1、第三章 變頻器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 3.1 概述 3.2 交-直-交變頻器 3.3 SPWM控制技術(shù) 3.4 交-交變頻器,3.1概述 1、變頻器是一種典型的采用了變頻技術(shù)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制用電氣設(shè)備 2、變頻器電路由主電路和控制電路組成，其中主電路采用各種電力電子電路構(gòu)成 3、所謂電力電子電路是指利用電力電子器件對(duì)工業(yè)電能進(jìn)行變換和控制的大功率電子電路。由于電力電子電路主要用來(lái)處理高電壓大電流的電能，為了減少電路對(duì)電能的損耗，電力電子器件通常工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此電力電子電路實(shí)質(zhì)上是一種大功率開(kāi)關(guān)電路 4、電力電子電路是變頻技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)，包括整流電路（AC-DC轉(zhuǎn)換電路）、斬波電路（DC-DC

2、轉(zhuǎn)換電路）、逆變電路（DC-AC轉(zhuǎn)換電路）、交-交變頻電路（AC-AC轉(zhuǎn)換電路,3.2 交-直-交變頻器 一、概述 1、交-直-交變頻器是現(xiàn)在最常使用的變頻器，按直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式分為電壓型變頻器、電流型變頻器，按輸出電壓的調(diào)制方式分為PWM控制方式、PAM控制方式，目前廣泛采用PWM方式變頻器 2、交-直-交變頻器電路結(jié)構(gòu)如圖，其中主電路包括整流電路、中間電路、逆變電路,二、整流電路 1、概述 整流電路（Rectifying Circuit）是一種將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路 2、分類 （1）按組成器件及控制能力： （a）不可控整流電路：整流器件由不可控功率二極管組成，其直流整流電壓和交流

3、電源電壓值之比固定不變 （b）半控整流電路：整流器件由可控開(kāi)關(guān)器件和二極管混合組成，負(fù)載電源極性不能改變，但電壓平均值可以調(diào)節(jié) （c）全控整流電路：所有整流器件采用可控開(kāi)關(guān)器件（SCR、GTR、GTO、IGBT等），其輸出直流電壓平均值及極性可以通過(guò)控制元件的導(dǎo)通狀況調(diào)節(jié)，功率既可以由電源向負(fù)載傳送，也可以由負(fù)載反饋給電源,3.2交-直-交變頻器,2、分類 （2）按交流電源相數(shù)：?jiǎn)蜗嗾?、三相整?（3）按電路結(jié)構(gòu)： （a）零式電路：指帶零點(diǎn)或中性點(diǎn)的電路，又稱半波電路 （b）橋式電路：是由兩個(gè)半波電路串聯(lián)而成，又稱全波電路 （4）按控制方式： （a）相控式電路：通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件觸發(fā)脈沖的相位

4、來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式 （b）斬波式電路：利用開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過(guò)通、斷的時(shí)間變化來(lái)改變負(fù)載電壓平均值，稱為斬波控制方式,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,3、不可控整流電路 （1）單相橋式整流電路 （a）結(jié)構(gòu)：4個(gè)二極管按橋式方式連接 （b）工作原理過(guò)程： 0區(qū)間： A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位， VD1、VD4承受正向壓降導(dǎo)通， VD2、VD3承受反向壓降而截止， 電流id流通路徑如圖之所示， 電流從A+VD1RVD4B， 由于VD1、VD4導(dǎo)通時(shí)管壓降很小， 可忽略不計(jì)，故可以看做電源電壓 全部施加于負(fù)載電阻R上， 即

5、輸出電壓ud=uAB=u2,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,3、不可控整流電路 （1）單相橋式整流電路 （b）工作原理過(guò)程： 2區(qū)間： B點(diǎn)電位高于A點(diǎn)電位， VD2、VD3承受正向壓降導(dǎo)通， VD1、VD4承受反向壓降而截止， 電流id流通路徑如圖之所示， 電流從B+VD2RVD3A， 由于VD2、VD3導(dǎo)通時(shí)管壓降很小， 可忽略不計(jì)，故可以看做電源電壓 全部施加于負(fù)載電阻R上， 即輸出電壓ud=uBA=-u2,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,3、不可控整流電路 （2）三相橋式整流電路 （a）概述 常用于三相交流電源供電的電力電子設(shè)備如變頻器等 可將三相交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓 （

