第三章交直交變頻技術(shù)

第三章交直交變頻技術(shù)《變頻器原理與應(yīng)用(第2版）》第3章第一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四3.1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

第二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四三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(dǎo)通；共陽極組三只二極管VD2、VD4、VD6在t2、

t4、t6換流導(dǎo)通。一個(gè)周期內(nèi)，每只二極管導(dǎo)通1／3周期，即導(dǎo)通角為120°。通過計(jì)算可得到負(fù)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

第三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四3.1.2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

第四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四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(diǎn)為1、3、5，負(fù)半波的自然換相點(diǎn)為2、4、6。當(dāng)α＝0°時(shí)，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(yīng)自然換相點(diǎn))送出觸發(fā)脈沖，即在三相電源電壓正半波的1、3、5點(diǎn)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(fù)半波的2、4、6點(diǎn)向陽極組晶閘管VT2、VT4、VT6輸出觸發(fā)脈沖，負(fù)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(luò)線。圖3-5b三相橋式全控電路電壓波形

第五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四可控整流電路控制原則

1)三相全控橋整流電路任一時(shí)刻必須有兩只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，才能形成負(fù)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(dǎo)通順序?yàn)椋海╒T6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(dǎo)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)。第六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四不同控制角時(shí)輸出電壓波形

α＝60°時(shí)的電壓波形圖3-6α＝60°時(shí)的電壓波形

三相橋式可控整流電路輸出電壓平均值計(jì)算三相橋式可控整流電路所帶負(fù)載為電感性時(shí)，輸出電壓平均值可用下式計(jì)算

Ud=2.34U2cosα(3-2)第七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四3.2中間電路

變頻器的中間電路有濾波電路和制動(dòng)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(jìn)行濾波，以減少電壓或電流的波動(dòng)。這種電路稱為濾波電路。第八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四1.電容濾波

通常用大容量電容對整流電路輸出電壓進(jìn)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(shí)，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(yīng)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九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四

采用大電容濾波后再送給逆變器，這樣可使加于負(fù)載上的電壓值不受負(fù)載變動(dòng)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(dòng)機(jī)負(fù)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

第十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四2.電感濾波采用大容量電感對整流電路輸出電流進(jìn)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(fù)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

第十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四3.制動(dòng)電路利用設(shè)置在直流回路中的制動(dòng)電阻吸收電動(dòng)機(jī)的再生電能的方式稱為動(dòng)力制動(dòng)或再生制動(dòng)。圖3-12為制動(dòng)電路的原理圖。制動(dòng)電路介于整流器和逆變器之間，圖中的制動(dòng)單元包括晶體管VB、二極管VDB和制動(dòng)電阻RB。如果回饋能量較大或要求強(qiáng)制動(dòng)，還可以選用接于H、G兩點(diǎn)上的外接制動(dòng)電阻REB。圖3-12為制動(dòng)電路的原理圖第十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四3.3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(gè)橋臂由開關(guān)構(gòu)成，輸入直流電壓E，逆變器負(fù)載是電阻R。當(dāng)將開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，電阻上得到左正右負(fù)的電壓；間隔一段時(shí)間后將開關(guān)S1、S4打開，S2、S3閉合，電阻上得到右正左負(fù)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

第十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四3.3.2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(gè)串聯(lián)的足夠大的電容兩端，并使得兩個(gè)電容的連接點(diǎn)為直流電源的中點(diǎn)，即每個(gè)電容上的電壓為Ud/2。由兩個(gè)導(dǎo)電臂交替工作使負(fù)載得到交變電壓和電流，每個(gè)導(dǎo)電臂由一個(gè)功率晶體管與一個(gè)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)工作波形第十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四2.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(gè)橋臂，橋臂1、4和橋臂2、3組成兩對，工作時(shí)，設(shè)t2時(shí)刻之前V1、V4導(dǎo)通，負(fù)載上的電壓極性為左正右負(fù)，負(fù)載電流io由左向右。t2時(shí)刻給V1、V4關(guān)斷信號，給V2、V3導(dǎo)通信號，則V1、V4關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流io方向不能突變，于是VD2、VD3導(dǎo)通續(xù)流，負(fù)載兩端電壓的極性為右正左負(fù)。當(dāng)t3時(shí)刻io降至零時(shí)，VD2-、VD3截止，V2、V3導(dǎo)通，io開始反向。同樣在t4時(shí)刻給V2、V3關(guān)斷信號，給V1、V4導(dǎo)通信號后，V2、V3關(guān)斷，io方向不能突變，由VD1、VD4導(dǎo)通續(xù)流。t5時(shí)刻io降至零時(shí)，VD1、VD4截止，V1、V4導(dǎo)通，io反向，如此反復(fù)循環(huán)，兩對交替各導(dǎo)通180°。其輸出電壓uO和負(fù)載電流iO見圖3-15b所示。

a)全橋逆變電路b)工作波形第十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四3.4SPWM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(jìn)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(jìn)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。第十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四3.4.2SPWM控制的基本原理采樣控制理論有這樣一個(gè)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(shí)，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(yīng)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(dāng)它們分別加在同一個(gè)慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)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十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四根據(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第十八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四3.4.3PWM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(fù)半周為負(fù)極性的三角波。

圖3-23單極性控制方式波形第十九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四

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(gè)周期內(nèi)，三角波載波是在正負(fù)兩個(gè)方向變化的，所得到的PWM波形也是在兩個(gè)方向變化的。

圖3-24雙極性控制方式波形第二十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四3.4.4SPWM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N＝ft／fr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。第二十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四1.同步調(diào)制方式載波比N等于常數(shù)時(shí)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(gè)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(diǎn)是在逆變器輸出頻率變化的整個(gè)范圍內(nèi)，皆可保持輸出波形的正、負(fù)半波完全對稱，只有奇次諧波存在。而且能嚴(yán)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(diǎn)是當(dāng)逆變器輸出頻率很低時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)的SPWM脈沖數(shù)過少，低頻諧波分量較大，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。第二十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四

(2)異步調(diào)制方式

在逆變器的整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載渡比N不是一個(gè)常數(shù)。一般在改變調(diào)制波頻率fr時(shí)保持三角波頻率ft不變，因而提高了低頻時(shí)的載波比，這樣逆變器輸出電壓每個(gè)周期內(nèi)PWM脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，相應(yīng)地可減少負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(shí)，又失去了同步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)載波比N隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，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(dòng)機(jī)工作不平穩(wěn)。第二十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四

(3)分段同步調(diào)制方式

實(shí)際應(yīng)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(diǎn)，在低頻運(yùn)行時(shí)，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(gè)變頻范圍劃分為若干頻段，在每個(gè)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(shí)，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(fù)雜性。第二十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期四3.4.5SPWM波形成的方法1.自然采樣法

自然采樣法即計(jì)算正弦信號波和三角載波的交點(diǎn)，從而求出相應(yīng)的脈寬和間歇時(shí)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(shí)時(shí)狀況。檢測出交點(diǎn)A是發(fā)出脈沖的初始時(shí)刻，B點(diǎn)是脈沖結(jié)束時(shí)刻。TC為三角波的周期；t2為AB之間的脈寬時(shí)間，t1和t3為間歇時(shí)間。顯然，TC=t1+t2+t3。

圖3-21自然采樣法第二十