變頻器原理與應(yīng)用 第3版 課件全套 王廷才 第1-10章 變頻器的認識-變頻器應(yīng)用實例

第一章變頻器的認識變頻器的概念

變頻器是將固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電的裝置。《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》

1.1變頻器概述

1.1.1變頻器的發(fā)展

1.電力電子器件是變頻器發(fā)展的基礎(chǔ)變頻器問世于20世紀80年代，初期的變頻器主電路由晶閘管等分立電子元件組成，可靠性差、頻率低，而且輸出的電壓和電流的波形是方波。隨著GTR和GTO的出現(xiàn)并成為逆變器的功率器件時，脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)也進入到應(yīng)用階段，這時的逆變電路能夠得到相當接近正弦波的輸出電壓和電流，同時8位微處理器成為變頻器的控制核心，按壓頻比（V/f）控制原理實現(xiàn)異步電動機的變頻調(diào)速，在工作性能上有了很大提高。近年來人們陸續(xù)研制出絕緣柵雙極晶體管IGBT和集成門極換流晶閘管IGCT，以及性能更為完善的智能功率模塊IPM，使得變頻器的容量和電壓等級不斷擴大和提高?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》

2變頻器的發(fā)展得益于計算機技術(shù)和自動控制理論的支持

計算機制造技術(shù)突飛猛進地發(fā)展，使變頻器的中央處理單元從采用8位微處理器迅速升級為16位乃至32位微處理器，有的還使用了DSP系統(tǒng)，使變頻器的功能從單一的變頻調(diào)速發(fā)展為包含算術(shù)、邏輯運算及智能控制的綜合功能。自動控制理論的發(fā)展使變頻器在改善壓頻比控制性能的同時，推出了能實現(xiàn)矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制和自適應(yīng)控制等多種模式?，F(xiàn)代的變頻器已經(jīng)內(nèi)置有參數(shù)辨識系統(tǒng)、PID調(diào)節(jié)器、PLC控制器和通訊單元等，根據(jù)需要可實現(xiàn)拖動不同負載、寬調(diào)速和伺服控制等多種應(yīng)用。《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》3市場需求是變頻器發(fā)展的動力

變頻器的問世為交流電機的調(diào)速提供了契機，不僅要取代結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴的直流電機調(diào)速，而且能節(jié)省大量的能源。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，全國各類電動機耗電量約占全國發(fā)電量的70%。其中80%為異步電動機，大多數(shù)電動機長時間處于輕載運行狀態(tài)，特別是風機、泵類負載的電動機。若在此類負載上使用變頻調(diào)速裝置，將可節(jié)電30%左右。目前，變頻器作為商品在國內(nèi)的銷售額呈逐年增加趨勢，銷售前景十分看好，據(jù)有關(guān)資料報道，在過去幾年內(nèi)中國變頻器市場保持著12%～15%的增長率，這一速度遠遠超過了近幾年GDP的增長速度，變頻器全面推廣應(yīng)用的時代已經(jīng)不遠了。

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》4變頻器的發(fā)展趨勢今天，電力電子的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅）進入到高電壓大容量化、高頻化、組件模塊化、微小型化、智能化和低成本化，多種適宜變頻調(diào)速的新型電機正在開發(fā)研制之中，IT技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及控制理論的不斷創(chuàng)新，這些與變頻器相關(guān)的技術(shù)將影響其發(fā)展的趨勢。變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢是朝著網(wǎng)絡(luò)智能化、專門化、一體化、操作簡便、功能健全、安全可靠、環(huán)保低噪、低成本和小型化的方向發(fā)展?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》

1.1.2變頻器的分類1按變頻的原理分類

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》（1）交-交變頻器交-交變頻器只有一個變換環(huán)節(jié)，即把恒壓恒頻（CVCF）的交流電源轉(zhuǎn)換為變壓變頻（VVVF）電源，稱為直接變頻器，或稱為交-交變頻器?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》（2）交-直-交變頻器交-直-交變頻器又稱為間接變頻器，它是先將工頻交流電通過整流器變成直流電，再經(jīng)逆變器將直流電變成頻率和電壓可調(diào)的交流電。圖1-1所示為交-直-交變頻器的原理框圖。

圖1-1交-直-交變頻器的原理框圖《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》1）交-直-交變頻器根據(jù)直流環(huán)節(jié)的儲能方式，又分為電壓型和電流型兩種，如圖1-2所示。a)電壓型變頻器b)電流型變頻器圖1-2電壓型和電流型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》2）根據(jù)調(diào)壓方式的不同，交-直-交變頻器又分為脈幅調(diào)制和脈寬調(diào)制兩種。①脈幅調(diào)制（PAM）改變電壓源的電壓或電流源的電流的幅值進行輸出控制的方式。

圖1-3

PAM方式調(diào)壓《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》②脈寬調(diào)制（PWM）

變頻器輸出電壓的大小是通過改變輸出脈沖的占空比來實現(xiàn)的。目前使用最多的是占空比按正弦規(guī)律變化的正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM方式。

a)調(diào)制原理b)輸出電壓波形圖1-4用PWM方式調(diào)壓輸出的波形《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》2按控制方式分類（1）V/f控制變頻器（2）轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器（3）矢量控制變頻器（4）直接轉(zhuǎn)矩控制《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》3按用途分類

1）通用變頻器簡易型通用變頻器是一種以節(jié)能為主要目的而簡化了一些系統(tǒng)功能的通用變頻器。它主要應(yīng)用于水泵、風扇、鼓風機等對于系統(tǒng)調(diào)速性能要求不高的場合，并具有體積小、價格低等方面的優(yōu)勢。

