第5章變頻電路本章學習內容

5.1無源逆變電路

5.2諧振式變頻電路

5.3三相橋式變頻電路

5.4交-交變頻電路

5.5PWM型變頻電路為負載提供可變頻率的交流電源裝置稱為變頻器。無源逆變電路稱為變頻電路。通常將無源逆變器稱為變頻器。變頻器以變頻過程分可以分為交—交變頻器和交—直—交變頻器兩大類。交—交變頻器是將50Hz的工頻電源直接轉變成所需頻率的交流電源，也稱直接變頻；交—直—交變頻器是把工頻電源經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟?，再將直流電能逆變成所需頻率的交流電源，也稱間接變頻。逆變輸出的交流電與電網(wǎng)交流電無關，可以得到所需的任意頻率和電壓的交流電，單獨向負載供電，故稱其為無源逆變。

5.1無源逆變電路5.1.1無源逆變電路的基本概念

5.1無源逆變電路兩大類變頻器又可細分如下類型：變頻器（單相、三相）交—直—交變頻器交—交變頻器按直流電源類型分電壓型電流型按換流方式分負載諧振換流強迫換流方波脈寬調制（PWM）按輸出波形分方波正弦波按輸出波形分5.1.1無源逆變電路的基本概念5.1.2變頻電路的基本工作原理

5.1無源逆變電路當開關S1、S4閉合，S2、S3斷開時的半個周期內，負載上的電壓極性為左正右負。當開關S1、S4斷開，S2、S3閉合時，負載上得到極性相反的電壓，數(shù)值上與前半周期相同，均為Ud。當以頻率f交替切換開關S1、S4和S2、S3時，在負載電阻性R上可得到如圖5.1(b)所示的交變方波電壓波形，其周期T=1/f，這樣就將直流電壓Ud變換成了交流電。改變兩組開關的切換頻率，就可以改變輸出交流電的頻率；改變輸入直流電源電壓大小，就可以改變輸出交流電的幅值。

5.2諧振式變頻電路5.2.1諧振式變頻電路應用----感應加熱爐的介紹在金屬熱處理中，廣泛使用感應加熱爐對工件進行于淬火、透熱、熔煉、釬焊等。感應加熱爐就是利用變頻技術進行工作的一個具體實例。1．感應加熱的基本原理圖5.2中兩個線圈相互耦合在一起，在第一個線圈中突然接通直流電流（即將圖中開關S突然合上）或突然切斷電流（即將圖中開關S突然打開），此時在第二個線圈所接的電流表中可以看出有某一方向或反方向的擺動。這種現(xiàn)象稱為電磁感應現(xiàn)象，第二個線圈中的電流稱為感應電流，第二個線圈稱為感應線圈。若第一個線圈的開關S不斷地接通和斷開，則在第二個線圈中也將不斷地感應出電流。每秒內通斷次數(shù)越多（即通斷頻率越高），則感應電流將會越大。

5.2諧振式變頻電路若第一個線圈中通以交流電流，則第二個線圈中也感應出交流電流。不論第二個線圈的匝數(shù)為多少，即使只有一匝也會感應出電流。如果第二個線圈的直徑略小于第一個線圈的直徑，并將它置于第一個線圈之內，則這種電磁感應現(xiàn)象更為明顯，因為這時兩個線圈耦合得更為緊密。如果在一個鋼管上繞了感應線圈，鋼管可以看作有一匝直接短接的第二線圈。當感應線圈內通以交流電流時，在鋼管中將感應出電流，從而產生交變的磁場，再利用交變磁場來產生渦流達到加熱的效果。平常在50Hz的交流電流下，這種感生電流較小，所產生的熱量使鋼管溫度略有升高，不足以使鋼管加熱到熱加工所需溫度（常為1200℃左右）。如果增大電流和提高頻率（相當于提高了開關S的通斷頻率）都可以增加發(fā)熱效果，則鋼管溫度就會升高。控制感應線圈內電流的大小和頻率，可以將鋼管加熱到所需溫度進行各種熱加工。

