变频电路原理.docx

1、变频电路原理第七章变频电路学习要求1.熟悉变频电路的基本工作原理，理解交一直一交变频电路与交一交变频电路的原理特点。2.掌握谐振式变频电路的原理，理解谐振式换流的特点。3.熟练掌握三相桥式变频电路的基本结构和工作原理，会分析电路的工作波形。4.理解两种交一交变频电路的结构特点， 。5.重点掌握脉宽调制(PWM型变频电路的工作原理，熟悉生成三相 SPWI波的芯片外部接线。7.1变频电路的基本工作原理我们以单相交一直一交、交一交变频电路为例，说明变频电路的基本工作原理。7.1.1单相输出交一直一交变频电路图7.1 (a)所示为单相桥式变频电路，该图中 UD为通过整流电路将交流电整流而得的直流电源，

2、晶闸管V、V4称为正组，V2、V3称为反组。当控制电路使 V、V4导通，使V2、V3关断时，在输出端获得正向 电压UO；当控制电路使 V V3导通，使V、关断时，输出端获得反向电压 UO ,即交替导通正组、反组的晶闸管，并且改变其导通关断的频率，就可在输出端获得频率不同的方波，其输出波形如图 7.1 ( b)所示。如果改变正组和反组的控制角 a的大小，则可实现对输出电压幅值的调节。这种电路直接将直流电变换为不同频率的交流电，从晶闸管的工作特性可知，晶闸管从关断变为导通 是容易实现的，然而，由于电源为直流电，要使已导通的晶闸管重新恢复到关断状态则比较困难。从某种 意义上讲，整个晶闸管变频电路发展

3、的过程即是研究如何更有效、可靠地关断晶闸管的过程。我们把变频 电路中已导通的晶闸管关断后再恢复其正向阻断状态的过程称为换流，通常采用的办法是对导通状态的晶 闸管施加反压，使其阳极电流下降到维持电流以下，从而关断晶闸管。加反压的时间必须大于晶闸管的关 断时间。+&矜 I Vv3图7.1 单相输出交一直一交变频电路(a)电路； (b)输出电压；随着半导体工业的发展，一些新型的全控型开关器件如前面所讲到的 GTO GTR MOSFETIGBT管等正在逐渐取代晶闸管，由于其属于全控型器件，导通和关断都可以控制，这使交一直一交变频电路得到了 很大的发展。7.1.2单相输出交一交变频电路电路原理如图7.2

4、 (a)所示。电路由具有相同特征的两组晶闸管整流电路反并联构成，将其中一组称 为正组整流器，另外一组称为反组整流器。如果正组整流器工作，反组整流器被封锁，负载端输出电压的 极性为上正下负；如果反组整流器工作， 正组整流器被封锁，则负载端得到的输出电压的极性为上负下正。这样，只要交替地以低于电源频率切换正、反组整流器的工作状态，即可在负载端获得交变的输出电压。止组反凱(a)正织週0反细通i(b)图7.2 单相输出交一交变频电路及波形图(控制角不变)(a)电路；(b)输出电压；如果在一个周期内控制角 a是固定不变的，则输出电压波形为矩形波，如图 7.2 (b)所示。矩形波中含有大量的谐波，对电机的

5、工作不利。如果控制角 a不固定，在正组工作的半个周期内让控制角 a按正弦规律从90逐渐减小到0，然后再由逐渐增加到 90,那么正组整流电路的输出电压的平均值就按正弦 规律变化。控制角从零增大到最大，然后从最大减小到零，变频电路输出波形如图 7.3所示(三相交流输入)，该图中AG点为触发控制的时刻。在反组工作的半个周期内采用同样的控制方法，就可得到接近 正弦波的输出电压。图7.3 交一交变频电路的输出波形(控制角变化)7.1.3两种变频电路的特点比较同交一直一交变频电路相比，交一交变频电路有以下优缺点。1.优点(1)只有一次变流，且利用电网电源进行换流，不需要另接换流元件，提高了变流效率。(2)

6、可以很方便地实现四象限工作。(3 )低频时输出波形接近正弦波。2.缺点(1 )接线复杂，使用的晶闸管数目多。(2)受电网频率和交流电路各脉冲数的限制，输出频率低。(3)采用相控方式，功率因数较低。由于上述的优缺点，交一交变频电路主要用于 500 kW或1000 kW以上，转速在 600r/ min以下的大功率、低转速的交流调速装置中，目前已在矿山碎石机、水泥球磨机、卷扬机、鼓风机及轧钢机主传动装 置中获得较多的应用。它既可用于异步电动机传动，也可用于同步电动机传动。而交一直一交变频电路主要用于金属熔炼、感应加热的中频电源装置，可将蓄电池的直流电变换为50Hz交流电的不停电电源、 变频变压电源(