高性能通用變頻器在設(shè)計過程中充分考慮了在變頻器應(yīng)用中可能出現(xiàn)的各種需要，并為滿足這些需要在系統(tǒng)軟件和硬件方面都做了相應(yīng)的準備。

2）專用變頻器高性能專用變頻器高頻變頻器高壓變頻器《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》

1.1.3變頻器的應(yīng)用1.1.1變頻器在節(jié)能方面的應(yīng)用

風機、泵類負載采用變頻調(diào)速后，節(jié)電率可以達到20%～60%1.1.2變頻器在自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用化纖工業(yè)中的卷繞、拉伸、計量、導(dǎo)絲；玻璃工業(yè)中的平板玻璃退火爐、玻璃窯攪拌、拉邊機、制瓶機；電弧爐自動加料、配料系統(tǒng)以及電梯的智能控制等。1.1.3變頻器在提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面的應(yīng)用物料傳送、起重、擠壓和機床等各種機械設(shè)備控制領(lǐng)域，它可以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，減少設(shè)備的沖擊和噪聲，延長設(shè)備的使用壽命。《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》1.2異步電動機變頻調(diào)速原理

1.2.1異步電動機變頻調(diào)速機理由電機學可知，三相交流電動機的同步轉(zhuǎn)速（即定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速）n0可表示為

(1-1)式中，f1

為定子供電的頻率；p為電動機的磁極對數(shù)?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》

根據(jù)異步電動機的工作原理，異步電動機要產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，同步轉(zhuǎn)速n0與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n必須有差別。這個轉(zhuǎn)速差（n0－n）與同步轉(zhuǎn)速n0的比值s稱為轉(zhuǎn)差率.

(1-2)異步電動機的轉(zhuǎn)速n的表達式為

(1-3)

異步電動機在額定狀態(tài)運行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n通常與n0相差不大，因此額定轉(zhuǎn)差率sN一般都比較小，其范圍在0.01～0.05之間。《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》如果將電源頻率調(diào)節(jié)為fx，則同步轉(zhuǎn)速n0x也隨之調(diào)節(jié)成

(1-4)

異步電動機變頻后的轉(zhuǎn)速nx的表達式

(1-5)由此式可見，調(diào)節(jié)電源頻率fx，可使異步電動機的轉(zhuǎn)速nx得到大范圍的調(diào)節(jié)。這就是異步電動機變頻調(diào)速的理論依據(jù)?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》1.2.2三相異步電動機的機械特性當加在電動機上的電壓U1為額定電壓時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，稱為電動機的機械特性，即

n=f(T)三相異步電動機的機械特性曲線如圖1-5所示。

圖1-5三相異步電動機的機械特性曲線《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》1.2.3三相異步電動機的變頻起動

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器用降低頻率f1從而也降低了電壓U1的方法來起動電動機。

圖1-6低頻起動時電動機的機械特性曲線?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》

電動機以很低的頻率起動，隨著頻率的上升，轉(zhuǎn)速上升，直至達到電動機的工作頻率后，電動機穩(wěn)速運行。在此過程中，轉(zhuǎn)速差Δn被限制在一定的范圍，起動電流也將被限制在一定的范圍內(nèi)．而且動態(tài)轉(zhuǎn)矩ΔT很小，起動過程很平穩(wěn)?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》1.2.4三相異步電動機的變頻制動

三相異步電動機的變頻制動方式有直流制動和回饋制動。

1.直流制動電動機制動時，切斷電動機的三相電源，在定子繞組中通入直流電，產(chǎn)生一恒定磁場，如圖1-7a所示。由于轉(zhuǎn)子在機械慣性作用下仍按原方向旋轉(zhuǎn)．它切割恒定磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流．用左手定則可判斷感應(yīng)電流在磁場中的受力方向，從而可判斷電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向相反，為制動轉(zhuǎn)矩。

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》如圖1-7b所示，曲線①為原電動運行狀態(tài)機械特性曲線，曲線②為直流制動運行狀態(tài)機械特性曲線。

a)直流制動的原理b)直流制動的機械特性曲線圖1-7直流制動的原理與機械特性《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》2．回饋制動當n＞n1時，轉(zhuǎn)子切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向和電動運行狀態(tài)n＜n1正好相反，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動勢和電流的方向也相反，電磁轉(zhuǎn)矩T也就和n反向，為制動轉(zhuǎn)矩。

圖1-8回饋制動的機械特性曲線

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》1.3變頻器的結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)1.3.1變頻器的外形變頻器的外形可分為掛式、柜式和柜掛式三種.a)掛式b)柜式c)柜掛式圖1-9森蘭通用變頻器的外形《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》1.3.2變頻器的基本原理結(jié)構(gòu)變頻器的內(nèi)部電路相當復(fù)雜，圖1-10所示為變頻器的基本原理結(jié)構(gòu)圖。圖1-10變頻器的基本原理結(jié)構(gòu)框圖

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》控制電路的結(jié)構(gòu)如圖1-11所示，它主要由主控板、鍵盤與顯示板、電源板、外接控制電路等構(gòu)成。

圖1-11控制電路的結(jié)構(gòu)《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》1．主控板主控板是變頻器運行的控制中心2．鍵盤與顯示板鍵盤是向主控板發(fā)出各種信號或指令的，顯示板是將主控板提供的各種數(shù)據(jù)進行顯示兩者總是組合在一起。圖1-12通用變頻器的鍵盤配置

