第三章交直交變頻技術

第三章交直交變頻技術《變頻器原理與應用(第2版）》第3章第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三3.1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

第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三三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，每只二極管導通1／3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

第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三3.1.2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

第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三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α＝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

第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三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)。第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三不同控制角時輸出電壓波形

α＝60°時的電壓波形圖3-6α＝60°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=2.34U2cosα(3-2)第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三3.2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。第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三1.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第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

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

第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三2.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

第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三3.制動電路利用設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第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三3.3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，四個橋臂由開關構成，輸入直流電壓E，逆變器負載是電阻R。當將開關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

第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三3.3.2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)工作波形第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三2.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關斷信號，給V2、V3導通信號，則V1、V4關斷，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關斷信號，給V1、V4導通信號后，V2、V3關斷，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)工作波形第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三3.4SPWM控制技術

3.4.1概述PAM(PulseAmplitudeModulation)脈幅調制型，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)脈寬調制型，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變調制周期來控制其輸出頻率。

SPWM（SinusoidalPWM）正弦波脈寬調制型，SPWM控制方式就是對逆變電路開關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。第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三3.4.2SPWM控制的基本原理采樣控制理論有這樣一個結論：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第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三根據上述理論，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第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三3.4.3PWM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第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

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，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第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三3.4.4SPWM逆變器的調制方式

在SPWM逆變器中，三角波電壓頻率ft與調制波電壓頻率(即逆變器的輸出頻率)fr之比N＝ft／fr稱為載波比，也稱為調制比。根據載波比的變化與否，PWM調制方式可分為同步式、異步式和分段同步式。第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三1.同步調制方式載波比N等于常數時稱同步調制方式。同步調制方式在逆變器輸出電壓每個周期內所采用的三角波電壓數目是固定的，因而所產生的SPWM脈沖數是一定的。其優(yōu)點是在逆變器輸出頻率變化的整個范圍內，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°相位移的對稱關系。缺點是當逆變器輸出頻率很低時，每個周期內的SPWM脈沖數過少，低頻諧波分量較大，使負載電動機產生轉矩脈動和噪聲。第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

(2)異步調制方式

在逆變器的整個變頻范圍內，載渡比N不是一個常數。一般在改變調制波頻率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PWM脈沖數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矩脈動與噪聲，改善了調速系統(tǒng)的低頻工作特性。但異步調制方式在改善低頻工作性能的同時，又失去了同步調制的優(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．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)。第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

(3)分段同步調制方式

實際應用中，多采用分段同步調制方式，它集同步和異步調制方式之所長，而克服了兩者的不足。在一定頻率范圍內采用同步調制，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，以采納異步調制的長處，這就是分段同步調制方式。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。采用分段同步調制方式，需要增加調制脈沖切換電路，從而增加控制電路的復雜性。第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三3.4.5SPWM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自然采樣法第2