5.2諧振式變頻電路2．感應加熱與變頻技術5.2.1諧振式變頻電路應用----感應加熱爐的介紹由感應加熱的原理可知，感應加熱線圈中通以不同頻率的交流電就可以進行加熱。這和變頻器的輸出的交流電特性一樣。目前應用較多的中頻感應加熱電源主要由可控或不可控整流電路、濾波器、變頻器和一些控制保護電路組成。工作時，三相工頻（50Hz）交流電經(jīng)整流器變成脈動直流電，再經(jīng)濾波器變成平滑的直流電送到變頻器。變頻器把直流電轉變成頻率較高的交流電流送給負載。由于感應加熱線圈中通過的電流較大，考慮到設備生產的成本和可靠性，變頻器中的開關元件一般選用晶閘管器件。從上述可知，變頻器的負載是感應加熱線圈。由于是感性負載，電流會滯后于電壓，這樣變頻器中晶閘管元件的換流問題，也即導通的晶閘管如何關斷的問題成了這個電路實現(xiàn)變頻功能的關鍵所在。

5.2諧振式變頻電路5.2.2并聯(lián)諧振式變頻電路采用電路理論中的并聯(lián)諧振原理進行換流的變頻器稱為并聯(lián)諧振式變頻電路圖中逆變橋由四個晶閘管橋臂組成,因工作頻率較高,故采用快速晶閘管。L1～L4為4只電感量很小的橋臂電感，用于限制電流上升率di/dt。感應加熱線圈R、L和并聯(lián)的電容C組成負載并聯(lián)諧振電路。5.2.2并聯(lián)諧振式變頻電路圖5.4所示為變頻電路的換流工作過程，圖5.5為變頻電路的工作波形。

5.2諧振式變頻電路5.2.3串聯(lián)諧振式變頻電路如果讓換流電容器與感應加熱線圈串聯(lián)，就組成了串聯(lián)諧振式變頻器的主電路，如圖5.6所示。圖中變頻電路輸入端并聯(lián)濾波電容Cd，輸入端電壓視為恒定，因而屬于電壓型變頻電路。為了使串聯(lián)諧振能在一個周期內持續(xù)進行，在每一個開關器件的兩端分別反向并聯(lián)了二極管D1～D4進行續(xù)流。

5.2諧振式變頻電路串聯(lián)變頻器起動和關斷較容易，但對負載的適應性較差。因此，串聯(lián)變頻器適用于負載性質變化不大，需要頻繁起動和工作頻率較高的場合，如熱鍛、彎管等。

5.3三相橋式變頻電路根據(jù)變頻電路中直流側電源性質的不同，變頻電路又可分為直流側是電壓源的電壓型變頻電路，又稱為電壓源型變頻電路；直流側是電流源的稱為電流型變頻電路，又稱為電流源型變頻電路。5.3.1電壓源型橋式變頻電路圖中的開關器件是IGBT，其中D1～D6是與V1～V6反并聯(lián)的二極管，其作用是為感性負載提供續(xù)流回路5.3.1電壓源型橋式變頻電路基本工作方式是180°導通型。即：同一相上下兩個橋臂以180°間隔交替開通和關斷，各相開始導電的時間依次相差120°。具體地說就是，在一個周期內，6個管子觸發(fā)導通的次序為V1～V6，依次間隔60°，任一時刻均有三個管子導通，在輸出端形成A、B、C三相電壓。5.3.1電壓源型橋式變頻電路下面分析各相負載相電壓和線電壓波形。設負載為星形聯(lián)接，三相負載對稱，中性點為N。圖5.9給出了電壓源型三相橋式變頻電路的工作波形。為了分析方便，將一個工作周期分成6個區(qū)域。在0＜ωt≤π/3區(qū)域，給開關管V1、V2、V3加有控制脈沖，即ug1＞0，ug2＞0，ug3＞0，使V1、V2、V3同時導通，此時AB兩點通過導通的V1、V3相當于同時直接接在電源的正極，而C點通過導通的V2接于電源的負極，所以該時區(qū)的等效電路如圖5.10(a)所示。5.3.1電壓源型橋式變頻電路由此等效電路可得此時負載上的線電壓分別為：UAB＝0UBC＝Ud