圖1-13通用變頻器的顯示屏

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》

3.電源板(1)主控板電源(2)驅(qū)動電源(3)外控電源《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》1.3.3變頻器的銘牌

變頻器銘牌用于說明變頻器的型號和主要技術(shù)參數(shù)。

圖1-14森蘭變頻器的銘牌《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》變頻器型號說明：《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》1.3.4主要技術(shù)參數(shù)1.輸入電壓主要是指變頻器的輸入電壓的相數(shù)、大小和頻率，常見的有以下幾種：（1）3相380V50/60Hz絕大多數(shù)變頻器采用這種規(guī)格。（2）3相220V50/60Hz主要用于某些進口變頻器。（3）單相220V50/60Hz主要用于家用小容量變頻器。《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》2.輸出電壓UN

由于變頻器在變頻的同時也要變壓，所以輸出電壓是指輸出電壓的相數(shù)、電壓變動范圍和頻率變動范圍。一般輸出電壓變動范圍為0V～輸入電壓，即輸出電壓的最大值總是和輸入電壓相等。3.額定電流IN

通常是指允許長時間輸出的最大電流，是用戶選擇變頻器時的主要依據(jù)。《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》4.輸出容量SN

SN取決于UN和IN的乘積（1-6）5.額定功率PN

PN是變頻器說明書中規(guī)定的配用電動機容量。6.過載能力是指變頻器輸出電流超過額定電流的允許范圍和時間。大多數(shù)變頻器都規(guī)定為1.5IN和60s。《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》

本章小結(jié)變頻器是將固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率交流電的裝置。1.變頻器的發(fā)展變頻器是隨著微電子學、電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制理論等的不斷發(fā)展而發(fā)展起來的。變頻器的發(fā)展趨勢為：智能化、專門化、一體化、環(huán)?；??！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》

2.變頻器的分類

1)按變頻器的工作原理分類:交-交變頻器交-直-交變頻器。2)按變頻器的控制方式分類：壓頻比控制變頻器（V/f）、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器（SF）、矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器等。3）按用途分類：通用變頻器、專用變頻器。3.變頻器的應(yīng)用變頻器的應(yīng)用主要在節(jié)能、自動化系統(tǒng)及提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量等方面?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》4.表達式表明調(diào)節(jié)電源頻率fx，即可調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速nx，這就是異步電動機變頻調(diào)速的理論依據(jù)。5.變頻器的主要技術(shù)參數(shù)：輸入電壓、輸出電壓、額定電流、輸出容量、額定功率和過載能力等?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》

謝謝！《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第二章變頻器常用電力電子器件

2.1功率二極管（D）

功率二極管的內(nèi)部是P-N或P-I-N結(jié)構(gòu)，圖示為功率二極管的電路符號和外形。

a)b)c)圖2-1功率二極管的符號和外形a)功率二極管的符號b)螺旋式二極管的外形c)平板式二極管的外形《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.伏安特性

功率二極管的陽極和陰極間的電壓和流過管子的電流之間的關(guān)系稱為伏安特性，其伏安特性曲線如圖所示。正向特性：當從零逐漸增大正向電壓時，開始陽極電流很小，當正向電壓大于0.5V時，正向陽極電流急劇上升，管子正向?qū)ā?/p>

反向特性：當二極管加上反向電壓時，起始段的反向漏電流也很小，而且隨著反向電壓增加，反向漏電流只略有增大，但當反向電壓增加到反向不重復(fù)峰值電壓值時，反向漏電流開始急劇增加。

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.1.2主要參數(shù)

1.額定正向平均電流IF

在規(guī)定的環(huán)境溫度和標準散熱條件下，元件所允許長時間連續(xù)流過50Hz正弦半波的電流平均值。

2.反向重復(fù)峰值電壓URRM

在額定結(jié)溫條件下，取元件反向伏安特性不重復(fù)峰值電壓值URSM的80%稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM。

3.正向平均電壓UF

在規(guī)定環(huán)境溫度和標準散熱條件下，元件通過50Hz正弦半波額定正向平均電流時，元件陽極和陰極之間的電壓的平均值

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.1.3功率二極管的選用1.選擇額定正向平均電流IF

的原則

IDn=1.57IF=(1.5～2)IDM2.選擇額定電壓URRM

的原則URRM

=（2～3）UDM

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.1.4功率二極管的分類功率二極管一般分為三類：(1)標準或慢速恢復(fù)二極管；

(2)快速恢復(fù)二極管；

(3)自特基二極管。《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.2晶閘管（SCR）

2.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是四層（P1N1P2N2）三端（A、K、G）器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路如圖所示。

a)b)c)

圖2-3晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路

a)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)b)以三個PN結(jié)等效c)以互補三極管等效《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章晶閘管的外形及符號

a)b)c)

圖2-4晶閘管的外形及符號

a)晶閘管的符號b）螺栓式外形b）帶有散熱器平板式外形《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.2.2晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷控制晶閘管的導(dǎo)通控制：

在晶閘管的陽極和陰極間加正向電壓，同時在它的門極和陰極間也加正向電壓形成觸發(fā)電流，即可使晶閘管導(dǎo)通。導(dǎo)通的晶閘管的關(guān)斷控制：令門極電流為零，且將陽極電流降低到一個稱為維持電流的臨界極限值以下。