7、VWF)和恒频恒压电源等。 通常又将交一直一交变频电路称为无源逆变电路。7.2 三相桥式变频电路如果变频电路的负载是三相负载，则需要变频电路输出频率可调的三相电压。这种变频电路多采用三相桥式变频电路。7.3.1电压源型桥式变频电路电路结构如图7.9所示。该图中用六个大功率晶体管（ GTR作为可控元件，Vi与V4, V3与 V V与V2构成三对桥臂，二极管 VDVD6为续流二极管。图7.9 电压源型三相桥式变频电路电压源型三相桥式变频电路的基本工作方式为 180。导电型，即每个桥臂的导电角度为 180。，同一相上下桥臂交替导电， 各相开始导电的时间依次相差 120。由于每次换流都在同一相上下桥臂

8、之间进行，因此称为纵向换流。在一个周期内，六个管子触发导通的次序为 ViV6 ,依次相隔60,任意时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为 V1V2V3、V2V3V4、V3V4V5、V4V5V6、V5V6V1和V6V1V2，每种组合工作60电角度。下面分析各相负载相电压和线电压波形。设负载为星形联接，三相负载对称，中性点为 No图7.10给出了电压源型三相桥式变频电路的工作波形。图7.10 电压源型三相桥式变频电路的工作波形 为了分析方便，将一个工作周期分成六个区域。在0 V 3 t 0, Ug2 O, Ug3 0,使Vi、V2、V3同时导通，此时 AB两点通过导通的 Vi、V3相当于同时接

9、在电源的正极，而 C点通过导通的图7.11 V 1、V2、V3同时导通时的等效电路由此等效电路可得此时负载的线电压为U AB = 0 , UBc= +U D , UCa = -U D式中Ud为变频电路输入的直流电压。负载的相电压为LAn= + U d/3 ，UBn= + U d/3，UCn= - 2U d /3在3 t = n/3时，控制关断 Vi，控制导通 V4，即在n/ 3 V 3 t 2 n/ 3区域，有 V2、V V4同时导通，此时 AC两点通过导通的 、V4相当于同时接在电源的负极，而 B点通过导通的 V接于电源的正极，所以该时区变频桥的等效电路如图 7.12所示。图7.12 V 2

10、、V3、V4同时导通时的等效电路由此等效电路可得此时负载的线电压为U负载的相电压为AB = -U D , LBc= +U D , LCa = 0LAn= - U d/3 , LBn= + 2U3 , LCn = - U d /3根据同样的思路可得其余四个时域的相电压和线电压的值，如图 7.10所示。从图7.10可以看出，负载线电压为120正、负对称的矩形波，相电压为180正、负对称的阶梯波。 三相负载电压相位相差 120。由于每个控制脉冲的宽度为 180,因此每个开关元件的导通宽度也为180。如果改变控制电路中一个工作周期 T的长度，则可改变输出电压的频率。对于180导电型变频电路，由于是纵向

11、换流，存在着同一桥臂上的两个元件一个关断、同时另一元 件导通的时刻，例如，在 3 t = n/3时，要关断V1,同时控制导通 V4,所以，为了防止同相上、下桥臂 同时导通而引起直流电源的短路， 必须采取先断后通的方法，即上、下桥臂的驱动信号之间必须存在死区，即两个元件同时处于关断状态。除180导电型外，三相桥式变频电路还有 120导电型的控制方式， 即每个桥臂导通120 ,同一相上、下两臂的导通有 60。的间隔，各相导通依次相差 120 。120。导通型不存在上、下开关元件同时导通的问题，但当直流电压一定时，其输出交流线电压有效值比 180。导通型低得多，直流电源电压利用率低。因此，一般电压源

12、型三相变频电路都采用 180导电型控制方式。改变变频桥晶体管的触发频率或者触发顺序 （V6V1），能改变输出电压的频率及相序，从而可实现电动机的变频调速与正反转控制。注意：若采用晶闸管作为变频桥的开关元件，必须附加换流电路，以实现晶闸管的换流。7.3.2 电流源型三相桥式变频电路图7.13给出了电流源型三相桥式变频电路原理图。变频桥采用 IGBT即绝缘栅双极型晶体管作为可控开关元件。图7.13 电流源型三相桥式变频电路电流源型三相桥式变频电路的基本工作方式是 120。导通方式，每个可控元件均导通 120 ，与三相桥式整流电路相似，任意瞬间只有两个桥臂导通。导通顺序为 V1V6，依次相隔60,每

