(yùn) 輸、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。交流電動(dòng)機(jī)分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)又分為籠型異步電動(dòng)機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng) 機(jī)

42、。對于同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速為：n = 60 f / p(7.2)式中 , p 為電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)； f 為電動(dòng)機(jī)的定子電源頻率。而對于異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速為：n = 60 f (1 - s )/ p(7.3)式中 , s 為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。從上式可以看出，改變極對數(shù)p、轉(zhuǎn)差率s和電源頻率f都可以進(jìn)行調(diào)速。對于同步電動(dòng)機(jī)來說，運(yùn)行中改變極對數(shù) p 會(huì)引起失步；對于異步電動(dòng)機(jī)來說，改變極對數(shù) p 是有級調(diào)速。改變轉(zhuǎn)差率 s 大部分是 耗能調(diào)速，唯有改變電源頻率調(diào)速是交流電動(dòng)機(jī)較為理想的調(diào)速方式。但是只改變電源頻率并不能使交流電動(dòng)機(jī)得到經(jīng)濟(jì)可靠的運(yùn)行，原因是異步電動(dòng)機(jī)是鐵磁結(jié)構(gòu)。對于 任何具有鐵磁結(jié)構(gòu)的電

43、氣設(shè)備，只有使它的磁通保持為額定值，才能使鐵磁材料得到充分利用，對于異步 電動(dòng)機(jī)，有如下的關(guān)系式：UE = 4.44 f N K w (7.4)式中，U為定子相電壓；E為定子電動(dòng)勢；f為定子電源頻率；N為定子每相繞組的匝數(shù)；KW為繞組系數(shù)； 為異步電動(dòng)機(jī)的每極氣隙磁通。 在變頻調(diào)速時(shí)，為了得到所需的電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)的鐵磁材料得到充分利用，應(yīng)盡可能地使氣隙磁通恒定為額定磁通。由式(7.4 )可知，為保持氣隙磁通 近似不變，在調(diào)節(jié)定子電源頻率f時(shí)必須同時(shí)改變定子電壓 U ，即 Uf = 常數(shù)。為此，用于交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的變頻器實(shí)際上都是變壓變頻器，即 VVVF由于電動(dòng)機(jī)的電壓不能超過額定電壓，因此，在基頻以上調(diào)頻時(shí)，電壓U只能保持在額定電壓，當(dāng)電壓U一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通 由隨著頻率f的升高成比例下降， 類似直流電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速，因此,基頻以上的調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。2 變頻器的主電路結(jié)構(gòu)及工作原理變頻器的主電路分為交一交變頻和交一直一交變頻兩大類型，下面以應(yīng)用較多的交一直一交變頻主電 路為例加以說明。變頻器的主電路是從整流到逆變的整個(gè)功率電路，如圖 7.29 所示。VD,VDjUVD.R圖7.29 變頻器的主電路工