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.2.3晶閘管的陽極伏安特性

晶閘管的陽極與陰極間的電壓和陽極電流之間的關(guān)系，稱為陽極伏安特性。

圖2-5晶閘管的陽極伏安特性

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.2.4晶閘管的參數(shù)

1.正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓ＵDRM

2.反向重復(fù)峰值電壓ＵRRM

3.通態(tài)平均電壓ＵT(AV)

4.晶閘管的額定電流ＩT(Ａv)

5.維持電流ＩH

6.擎住電流ＩL

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.2.5晶閘管的門極伏安特性及主要參數(shù)

1.門極伏安特性

門極伏安特性是指門極電壓與電流的關(guān)系，晶閘管的門極和陰極之間只有一個PN結(jié)，所以電壓與電流的關(guān)系和普通二極管的伏安特性相似。門極伏安特性曲線如圖2-6所示。

圖2-6《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.門極主要參數(shù)

（1）門極不觸發(fā)電壓ＵGD和門極不觸發(fā)電流ＩGD（2）門極觸發(fā)電壓ＵGT和門極觸發(fā)電流ＩGT（3）門極正向峰值電壓ＵGM、門極正向峰值電流ＩGM和門極峰值功率ＰGM《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.2.6晶閘管觸發(fā)電路

1.晶閘管對觸發(fā)電路的要求①觸發(fā)脈沖應(yīng)具有足夠的功率和一定的寬度；②觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步；③觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)滿足變流裝置提出的要求。2.觸發(fā)電路的分類依控制方式可分為相控式、斬控式觸發(fā)電路；依控制信號性質(zhì)可分為模擬式、數(shù)字式觸發(fā)電路；依同步電壓形成可分為正弦波同步、鋸齒波同步觸發(fā)電路等。

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.觸發(fā)電路的分類

觸發(fā)電路可按不同的方式分類，依控制方式可分為相控式、斬控式觸發(fā)電路；依控制信號性質(zhì)可分為模擬式、數(shù)字式觸發(fā)電路；依同步電壓形成可分為正弦波同步、鋸齒波同步觸發(fā)電路等?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.2.7晶閘管的保護1.晶閘管的過電流保護1)快速熔斷器保護(見下圖）2）過電流繼電器保護。過電流繼電器可安裝在交流側(cè)或直流側(cè)。3）限流與脈沖移相保護。《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.晶閘管過電壓保護晶閘管過電壓產(chǎn)生的原因主要有：關(guān)斷過電壓、操作過電壓和浪涌過電壓等。對過電壓的保護方式主要是接入阻容吸收電路、硒堆或壓敏電阻等。圖2-8為交流側(cè)接入阻容吸收電路的幾種方法。硒堆或壓敏電阻的聯(lián)結(jié)方法與此相同?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章交流側(cè)接入阻容吸收電路的幾種方法圖2-8

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.3門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.3.1GTO的結(jié)構(gòu)

GTO的結(jié)構(gòu)也是四層三端器件

a)

b)

圖2-9GTO的結(jié)構(gòu)與符號

a)GTO的結(jié)構(gòu)剖面b)圖形符號《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.3.2GTO的主要參數(shù)1.最大可關(guān)斷陽極電流ＩＡTO

通常將最大可關(guān)斷陽極電流ＩＡTO作為GTO的額定電流。2.關(guān)斷增益βoff

關(guān)斷增益βoff為最大可關(guān)斷陽極電流ＩATO與門極負電流最大值ＩGM之比，其表達式為

βoff＝ＩATO/│ＩGM│βoff比晶體管的電流放大系數(shù)β小得多，一般只有５左右。

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.3.3GTO的門極控制

GTO橋式門極驅(qū)動電路的工作原理是：當V1與V2飽和導(dǎo)通時，形成門極正向觸發(fā)電流，使GTO導(dǎo)通；當觸發(fā)VT1、VT2這兩只普通晶閘管導(dǎo)通時，形成較大的門極反向電流，使GTO關(guān)斷。

GTO橋式門極驅(qū)動電路

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.3.4GTO的緩沖電路

圖2-13GTO斬波器及其保護電路圖中R、L為負載，VD為續(xù)流二極管，LA是GTO導(dǎo)通瞬間限制di／dt的電感。RsCs和VDs組成了緩沖電路。GTO的陽極電路串聯(lián)一定數(shù)值的電感LＡ來限制di／dt?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.4功率晶體管（GTR）2.4.1GTR的結(jié)構(gòu)a)b)c)圖2-14GTR摸塊a)GTR的結(jié)構(gòu)示意圖b)GTR摸塊的外形c)GTR摸塊的等效電路《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.4.2GTR的參數(shù)(1)UCEO：既基極開路CE間能承受的電壓。(2)最大電流額定值ICM：

(3)最大功耗額定值PCM

（4）開通時間ton：包括延遲時間td和上升時間tr。（5）關(guān)斷時間ｔoff：包括存儲時間ｔs和下降時間ｔf

?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.4.3二次擊穿現(xiàn)象當集電極電壓UCE逐漸增加，到達某一數(shù)值時，如上述UCEO，IC劇增加，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。首先出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象稱為一次擊穿，這種擊穿是正常的雪崩擊穿。這一擊穿可用外接串聯(lián)電阻的辦法加以控制，只要適當限制晶體管的電流(或功耗)，流過結(jié)的反向電流不會太大，進入擊穿區(qū)的時間不長，一次擊穿具有可逆性，一般不會引起晶體管的特性變壞。但是，一次擊穿出現(xiàn)后若繼續(xù)增大偏壓UCE，而外接限流電阻又不變，反向電流IC將繼續(xù)增大，此時若GTR仍在工作，GTR的工作狀態(tài)將迅速出現(xiàn)大電流，并在極短的時間內(nèi)，使器件內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點。電流急劇增長，此現(xiàn)象便稱為二次擊穿。一旦發(fā)生二次擊穿，輕者使GTR電壓降低、特性變差，重者使集電結(jié)和發(fā)射結(jié)熔通，使晶體管受到永久性損壞?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.4.4GTR的驅(qū)動電路抗飽和恒流驅(qū)動電路

