最新變頻器原理及應(yīng)用

1、變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章書(shū)名：變頻器原理及應(yīng)用 第3版isbn： 978-7-111-48488-2作者：王廷才出版社：機(jī)械工業(yè)出版社本書(shū)配有電子課件變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章第三章 交-直-交變頻技術(shù) 交-直-交變頻器的主電路框圖如圖3-1所示。主電路包括三個(gè)組成部分：整流電路、中間電路和逆變電路。 圖3-1 交-直-交變頻器的主電路框圖變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章3.1 整流電路 3.1.1 3.1.1 不可控整流電路不可控整流電路 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

2、如圖3-2所示。 圖3-2 三相橋式整流電路 變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章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(yáng) 極連接在一起，稱為共陽(yáng)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(yáng)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13周期，即導(dǎo)通角 為120。通過(guò)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 變頻器原理

3、與應(yīng)用(第3版）第3章3.1.2 3.1.2 可控整流電路可控整流電路 3.1.2 3.1.2 可控整流電路可控整流電路 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 變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章可控整流電路工作原理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)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(duì)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(yáng)極組晶

4、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 變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章可控整流電路控制原則可控整流電路控制原則 1) 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(yáng)極組，另一只在共陰極組。能形成負(fù)載電流，其中一只在共陽(yáng)極組，另一只在共陰極組。 2) 2) 整流輸出電壓整流輸出電壓u ud d波形是由電源線電壓波

5、形是由電源線電壓u ursrs、u urtrt、u ustst、u usrsr、u utrtr和和u ursrs的輪流輸出所組成的。晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)椋海ǖ妮喠鬏敵鏊M成的。晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)椋海╲tvt6 6和和vtvt1 1）（vtvt1 1和和vtvt2 2）（vtvt2 2和和vtvt3 3）（vtvt3 3和和vtvt4 4）（vtvt4 4和和vtvt5 5）（vtvt5 5和和vtvt6 6）。）。 3) 3) 六只晶閘管中每管導(dǎo)通六只晶閘管中每管導(dǎo)通120120，每間隔，每間隔6060有一只晶閘管換流。有一只晶閘管換流。 4 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

6、發(fā)。）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)。 變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章 不同控制角時(shí)輸出電壓波形不同控制角時(shí)輸出電壓波形 6060時(shí)的電壓波形時(shí)的電壓波形 圖圖3-6 3-6 6060時(shí)的電壓波形時(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 u ud d=2.34=2.34u u2 2coscos (3-2)(3-2)變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章3.2 3.2 中間電路中間電路 變頻器的中間電

7、路有濾波電路和制動(dòng)電路等不同的形式。 3.2.13.2.1濾波電路濾波電路 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(duì)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。變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章1. 1. 電容濾波電容濾波 通常用大容量電容對(duì)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(guò)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

8、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變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章 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 變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章2. 2. 電感濾波電感濾波 采用大容量電感對(duì)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

9、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 變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章3. 3. 制動(dòng)電路制動(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。

10、圖3-12為制動(dòng)電路的原理圖變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章3.3 逆變電路的工作原理及基本形式逆變電路的工作原理及基本形式 3.3.1 3.3.1 逆變電路的工作原理逆變電路的工作原理 逆變電路也簡(jiǎn)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(kāi)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(kāi)關(guān)s1、s4閉合，s2、s3斷開(kāi)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(kāi)關(guān)s1、s4打開(kāi)，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

11、變器工作原理 變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章3.3.2 逆變電路的基本型式逆變電路的基本型式 1.半橋逆變電路半橋逆變電路 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) 工作波形變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章2. 全橋逆變電路全橋逆變電路 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

12、、4和橋臂2、3組成兩對(duì)，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(hào)，給v2、v3導(dǎo)通信號(hào)，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(kāi)始反向。同樣在t4時(shí)刻給v2、v3關(guān)斷信號(hào)，給v1、v4導(dǎo)通信號(hào)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(duì)交替各導(dǎo)通180。其輸出電壓uo和負(fù)載電流

13、io見(jiàn)圖3-15b 所示。 a) 全橋逆變電路 b) 工作波形變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章3.4 spwm3.4 spwm控制技術(shù)控制技術(shù) 3.4.1 3.4.1 概述概述 pam (pulse amplitude modulation)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 (pulse width modulation) 脈寬調(diào)制型，是靠改變脈沖寬度來(lái)控制輸出電壓，通過(guò)改變調(diào)制周期來(lái)控制其輸出頻率。 spwm（sinusoidal pwm）正弦波脈寬調(diào)制型 ，spwm控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)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

14、而寬度不等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波所需要的波形。 變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章3.4.2 spwm3.4.2 spwm控制的基本原理控制的基本原理 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 變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章 根據(jù)上述理論，正弦波可用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替。

15、如圖3-21所示。 圖3-21變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章3.4.3 pwm逆變電路的控制方式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(jiàn)圖3-23，載波uc在調(diào)制信號(hào)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變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章 2.雙極性控制方式 雙極性控制方式波形見(jiàn)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變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章3.4.4 spwm逆變器的調(diào)制方式逆變器的調(diào)制方式 在spwm逆變器中，三角波

16、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nftfr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。變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章 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(duì)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(duì)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(guò)少，低頻諧波分量較大

17、，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章 (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(shì)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(duì)稱性，因而引起電動(dòng)機(jī)工作不平穩(wěn)。變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章

18、(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(zhǎng)，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(duì)稱的優(yōu)點(diǎn)，在低頻運(yùn)行時(shí)，使載波比有級(jí)地增大，以采納異步調(diào)制的長(zhǎng)處，這就是分段同步調(diào)制方式。具體地說(shuō)，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(duì)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。變頻器原理與應(yīng)用(第3版）第3章3.4.5 spwm波形成的方法波形成的方法 1. 自然采樣法 自然采樣法即計(jì)算正弦信號(hào)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(cè)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 自然采樣法變頻器原理