UCA＝－Ud波形如圖5.9(c)所示。式中Ud為變頻電路輸入的直流電壓。負載上的相電壓分別為：UAN＝Ud/3UBN＝Ud/3

UCN＝－2Ud/3波形如圖5.9(b)所示。5.3.1電壓源型橋式變頻電路在ωt＝π/3時，關斷V1，控制導通V4，即在π/3＜ωt≤π2/3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5.10(b)所示。由此可得此時負載上的線電壓為：UAB＝－Ud

UBC＝Ud

UCA＝0波形如圖5.9(c)所示。負載的相電壓為：根據(jù)同樣的思路可得其余4個時域的負載上相電壓和線電壓的值，如表5.1所示。5.3.1電壓源型橋式變頻電路5.3.2電流源型橋式變頻電路

5.3三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1200導通方式，每個可控元件均導通1200，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V1～V6，依次相隔600，每個橋臂導通1200，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，是在上橋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同時導通時刻，也不會發(fā)生將直流電源短路的現(xiàn)象，上下橋臂的驅動信號之間不必存在死區(qū)。下面分析各相負載電流的波形，設負載為星形聯(lián)接，三相負載對稱，中性點為N，圖5.12給出了電流源型三相橋式變頻電路的輸出電流波形，為了分析方便，將一個工作周期分為6個區(qū)域，每個區(qū)域的電角度為π/3。①0＜ωt≤π/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ia、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5.11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ic＝0。在ωt＝π/3時，驅動控制電路使V6關斷，V2導通，進入下一個時區(qū)。5.3.2電流源型橋式變頻電路②π/3＜ωt≤2π/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5.11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ib＝0。在ωt＝2π/3時，驅動控制電路使V1關斷，V3導通，進入下一個時區(qū)。5.3.2電流源型橋式變頻電路③π/3＜ωt≤π，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5.11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ia＝0。在ωt＝π時，驅動控制電路使V2關斷，V4導通，進入下一個時區(qū)。5.3.2電流源型橋式變頻電路5.3.3兩種變頻電路的特點1．電壓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。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。2．電流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因為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。5.3.3兩種變頻電路的特點