圖2-16抗飽和恒流驅(qū)動電路《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.4.5GTR的緩沖電路緩沖電路也稱為吸收電路，它是指在GTR電極上附加的電路，通常由電阻、電容、電感及二極管組成，如圖2-17所示為緩沖電路之一。

圖2-17GTR的緩沖電路《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.5功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）2.5.1功率場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)a)b)

圖2-18P-MOSFET的結(jié)構(gòu)與符號a)P-MOSFET的結(jié)構(gòu)b)P-MOSFET符號

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.5.2P-MOSFET的工作原理當漏極接電源正極，源極接電源負極，柵源之間電壓為零或為負時，Ｐ型區(qū)和Ｎ-型漂移區(qū)之間的ＰＮ結(jié)反向，漏源之間無電流流過。如果在柵極和源極加正向電壓UGS，不會有柵流。但柵極的正電壓所形成電場的感應(yīng)作用卻會將其下面Ｐ型區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的Ｐ型區(qū)表面。當UGS大于某一電壓值UT時，柵極下面Ｐ型區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使Ｐ型半導(dǎo)體反型成Ｎ型半導(dǎo)體，溝通了漏極和源極，形成漏極電流ID。電壓UT稱為開啟電壓，UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強。漏極電流ID越大?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

2.5.3P-MOSFET的特性１.轉(zhuǎn)移特性２．輸出特性《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

３.開關(guān)特性３.開關(guān)特性《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.5.4P-MOSFET的主要參數(shù)

1.漏源擊穿電壓BUDS

2.漏極連續(xù)電流ID和漏極峰值電流IDM

3.柵源擊穿電壓BUGS

4.開啟電壓UT

5.極間電容

6.通態(tài)電阻Ron

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.5.5Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的柵極驅(qū)動

1）觸發(fā)脈沖的前后沿要陡峭，觸發(fā)脈沖的電壓幅值要高于器件的開啟電壓，以保證Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的可靠觸發(fā)導(dǎo)通。2）開通時以低電阻對柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極電容提供低電阻放電回路，減小柵極電容的充放電時間常數(shù)，提高Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的開關(guān)速度。3）Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ開關(guān)時所需的驅(qū)動電流為柵極電容的充放電流。Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的極間電容越大，所需的驅(qū)動電流也越大。為了使開關(guān)波形具有足夠的上升和下降陡度，驅(qū)動電流要具有較大的數(shù)值?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.5.6P-ＭＯＳＦＥＴ的保護

1.工作保護

柵源過電壓的保護

漏源過電壓的保護

過電流保護

2.靜電保護

器件應(yīng)存放在抗靜電包裝袋、金屬容器或?qū)щ姴牧习b袋中，工作人員取用器件時，必須使用腕帶良好接地，且應(yīng)拿器件管殼，不要拿引線；安裝時，工作臺和電烙鐵應(yīng)良好接地；測試時，測量儀器和工作臺要良好接地，器件的三個電極必須都接入測試儀器或電路，才能施加電壓。改換測試時，電壓和電流要先恢復(fù)到零。

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.6絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

2.6.1IGBT的結(jié)構(gòu)a)b)c)d)

圖2-24IGBT結(jié)構(gòu)示意圖、電路符號和等效電路a)IGBT模塊b)IGBT結(jié)構(gòu)示意圖c)電路符號d)等效電路《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.6.2IGBT的基本特性

1)傳輸特性2)輸出特性

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.6.3IGBT的主要參數(shù)

1)集電極-發(fā)射極額定電壓UCES

2)柵極-發(fā)射極額定電壓UGES

3)額定集電極電流IC，

4)集電極-發(fā)射極飽和電壓UEC(sat)

5)開關(guān)頻率《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.6.4IGBT的驅(qū)動電路

1)驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。2)用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電。3)驅(qū)動電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號。4)驅(qū)動電平+UGE的選擇必須綜合考慮。5)在關(guān)斷過程中，應(yīng)施加一負偏壓UGE。6)在大電感負載下，IGBT的開關(guān)時間不能太短，以確保IGBT的安全。

7)驅(qū)動電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴格隔離。

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.7集成門極換流晶閘管（IGCT）

2.7.1IGCT的結(jié)構(gòu)與工作原理1.結(jié)構(gòu)

a）b）圖2-25

GTO、GCT的結(jié)構(gòu)圖圖2-26IGCT的符號a）GTO的結(jié)構(gòu)圖b）GCT的結(jié)構(gòu)圖《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.IGCT的工作原理

IGCT的導(dǎo)通原理與GTO完全一樣，但關(guān)斷原理與GTO完全不同，在GCT的關(guān)斷過程中，GCT能瞬間從導(dǎo)通轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，變成一個PNP晶體管以后再關(guān)斷，所以它不受外加電壓變化率du/dt限制；而GTO必須經(jīng)過一個既非導(dǎo)通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進行轉(zhuǎn)換，所以GTO需要很大的吸收電路來抑制外加電壓變化率du/dt。阻斷狀態(tài)下GCT的等效電路可認為是一個基極開路、低增益PNP晶體管與門極電源的串聯(lián)電路。