6、b）結(jié)構(gòu) 包括6個(gè)整流二極管 VD1、VD3、 VD5陰極 連在一起，稱共陰極組； VD2、VD4、 VD6陽(yáng)極 連在一起，稱共陽(yáng)極組 該三相變壓器接法 可消除高次諧波,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,3、不可控整流電路 （2）三相橋式整流電路 （c）電壓波形,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,3、不可控整流電路 （2）三相橋式整流電路 （d）工作原理 三相對(duì)稱交流電源接入U(xiǎn)、V、W后，在同一時(shí)刻共陰極組陽(yáng)極電位最高的那個(gè)二極管優(yōu)先導(dǎo)通，共陽(yáng)極組陰極電位最低的那個(gè)二極管優(yōu)先導(dǎo)通，且只有以上兩個(gè)二極管同時(shí)導(dǎo)通構(gòu)成回路，其余4個(gè)二極管承受反向電壓而截止 若把三相交流電壓一個(gè)周期6等分，每

7、份所占相位角為60，在任意一個(gè)60相位角內(nèi)始終有共陰極組和共陽(yáng)極組各一個(gè)二極管同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，且任意一個(gè)二極管導(dǎo)通角都是120 同一相上下橋臂的共陰極組和共陽(yáng)極組二極管不能同時(shí)導(dǎo)通 在三相交流電壓自然換相點(diǎn)（即任意兩相電壓波形交叉點(diǎn)）同組二極管之間換相導(dǎo)通（流過(guò)某VD的電流迅速轉(zhuǎn)移到其它VD流通，此過(guò)程稱為換相或換流）,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,3、不可控整流電路 （2）三相橋式整流電路 （e）工作過(guò)程 0t1期間： uWuUuV,W點(diǎn)電位最高，V點(diǎn)電位 最低，VD5、VD6優(yōu)先導(dǎo)通，電流從 WVD5RVD6 V，忽略二極管 正向壓降，負(fù)載電阻R上電壓ud=uWV， VD5導(dǎo)通后

8、使VD1、VD3陰極電位為uW 而承受反向電壓截止。 同理VD6導(dǎo)通使VD4、VD2截止,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,3、不可控整流電路 （2）三相橋式整流電路 （e）工作過(guò)程 t1t2期間： 剛過(guò)t1，則uUuWuV,U點(diǎn)電位最高， V點(diǎn)電位最低，VD5與VD1換相， VD5截止，VD1導(dǎo)通，VD6仍舊導(dǎo)通， 即該期間VD1、VD6導(dǎo)通，其余截止， 電流從UVD1RVD6 V， 負(fù)載電阻R上電壓ud=uUV,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,3、不可控整流電路 （1）三相橋式整流電路 （e）工作過(guò)程 t2t3期間： 剛過(guò)t2，則uUuVuW,U點(diǎn)電位最高， W點(diǎn)電位最低，VD6

9、與VD2換相， VD6截止，VD2導(dǎo)通，VD1仍舊導(dǎo)通， 即該期間VD1、VD2導(dǎo)通，其余截止， 電流從UVD1RVD2 W， 負(fù)載電阻R上電壓ud=uUW,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,3、不可控整流電路 （1）三相橋式整流電路 （e）工作過(guò)程 依此類推： 可得如圖電壓波形，負(fù)載電阻端電壓 等于變壓器二次繞組線電壓的包絡(luò)值。 VD導(dǎo)通狀態(tài)順序：（VD5、VD6） （VD1、VD6）（VD1、VD2） （VD3、VD2）（VD3、VD4） （VD5、VD4）（VD5、VD6） ， 共陰極組VD1、VD3 、VD5在t1、t3、t5 每間隔120換相導(dǎo)通， 共陽(yáng)極組VD2、VD4 、VD

10、6在t2、t4、t6 每間隔120換相導(dǎo)通 6管按順序VD1VD2 VD3 VD4VD5 VD6 每間隔60導(dǎo)通120相位角,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,4、可控整流電路 （1）單相半波可控整流電路 （a）概述 可控整流電路通常采用 晶閘管作為整流器件，利用 晶閘管的可控單向?qū)щ娦裕?通過(guò)改變其控制角產(chǎn)生大小 可調(diào)的輸出直流電壓， 是相控式整流電路 （b）結(jié)構(gòu) VT：晶閘管 R：電阻性負(fù)載 電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓與電流 成正比，兩者波形相同,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,4、可控整流電路 （1）單相半波可控整流電路 （c）工作原理過(guò)程 0t1期間： u2上正下負(fù)，VT承受正向電