5.4交-交變頻電路交—交變頻器是不通過中間直流環(huán)節(jié)而把電網(wǎng)頻率的的交流電直接變換成另一種不同頻率不同電壓的交流電的變換裝置。交—交變頻器按輸出波形可分為方波和正弦波兩種類型。事實上，方波型和正弦波型的主電路均由相同的晶閘管整流電路組合而成，它們在電路結構上基本相同，所不同的是：在各整流組中，移相控制角α固定不變時，輸出的交流電為方波；移相控制角α按正弦規(guī)律變化時，輸出的交流電為正弦波。5.4.1方波型交—交變頻電路1．單相方波型交—交變頻電路圖5.13為單相交—交變頻器主電路原理圖，圖中負載由正、反兩組反并聯(lián)晶閘管可控整流電路輪流供電。當正組供電時，負載承受正電壓；當反組供電時，負載承受負電壓。如果在0<t<T/2期間使正組工作，在T/2<t<T使反組工作，并且使正反兩組晶閘管整流電路在其工作期間移相控制角α固定不變，則輸出的電壓幅值也不變，在一個周期內產生的波形就是交變的矩形波，如圖5.13(b)所示。若每組可控整流電路采用的是三相半波可控整流電路當正組以控制角α=0°工作時，則輸出的電壓波形是電源三相電壓波形的正半波包絡線，其平均值為可控整流電路輸出電壓的正最大值。同理，當反組工作時，則輸出的電壓波形為電源三相電壓波形的負半波包絡線，平均值為負的最大值。其波形如圖5.14(a)所示，實線為輸出電壓。當需要可控整流電路輸出電壓變小時只要增大控制角α即可，圖5.14(b)所示為控制角α=60°時波形。從圖5.14顯然可以看出，輸出交流電的頻率可通過改變正反組轉換頻率來調節(jié)，而輸出交流電壓Uo的大小可通過改變α的大小進行調節(jié)。5.4.1方波型交—交變頻電路2．三相方波型交—交變頻電路若以上所述的三個單相交—交變頻器互差120°工作，就構成了一個三相交—交變頻器。若每組可控整流電路采用的是三相半波可控整流電路，則三相交—交變頻器共需18只晶閘管，其電路如圖5.15所示。5.4.1方波型交—交變頻電路正組編號為I、III、V，各組內元件編號均為l、3、5；負組編號為IV、VI、II，各組內元件編號均為4、6、2。若每組采用三相橋式可控整流電路，則三相交一交變頻器需36只晶閘管。其任一相電路的工作原理和上述單相交—交變頻器的原理相同。設方波型交—交變頻器輸出交流電周期為T，六個整流組按I→Ⅱ→III→IV→V→VI的順序輪流導通，而每組晶閘管相隔60°（T/6）的時間間隔導通，各整流組導通后維持導通120°（T/3）。5.4.1方波型交—交變頻電路5.4.2正弦波型交—交變頻電路在圖5.13所示的交—交變頻器的主電路中，如果在正組工作的半個周期內讓控制角α按正弦規(guī)律從90°逐漸減小到0°，然后再由0°逐漸增大到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，從零增大到最大，然后再由最大減小到零，如圖5.16所示。在反組工作的半個周期內采用同樣的控制方法，就可以得到接近正弦波的輸出電壓。

5.5PWM型變頻電路5.5.1脈寬調制變頻電路概述在本章第2節(jié)和3節(jié)中介紹的變頻電路的結構可用圖5.17(a)所示來描述。它們的調壓和調頻是分開進行的?？煽卣髌鬟M行輸出電壓大小的調節(jié)，變頻器只進行輸出頻率的調節(jié)。圖5.17(b)所示電路是一種改進電路，其整流器是不可控的，圖中所示的斬波器是將直流電壓轉換成另一幅值的直流電壓的電路，也就是實現(xiàn)調壓的目的，而變頻器進行頻率調節(jié)。圖5.17(c)所示電路則是以不可控整流器接入電網(wǎng)，整流之后不調節(jié)電壓幅度就送入變頻器，在變頻器中同時實現(xiàn)調頻調壓，因輸入的電壓幅值不可變，變頻器的調壓靠改變電壓輸出脈沖的寬度來完成，從輸出波形上看，該電路稱為脈沖寬度調制(PluseWidthModulation)簡稱為PWM方式，此電路原理后面將作重點詳細說明。圖5.17(a)、(b)所示電路結構在運行中存在以下缺點：①調壓與調頻需要兩套可控晶閘管變換器，開關器件多，控制線路復雜。②晶閘管可控整流側在低頻低壓下功率因數(shù)過低。③變頻器輸出的階梯波交流電壓(電流)諧波分量較大，因此變頻器輸出轉矩的脈動率大，低速時影響電動機的穩(wěn)定工作。④由于儲能元件的充放電時間長，變頻器的動態(tài)響應慢。5.5.1脈寬調制變頻電路概述