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.7.2IGCT的特點

（1）緩沖層（2）透明陽極（3）逆導(dǎo)技術(shù)（4）門極驅(qū)動技術(shù)《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.8智能功率模塊(1PM)

2.8.1IPM的結(jié)構(gòu)

IPM智能功率模塊內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)圖

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.8.2IPM的主要特點

IPM內(nèi)含驅(qū)動電路，可以按最佳的IGBT驅(qū)動條件進行設(shè)定；IPM內(nèi)含過流（OC）保護、短路（SC）保護，使檢測功耗小、靈敏、準確；IPM內(nèi)含欠電壓（UV）保護，當控制電源電壓小于規(guī)定值時進行保護；IPM內(nèi)含過熱（OH）保護，可以防止IGBT和續(xù)流二極管過熱，在IGBT內(nèi)部的絕緣基板上設(shè)有溫度檢測元件，結(jié)溫過高時即輸出報警（ALM）信號，該信號送給變頻器的單片機，使系統(tǒng)顯示故障信息并停止工作。IPM還內(nèi)含制動電路，用戶如有制動要求可另購選件，在外電路規(guī)定端子上接制動電阻，即可實現(xiàn)制動?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章2.8.3IPM選擇注意事項

（1）采用光電耦合器由于IPM驅(qū)動電路要求信號傳輸延遲時間不應(yīng)超過0.5μs，因而器件只能采用快速光電耦合器，可選用邏輯門光電耦合器6N137。該器件工作于TTL電平，而IPM模塊的開關(guān)邏輯信號為15V，因此，還需設(shè)計一個電平轉(zhuǎn)換電路。（2）采用雙脈沖變壓器對于20kHz的PWM開關(guān)控制信號，可采用脈沖變壓器直接傳送，但注意存在磁芯體積較大和開關(guān)占空比范圍受限制的問題。對于20kHz的開關(guān)信號，也可采用4MHz高頻調(diào)制的方法來實現(xiàn)PWM信號的傳送。《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章本章小結(jié)

功率二極管的結(jié)構(gòu)是一個PN結(jié)，加正向電壓導(dǎo)通，加反向電壓截止，是不可控的單向?qū)ㄆ骷?。普通晶閘管（SCR）是雙極型電流控制器件。當對晶閘管的陽極和陰極兩端加正向電壓，同時在它的門極和陰極兩端也加適當正向電壓時，晶閘管導(dǎo)通。但導(dǎo)通后門極失去控制作用，不能用門極控制晶閘管關(guān)斷，所以它是半控器件。GTO即可關(guān)斷晶閘管，它的導(dǎo)通控制與SCR一樣，但門極加負電壓可使GTO關(guān)斷，是全控器件。GTR是雙極型全控器件，工作原理與普通中小功率晶體管相似，但主要工作在開關(guān)狀態(tài)，不用于信號放大，它承受的電壓和電流數(shù)值大?！蹲冾l器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章本章小結(jié)

功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）是單極型全控器件，屬于電壓控制，驅(qū)動功率小。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是復(fù)合型全控器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等優(yōu)點，是功率開關(guān)電源和逆變器的理想功率器件。IGCT是將門極驅(qū)動電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個整體形成的，是較理想的兆瓦級、中壓開關(guān)器件，非常適合用于6kV和10kV的中壓開關(guān)電路。智能功率模塊（IPM）是將高速度、低功耗的IGBT，與柵極驅(qū)動器和保護電路一體化，IPM具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小等特點。

《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2章

謝謝！《變頻器原理與應(yīng)用（第3版）》第2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《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°。通過計算可得到負載電阻

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《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第3章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《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

三相交流電源電壓uR、uS、uT正半波的自然換相點為1、3、5，負半波的自然換相點為2、4、6。當α＝0°時，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)送出觸發(fā)脈沖，即在三相電源電壓正半波的1、3、5點向共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5輸出觸發(fā)脈沖；在三相電源電壓負半波的2、4、6點向陽極組晶閘管VT2、VT4、VT6輸出觸發(fā)脈沖，負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

1)三相全控橋整流電路任一時刻必須有兩只晶閘管同時導(dǎo)通，才能形成負載電流，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)通順序為：（VT6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)。《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第3章

不同控制角時輸出電壓波形

α＝60°時的電壓波形圖3-6α＝60°時的電壓波形

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

Ud=2.34U2cosα(3-2)《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第3章3.2中間電路

變頻器的中間電路有濾波電路和制動電路等不同的形式。

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行濾波，以減少電壓或電流的波動。這種電路稱為濾波電路?！蹲冾l器原理與應(yīng)用(第3版）》第3章1.電容濾波

通常用大容量電容對整流電路輸出電壓進行濾波。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，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《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，這樣可使加于負載上的電壓值不受負載變動的影響，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)電動機負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.電感濾波

采用大容量電感對整流電路輸出電流進行濾波，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.制動電路

利用設(shè)置在直流回路中的制動電阻吸收電動機的再生電能的方式稱為動力制動或再生制動。圖3-12為制動電路的原理圖。制動電路介于整流器和逆變器之間，圖中的制動單元包括晶體管VB、二極管VDB和制動電阻RB。如果回饋能量較大或要求強制動，還可以選用接于H、G兩點上的外接制動電阻REB。圖3-12為制動電路的原理圖《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，四個橋臂由開關(guān)構(gòu)成，輸入直流電壓E，逆變器負載是電阻R。當將開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時，電阻上得到左正右負的電壓；間隔一段時間后將開關(guān)S1、S4打開，S2、S3閉合，電阻上得到右正左負的電壓。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