11、壓， G極無(wú)觸發(fā)信號(hào)，VT截止， 負(fù)載電壓ud=0 t1期間： u2上正下負(fù)， t1時(shí)刻觸發(fā)VT 導(dǎo)通，負(fù)載電壓ud=u2 t=時(shí)刻： u2=0，VT過(guò)零關(guān)斷截止 2期間： u2上負(fù)下正，VT承受反向電壓 處于截止?fàn)顟B(tài),3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,4、可控整流電路 （1）單相半波可控整流電路 （d）相關(guān)術(shù)語(yǔ) 觸發(fā)角（控制角） 從晶閘管開(kāi)始承受正向電壓起到 施加觸發(fā)脈沖止的電角度 導(dǎo)通角 晶閘管在一個(gè)電源周期中處于 通態(tài)的電角度 移相 改變控制角大小的過(guò)程 移相范圍 使輸出電壓從零到最大值所對(duì)應(yīng) 的控制角變化范圍 ：0 ， ： 0，+ = ,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,4、可

12、控整流電路 （1）單相橋式半控整流電路 （a）結(jié)構(gòu) VT1、VT3：晶閘管，其G極 連接在一起，觸發(fā)信號(hào)ug同時(shí) 送到兩個(gè)G極 VD2、VD4：二極管 R：電阻性負(fù)載 移相范圍： ：0 ,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,4、可控整流電路 （1）單相橋式半控整流電路 （b）工作原理過(guò)程 0t1期間： u2上正下負(fù)，無(wú)觸發(fā)信號(hào)ug ， VT1截止，VD4不導(dǎo)通 t1t2期間： u2上正下負(fù)，t1時(shí)刻產(chǎn)生觸發(fā) 信號(hào)ug ，VT1導(dǎo)通，VT3承受 反向電壓截止，VD4隨后導(dǎo)通， 電流從a+VT1RVD4b T2時(shí)刻： U2電壓為0，VT1過(guò)零關(guān)斷截止,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,4、可

13、控整流電路 （1）單相橋式半控整流電路 （b）工作原理過(guò)程 t2t3期間： u2上負(fù)下正，無(wú)觸發(fā)信號(hào)ug ， VT3截止，VD2不導(dǎo)通 t3t4期間： u2上負(fù)下正，t3時(shí)刻產(chǎn)生觸發(fā) 信號(hào)ug ，VT3導(dǎo)通，VT1承受 反向電壓截止，VD2隨后導(dǎo)通， 電流從b+VT3RVD2a T4時(shí)刻： U2電壓為0，VT3過(guò)零關(guān)斷截止,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,4、可控整流電路 （2）三相橋式全控整流電路 （a）結(jié)構(gòu) 包括6個(gè)晶閘管 VT1、VT3、 VT5陰極 連在一起，稱共陰極組； VT2、VT4、 VT6陽(yáng)極 連在一起，稱共陽(yáng)極組 R：電阻性負(fù)載,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,4

14、、可控整流電路 （2）三相橋式全控整流電路 （b）工作原理過(guò)程 三相交流電壓自然換相點(diǎn)是各 相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻， 將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角 的起點(diǎn)，即=0 移相范圍： ：0 120 當(dāng) 60時(shí)，id波形與ud波形 形狀一樣均連續(xù) 當(dāng) 60時(shí)，ud波形每60中有 一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值 當(dāng)=120時(shí)， ud為0 其余過(guò)程類似 三相橋式不可控整流電路,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,4、可控整流電路 （2）三相橋式全控 整流電路 （b）工作原理過(guò)程 當(dāng)=0時(shí)，ud為線電壓 在正半周的包絡(luò)線,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,4、可控整流電路 （2）三相橋式全控整流電路