13、个桥臂导通120,这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。换流时，在上桥臂组或下桥臂组内依次换流，称为横向换流，所以即使出现换流失败，即出现上桥臂 （或下桥臂）两个IGBT同时导通的时刻，也不会发生直流电源短路的现象，上、下桥臂的驱动信号之间不必存在死区。下面分析各相负载电流的波形。设负载为星型联接，三相负载对称，中性点为 N图7.14给出了电流源型三相桥式变频电路的输出电流波形。11F.1II一1i !I |i1!1111i1i1 ll iI l! 1 -1J1L|Hi1i 1 1 lif111110111图7.14 电流源型变频电路的工作波形为了分析方便，将一个工作周期分为六个

14、区域，每个区域的电角度为 n/3。在0 v 3 t n/ 3区域，已经控制导通开关元件 Vi、V6，此时电源电流通过 M、Za、Zb、V构成闭合回路。负载上分别有电流 ia、i b流过，由于电路的直流侧串人了大电感 Ld ,使负载电流波形基本无脉动，因此电流i a、i b为方波输出，其中i a与图7.13所示的参考方向一致为正，ib与图示方向相反为负， 负载电流ic = 0。在3 t = n/3时，驱动控制电路使 Vs关断，V?导通，进入下一个时区。在 n/3v 3 t a 0之间来回变化(分别为B、C、D E、F各点)，那么变频电路在 半个周期中输出电压的平均值就从 0变到最大再减小到 0

15、，可获得按正弦规律变化的平均电压。2.两组变频电路的工作状态为了分析交一交变频电路的工作状态，可把变频电路视为一个理想交流电源与一个理想二极管相串联，并构成反并联电路，轮流向负载供电，如图 7.18 ( a)所示。分析时略去输出电压、电流中的谐波。系统采用无环流工作方式，即一组变频电路工作时，另一组则被封锁。反组状态 阻斯 整流逆变(a) (b图7.18 交一交变频电路(a)电路；(b)电压与电流的波形；通常，负载是感性的，负载电压与电流的波形如图 7.18(b)所示。功率因数角为时，两组变频电路的工作状态是：在负载电流的正半周( tit 3),由于整流器的单向导电性，正组变频电路有电流流过，

16、反组变频电路被阻断。但在正组变频电路导通的 tit 2阶段，正组变频电路输出电压、电流都为正时，它工作在整流状态。而在 t2t 3阶段，负载电流方向未改变，但输出电压方向却已变负，正组变频电路 处于逆变状态。在t 3t4阶段，负载电流反向，正组变频电路阻断， 反组变频电路工作，由于输出电压、 输出电流均为负，故反组变频电路处于整流状态。在 t4t 5阶段，电流方向未变，但输出电压反向，反组变频电路处于逆变状态。从以上分析可得出：哪组变频电路应导通是由电流的方向所决定的，而与电压的极性无关。对于感性 负载，两组变频电路均存在整流和逆变两种工作状态。至于哪组变频电路是工作在整流还是逆变状态，应 视

17、输出电压与电流是极性相同还是相反而定。实际变频电路输出电压波形由电源电压的若干片段拼凑而 成，如图7.19 (a)所示。变频电路在感性负载下工作时，正组桥和反组桥均存在着整流和逆变两种工作状态，当控制角处于 n/2 a 0时，整流电压上部面积大于下部面积，平均电压为正，正组变频电路工作于整流状态；当 n/2 a n时，整流电压上部面积小于下部面积，平均电压为负，正组变频电路工作于逆变状态。图 7.19给出了正组(共阴极)输出的电压波形，反组变频电路(共阳极)工作状态与正组相似。这样，负载上电 压的波形就由正组整流、逆变和反组整流、逆变四种波形组合而成。(a) (b)输岀Hi压 0 的某一值再回

18、到 n/2连续变化，可方便地调节输 出电压幅值。当控制正、反组变频电路导通的频率时，即可改变输出电压的频率。显然，这种电路的输出 电压频率小于电源频率。只要调节图7.15中每组整流电路的控制角 a由n/2到a 0 的某一值再回到 n/2连续变化，负载上就可获得三相正弦电压波形。7.5 脉宽调制（PWM型变频电路7.5.1脉宽调制变频电路概述1 脉宽调制变频电路的基本工作原理脉宽调制变频电路简称 PW谀频电路，常采用电压源型交一直一交变频电路的形式，其基本原理是控 制变频电路开关元件的导通和关断时间比（即调节脉冲宽度）来控制交流电压的大小和频率。下面以单相 PW礎频电路为例来说明其工作原理。 图7.20为单相桥式变频电路的主电路， 由三相桥式整流电路获得一恒定的直流电压，由四个全控型大功率晶体管 V1V4作为开关元件，二极管 VDVD4是续流二极管，为无功能量反馈到直流电源提供通路。信号波气凋制屯踣载波一图7.20 单相桥式PWM频