《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加在兩個串聯(lián)的足夠大的電容兩端，并使得兩個電容的連接點為直流電源的中點，即每個電容上的電壓為Ud/2。由兩個導(dǎo)電臂交替工作使負載得到交變電壓和電流，每個導(dǎo)電臂由一個功率晶體管與一個反并聯(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

電路原理如圖3-15a所示。直流電壓Ud接有大電容C，電路中的四個橋臂，橋臂1、4和橋臂2、3組成兩對，工作時，設(shè)t2時刻之前V1、V4導(dǎo)通，負載上的電壓極性為左正右負，負載電流io由左向右。t2時刻給V1、V4關(guān)斷信號，給V2、V3導(dǎo)通信號，則V1、V4關(guān)斷，但感性負載中的電流io方向不能突變，于是VD2、VD3導(dǎo)通續(xù)流，負載兩端電壓的極性為右正左負。當t3時刻io降至零時，VD2-、VD3截止，V2、V3導(dǎo)通，io開始反向。同樣在t4時刻給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時刻io降至零時，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和負載電流iO見圖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3.4SPWM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?！蹲冾l器原理與應(yīng)用(第3版）》第3章3.4.2SPWM控制的基本原理

采樣控制理論有這樣一個結(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，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）。當它們分別加在同一個慣性環(huán)節(jié)上時，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代替。如圖3-21所示。圖3-21《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第3章3.4.3PWM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，在負半周為負極性的三角波。

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圖3-24，在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波是在正負兩個方向變化的，所得到的PWM波形也是在兩個方向變化的。

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3.4.4SPWM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?！蹲冾l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)點是在逆變器輸出頻率變化的整個范圍內(nèi)，皆可保持輸出波形的正、負半波完全對稱，只有奇次諧波存在。而且能嚴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。缺點是當逆變器輸出頻率很低時，每個周期內(nèi)的SPWM脈沖數(shù)過少，低頻諧波分量較大，使負載電動機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲?！蹲冾l器原理與應(yīng)用(第3版）》第3章

(2)異步調(diào)制方式

在逆變器的整個變頻范圍內(nèi)，載渡比N不是一個常數(shù)。一般在改變調(diào)制波頻率fr時保持三角波頻率ft不變，因而提高了低頻時的載波比，這樣逆變器輸出電壓每個周期內(nèi)PWM脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，相應(yīng)地可減少負載電動機的轉(zhuǎn)矩脈動與噪聲，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，又失去了同步調(diào)制的優(yōu)點。當載波比N隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時，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，因而引起電動機工作不平穩(wěn)?！蹲冾l器原理與應(yīng)用(第3版）》第3章

(3)分段同步調(diào)制方式

實際應(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，在低頻運行時，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，把整個變頻范圍劃分為若干頻段，在每個頻段內(nèi)都維持N恒定，而對不同的頻段取不同的N值，頻率低時，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?！蹲冾l器原理與應(yīng)用(第3版）》第3章3.4.5SPWM波形成的方法

1.自然采樣法

自然采樣法即計算正弦信號波和三角載波的交點，從而求出相應(yīng)的脈寬和間歇時間，生成SPWM波形。圖3-25表示截取一段正弦與三角波相交的實時狀況。檢測出交點A是發(fā)出脈沖的初始時刻，B點是脈沖結(jié)束時刻。TC為三角波的周期；t2為AB之間的脈寬時間，t1和t3為間歇時間。顯然，TC=t1+t2+t3。

圖3-21自然采樣法《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第3章2.數(shù)字控制法數(shù)字控制法，是由微機存儲預(yù)先計算好的SPWM數(shù)據(jù)表格，控制時根據(jù)指令調(diào)出，由微機的輸出接口輸出。

3.采用SPWM專用集成芯片用微機產(chǎn)生SPWM波，其效果受到指令功能、運算速度、存儲容量等限制，有時難以有很好的實時性，因此，完全依靠軟件生成SPWM波實際上很難適應(yīng)高頻變頻器的要求。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，已開發(fā)出一批用于發(fā)生SPWM信號的集成電路芯片。目前已投入市場的SPWM芯片進口的有HEF4725、SLE4520，國產(chǎn)的有THP4725、ZPS--101等。有些單片機本身就帶有SPWM端口，如8098、80C196MC等。

《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第3章本章小結(jié)

交-直-交變頻器的主電路包括三個組成部分：整流電路、中間電路和逆變電路。整流電路把電源提供的交流電壓變換為直流電壓，電路型式分為不可控整流電路和可控整流電路。中間電路分為濾波電路和制動電路等不同的形式，濾波電路是對整流電路的輸出進行電壓或電流濾波，經(jīng)大電容濾波的直流電提供給逆變器的稱為電壓型逆變器，經(jīng)大電感濾波的直流電提供給逆變器的稱為電流型逆變器；制動電路是利用設(shè)置在直流回路中的制動電阻或制動單元吸收電動機的再生電能實現(xiàn)動力制動。逆變電路是將直流電變換為頻率和幅值可調(diào)節(jié)的交流電，對逆變電路中功率器件的開關(guān)控制一般采用SPWM控制方式。《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第3章