15、 （b）工作原理過(guò)程 當(dāng)=30時(shí)，晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了30，組成ud的每一段線電壓因此推遲30，ud平均值降低,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,4、可控整流電路 （2）三相橋式全控整流電路 （b）工作原理過(guò)程 當(dāng)=60時(shí)， ud波形 中每段線電壓的波形 繼續(xù)向后移， ud平均值繼續(xù)降低。 ud出現(xiàn)了零點(diǎn),3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,4、可控整流電路 （2）三相橋式全控整流電路 （b）工作原理過(guò)程 當(dāng)60時(shí)，因?yàn)閕d 與ud一致，一旦ud 降為至零，id也降 至零，晶閘管關(guān)斷， 輸出整流電壓ud 為零，ud波形不能 出現(xiàn)負(fù)值,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,4、可控整流

16、電路 （2）三相橋式全控整流電路 （c）工作特點(diǎn) 每個(gè)時(shí)刻均需共陰極組和共陽(yáng)極組各1個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成供電回路，且不能為同一相器件。器件換相在本組進(jìn)行 晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)順序：（VT1、VT6）（VT1、VT2） （VT3、VT2）（VT3、VT4）（VT5、VT4） （VT5、VT6） Ud為線電壓的一部分，一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,4、可控整流電路 （2）三相橋式全控整流電路 （c）對(duì)觸發(fā)脈沖要求 晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通順序：VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，相位依次差60 ，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角均為120 共陰

17、極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120 ，共陽(yáng)極組VT2、VT4、VT6也依次差120 同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180 要使電路正常工作，需保證應(yīng)同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖，常用的方法有兩種： 單寬脈沖：使脈沖寬度大于60（可取80100）小于120 雙窄脈沖：觸發(fā)一個(gè)晶閘管時(shí)向前一晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖，常用,3.2交-直-交變頻器 二、整流電路,三、斬波電路 1、概述 （1）又稱直流-直流變換電路。是將直流電變換為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電。 （2）可用于直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制等 2、分類 （1）按功能 分為：降壓斬

18、波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路 （2）按調(diào)壓控制方式 （a）脈沖寬度調(diào)制（PWM）：控制脈沖周期不變，改變脈沖寬度調(diào)壓。常用。故斬波控制也稱為脈寬調(diào)制 （b）脈沖頻率調(diào)制（PFM）：控制脈沖寬度不變，改變脈沖周期調(diào)壓。,3.2交-直-交變頻器,3、斬波電路基本工作原理 （1）S為理想開(kāi)關(guān)，當(dāng)S在ton期間閉合時(shí)，輸出電壓uo=E （2）當(dāng)S在toff期間斷開(kāi)時(shí)，輸出電壓uo=0 （3）當(dāng)S交替通斷，在負(fù)載上就可得到直流脈沖方波電壓 （4）負(fù)載電壓的平均值為： 式中，T為開(kāi)關(guān)周期T=ton+toff， 稱為占空比 （5）改變占空比調(diào)壓

19、（a）T不變，變ton：脈沖寬度調(diào)制 （b）ton不變，變T：脈沖頻率調(diào)制,3.2交-直-交變頻器 三、斬波電路,3、降壓斬波電路 （1）電路結(jié)構(gòu) VT可用晶閘管或全控型自關(guān)斷器件 VD為續(xù)流二極管，L電感 E直流電源，RL負(fù)載 （2）工作原理過(guò)程 （a）VT基極加控制脈沖Ub， 通過(guò)控制VT通斷調(diào)節(jié)輸出電壓 （b）當(dāng)Ub為高電平，VT導(dǎo)通， E產(chǎn)生的電流經(jīng)VT、L、RL，流過(guò) L電流突然增加時(shí)， L產(chǎn)生左正右 負(fù)電動(dòng)勢(shì)阻礙電流I增加同時(shí) 儲(chǔ)存能量，I緩慢增大,3.2交-直-交變頻器 三、斬波電路,3、降壓斬波電路 （2）工作原理過(guò)程 （c）當(dāng)Ub為低電平，VT關(guān)斷， 流過(guò)L的電流突然減小，L