5.5PWM型變頻電路而圖5.17(c)所示PWM型變頻器則有著以下幾個優(yōu)勢：①主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，開關器件少，控制線路簡單。②整流側使用了不可控整流器，電網(wǎng)功率因數(shù)與變頻器輸出電壓無關而接近于1。③通過對PWM控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次諧波，實現(xiàn)接近正弦的輸出交流電壓波形。④調頻調壓在同一環(huán)節(jié)實現(xiàn)，無中間儲能環(huán)節(jié)，動態(tài)響應加快5.5.1脈寬調制變頻電路概述1．PWM控制的重要理論基礎——面積等效原理5.5.1脈寬調制變頻電路概述脈寬調制(PWM)變頻的設計思想，源于通信系統(tǒng)中的載波調制技術。由采樣理論可知，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?！皼_量”是指窄脈沖的面積?！靶Ч鞠嗤笔侵腑h(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同，低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。具體解釋如下：將圖5.18所示的不同的電壓窄脈沖分別加在一階慣性環(huán)節(jié)R-L電路(如圖5.19(a)所示，就會產生不同的電流響應波形i(t)，如圖5.19(b)所示，圖中的a、b、c、d曲線分別對應圖5.18中的(a)、(b)、(c)、(d)輸入脈沖的響應波形。從5.19(b)所示波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。如果輸入的脈沖越窄，各i(t)響應波形的差異將越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。這就是所謂的面積等效原理。2．PWM波形的概念及生成方法如果將一個正弦半波N等分，正弦半波可看成是N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等,如圖5.20(a)所示(圖中N=7)；利用上述面積等效原理，如果將上述每個脈沖都用一個與其面積（沖量）相等的等幅矩形脈沖代替，且矩形脈沖的中點與相應正弦等分的中點重合，如圖5.20(b)所示，這樣的矩形脈沖就是PWM(PluseWidthModulation)波形。正弦波的負半波可以用同樣的辦法來等效。可以看出，該PWM脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的，所以又稱為SPWM(Sinusoidal

PluseWidthModulation)波形。5.5.1脈寬調制變頻電路概述實際應用中，人們通常用調制法來確定脈沖寬度。當?shù)妊遣ㄉ舷聦挾扰c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(shù)值的矩形脈沖，這種方法稱為調制方法。5.5.1脈寬調制變頻電路概述5.5.2單相PWM變頻電路

5.5PWM型變頻電路如果在正弦調制波ur的半個周期內三角波只有一個極性，只有一個IGBT通斷，其通斷是由三角載波uc和正弦調制波ur的交點時刻控制的。這種調制方式稱為單極性調制方式，其波形如圖5-22(a)所示。各開關器件的控制規(guī)律如下：在ur正半周，V1保持導通，V2保持關斷，V4交替通斷。當ur>uc時使V4導通，V3關斷，負載電壓uo=Ud。當ur≤uc時使V4關斷，由于電感性負載中電流不能突變，負載電流將通過D3續(xù)流，負載電壓uo=0。5.5.2單相PWM變頻電路在ur負半周，V2保持導通，V1保持關斷。V3交替通斷。當ur<uc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D4續(xù)流，負載電壓uo=0。這樣就得到uo的PWM波形，如圖5-22(a)所示，圖中uc為等腰三角波載波，ur為正弦波調制波，uo為PWM波，uof為基波分量。由于uo是按正弦波調制的，所以又稱為SPWM波。5.5.2單相PWM變頻電路與單極性調制方式相對應的另外一種PWM調制方式稱為雙極性調制方式。單相橋式變頻電路采用雙極性調制方式時的PWM波形,如圖5.22(b)所示。在正弦調制波ur的整個周期內，對各開關器件的控制規(guī)律與單極性控制相同，同樣在三角載波uc和正弦調制波ur的交點時刻控制各開關器件的通斷。各開關器件的控制規(guī)律如下：當ur>uc時使V1、V4導通，V2、V3關斷，此時負載電壓uo=Ud；當ur≤uc時使V1、V4關斷，V2、V3導通，此時負載電壓uo=－Ud。5.5.2單相PWM變頻電路在雙極性調制方式中，三角載波是正負兩個極性變化，所得到的PWM波也是正負兩個極性變化。變頻電路同一相上下兩臂的驅動信號互補的。在實際應用中，為防止上下臂直通而造成短路，在給一個臂施加關斷信號后，要延遲一死區(qū)時間，然后再給另一個臂施加導通信號。5.5.