謝謝！《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第3章第4章

交-交變頻技術(shù)

4.1單相輸出交-交變頻電路

4.1.1電路組成及基本工作原理圖4-1是單相輸出交-交變頻電路的原理框圖，電路由P（正）組和N（負）組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，兩組變流電路接在同一個交流電源，Z為負載。交-交變頻器輸出的方波如圖4－2所示。圖4-1單相輸出交-交變頻電路的原理框圖圖4-2輸出的方波《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第4章

為了使輸出電壓的波形接近正弦波，可以按正弦規(guī)律對控制角α進行調(diào)制，即可得到如圖4-3所示的波形。調(diào)制方法是，在半個周期內(nèi)讓變流器的控制角α按正弦規(guī)律從90°逐漸減小到0°或某個值，然后再逐漸增大到90°。圖4-3單相輸出交-交變頻電路輸出交流電壓波形《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第4章4.1.2感阻性負載時的相控調(diào)制

如果把交-交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時輸出電壓的脈動分量，就可以把電路等效為圖4-4a所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)。其中交流電源表示變流電路可輸出交流正弦電壓，二極管體現(xiàn)了變流電路只允許電流單方向流過。

圖4-4a理想化交-交變頻電路《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第4章4.1.2感阻性負載時的相控調(diào)制

圖4-4b給出了一個周期內(nèi)負載電壓、電流波形及正負兩組變流電路的電壓、電流波形。

圖4-4b整流與逆變狀態(tài)波形

《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第4章

圖4-5是單相輸出交-交變頻電路輸出電壓和電流的波形圖。

圖4-5單相輸出交-交變頻電路輸出電壓和電流的波形圖《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第4章4.1.3輸入輸出特性

1．輸出上限頻率就常用的6脈波三相橋式電路而言，一般認為，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/3～1/2。電網(wǎng)為50Hz時，交-交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。

2.輸入功率因數(shù)交-交變頻電路采用的是相位控制方式，因此其輸入電流的相位總是滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率。從圖4-3可以看出，在輸出電壓的一個周期內(nèi)，α角是以90°為中心而前后變化的。輸出電壓比越小，半周期內(nèi)α的平均值越靠近90°，位移因數(shù)越低。另外，負載的功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低?！蹲冾l器原理與應(yīng)用(第3版）》第4章交-交變頻器的特點1)因為是直接變換，沒有中間環(huán)節(jié)，所以比一般的變頻器效率要高。

2)由于其交流輸出電壓是直接由交流輸入電壓波的某些部分包絡(luò)所構(gòu)成，因而其輸出頻率比輸入交流電源的頻率低得多，輸出波形較好。

3)由于變頻器按電網(wǎng)電壓過零自然換相，故可采用普通晶閘管。

4)由于輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/3～1/2，因受電網(wǎng)頻率限制，通常輸出電壓的頻率較低。

5)交-交變頻電路采用的是相位控制方式，因此其輸入電流的相位總是滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率。功率因數(shù)較低，特別是在低速運行時更低，需要適當補償。

《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第4章4.2三相輸出交-交變頻電路

三相輸出交-交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機調(diào)速系統(tǒng)，三相輸出交-交變頻電路是由三組輸出電壓相位各差120°的單相交-交變頻電路組成的，所以其控制原理與單相交-交變頻電路相同。下面簡單介紹一下三相交-交變頻電路接線方式。

4.2.1公共交流母線進線方式圖4-6公共交流母線進線方式的三相交-交變頻電路簡圖《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第4章4.2.2輸出星形聯(lián)結(jié)方式

圖4-7輸出星形聯(lián)結(jié)方式的三相交-交變頻電路原理圖《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第4章本章小結(jié)

交-交變頻就是把電網(wǎng)頻率的交流電變換成可調(diào)頻率的交流電，此類變頻器能量轉(zhuǎn)換效率較高，多應(yīng)用于大功率的三相異步電動機和同步電動機的低速變頻調(diào)速。但由于交-交變頻輸出頻率低（一般為電網(wǎng)頻率的1/3～1/2）和功率因數(shù)低，使其應(yīng)用受到限制。

《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第4章

謝謝！《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第4章第5章高（中）壓變頻器

5.1高（中）壓變頻器概述

5.1.1高（中）壓變頻器的分類高（中）壓變頻器按主電路的結(jié)構(gòu)方式分為交-交方式和交-直-交方式。

5.1.2高（中）壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本形式

（1）直接高-高型直接高-高型（也有的稱為直接中-中型）變頻調(diào)速系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖5-2所示。

圖5-2直接高-高型變頻調(diào)速系統(tǒng)《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第5章

（2）高-中型高-中型變頻調(diào)速系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖5-3所示。

圖5-3高-中型變頻調(diào)速系統(tǒng)（3）高-低-高型高-低-高型（有的也稱為中-低-中型）變頻調(diào)速系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖5-4所示。

圖5-4高-低-高型變頻調(diào)速系統(tǒng)《變頻器原理與應(yīng)用(第3版）》第5章5.1.3高（中）壓變頻器的應(yīng)用

1．拖動風機或水泵

2．壓縮機、鼓風機、軋機或其它工作機械

(1)可精確地調(diào)節(jié)速度或流量，保證工藝質(zhì)量。

(2)可直接與工作機械耦合，省去減速機等中間機械環(huán)節(jié)，減少投資和中間費用。

(3)可接受計算機或PLC的模擬