20、馬上產(chǎn)生 左負(fù)右正的電動(dòng)勢(shì)阻礙I的變化， 該電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生電流途徑： L右正RLVDL左負(fù)， 使L釋放能量，該電流逐漸減小 （d）U0電壓平均值： 又稱降壓比，且1，則U0 E,3.2交-直-交變頻器 三、斬波電路,3、降壓斬波電路 （2）工作原理過(guò)程 （e）當(dāng)采用PWM控制方式， 脈沖周期不變寬度變窄， VT導(dǎo)通時(shí)間ton變短， U0下降 （f）當(dāng)采用PFM控制方式， 脈沖寬度不變周期T變長(zhǎng)，單位時(shí)間 內(nèi)VT導(dǎo)通時(shí)間相對(duì)變短，U0下降,3.2交-直-交變頻器 三、斬波電路,3、升壓斬波電路 （1）電路結(jié)構(gòu) 如圖： （2）工作原理過(guò)程 （a） VT基極加控制脈沖Ub，通過(guò)控制VT通斷調(diào)節(jié)輸出電壓

21、（b）當(dāng)Ub為高電平，VT導(dǎo)通，E產(chǎn)生的電流經(jīng)L、 VT，流過(guò)L電流突然增加時(shí)， L產(chǎn)生左正右負(fù)電動(dòng)勢(shì)阻礙電流I增加同時(shí)儲(chǔ)存能量 （c）當(dāng)Ub為低電平，VT關(guān)斷，流過(guò)L的電流突然減小，L馬上產(chǎn)生左負(fù)右正的電動(dòng)勢(shì)與E 疊加，通過(guò)VD向電容C充得上正下負(fù)電壓U0 （d） Ub為高電平時(shí)間越長(zhǎng)，流過(guò)L電流時(shí)間越長(zhǎng)，儲(chǔ)能越多，VT關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)越高，對(duì)C充電電壓越高， U0越大,3.2交-直-交變頻器 三、斬波電路,3、升壓斬波電路 （2）工作原理過(guò)程 （e） U0電壓平均值： T/toff稱為升壓比，且T/toff1，則U0 E （f）同理當(dāng)采用PWM或PFM控制方式，可調(diào)整輸出電壓大小,3.2

22、交-直-交變頻器 三、斬波電路,4、升降壓斬波電路 （1）電路結(jié)構(gòu) 如圖： （2）工作原理過(guò)程 （a）VT基極加控制脈沖Ub，通過(guò)控制VT通斷調(diào)節(jié)輸出電壓 （b）當(dāng)Ub為高電平，VT導(dǎo)通，E產(chǎn)生的電流經(jīng)VT、L，流過(guò)L電流突然增加時(shí)， L產(chǎn)生上正下負(fù)電動(dòng)勢(shì)阻礙電流I增加同時(shí)儲(chǔ)存能量 （c）當(dāng)Ub為低電平，VT關(guān)斷，流過(guò)L的電流突然減小，L馬上產(chǎn)生上負(fù)下正的電動(dòng)勢(shì)經(jīng)VD對(duì)電容C充得上負(fù)下正電壓UO，同時(shí)也有電流流過(guò)負(fù)載RL （d） Ub為高電平時(shí)間越長(zhǎng)，流過(guò)L電流時(shí)間越長(zhǎng)，儲(chǔ)能越多，VT關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的上負(fù)下正電動(dòng)勢(shì)越高，對(duì)C充電電壓越高， U0越大,3.2交-直-交變頻器 三、斬波電路,4、升降壓

23、斬波電路 （2）工作原理過(guò)程 （e）U0電壓平均值： 由若ton/toff1，則U0 E，電路為升壓斬波電路 由若ton/toff uc時(shí)器件導(dǎo)通產(chǎn)生正脈沖， 當(dāng)ur uc時(shí)，控制VT4導(dǎo)通， 輸出電壓uo=Ud 當(dāng)uruc時(shí)，VT1和VT4加導(dǎo)通 信號(hào)，VT2和VT3關(guān)斷， 如io0，則VT1和VT4導(dǎo)通， 如iouc時(shí)，給VT1導(dǎo)通信號(hào)，給VT4關(guān)斷信號(hào)，uUN=Ud/2 （b）當(dāng)urUUA， 觸發(fā)VT2導(dǎo)通后使VT1承受 反壓而自動(dòng)關(guān)斷,3.4 交-交變頻器 二、交-交變頻電路,7、交-交變頻電路觸發(fā)脈沖產(chǎn)生原理 （1）概述 交-交變頻電路要產(chǎn)生近似正弦波輸出，要求各組晶閘管控制角按正弦規(guī)律變化，則須采取適當(dāng)?shù)挠|發(fā)方式和觸發(fā)脈沖產(chǎn)生方法 （2）波形交