1、1,第二章 变频器工作原理,关键词：整流、逆变,2,2.1 整流电路,ACDC变换电路是能够直接将交流电能转换为直流电能的电路，泛称整流电路。 一、整流电路的分类 自本世纪20年代迄今已经历了以下几个发展阶段： 第一阶段：旋转式变流机组（电动机发电机组）； 第二阶段：静止式离子整流器； 第三阶段：静止式半导体整流器；,3,旋转式变流机组和静止式离子整流器的技术经济性能均不及半导体整流器，因而在世界范围内已为后者所取代。 静止式半导体整流器，按照电路中变流器件的开关频率不同，所有的半导体变流电路可划分力低频和高频两大类。 对于整流电路而言，前者是指传统相控式整流电路，是所有半导体变流电路中历史最
2、久，技术最成熟，应用也最广泛的一种电路， 后者是指最近才发展起来的斩控式（PWM）整流电路，是所有半导体变流电路中发展历史最短的一种电路，是斩波控制方式和高频自关断器件发展的技术产物。,4,2.2整流电路的分类,5,单相半波可控整流电路及波形,（1）在U2的正半周，VT承受正向电压，0t1期间，无触发脉冲，VT处于正向阻断状态，UVTU2，Ud=0; （2） t1以后，VT由于触发脉冲UG的作用而导通，则Ud=U2, UVT=0,Id=U2/R，一直到时刻； （3） 2期间，U2反向，VT由于承受反向电压而关断,UVT=U2,Ud=0。 以后不断重复以上过程。,6,带电感性负载的单相半波电路及
3、其波形,7,单相桥式全控整流电路图（纯电阻负载）,8,单相全控桥带电感性负载时的电路及波形,9,2.3 三相桥式全控整流电路,三相全桥的特点： 应用最为广泛. 三相桥式全控整流电路与三相半波电路相比，输出整流电压提高一倍，输出电压的脉动较小、变压器利用率高且无直流磁化问题。 由于在整流装置中，三相桥电路晶闸管的最大失控时间只为三相半波电路的一半，故控制快速性较好，因而在大容量负载供电、电力拖动控制系统等方面获得广泛的应用。,10,2.3.1 共阴极三相半波可控整流电路,电阻负载 图3-19 三相半波可控整流电路 三相半波可控整流电路如图3-19所示。为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次
4、侧为避免3次谐波流入电源接成三角形。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，它们的阴极连接在起，称为共阴极接法，这种接法触发电路有公共端，连线方便。,图3-19 三相半波可控整流电路,11,2.3.2共阳极三相半波可控整流电路,电路 共阳极电路，即将三个晶闸管的阳极连在一起，其阴极分别接变压器三相绕组，变压器的零线作为输出电压的正端，晶闸管共阳极端作为输出电压的负端，如图2-26所示。 这种共阳极电路接法，对于螺栓型晶闸管的阳根可以共用散热器，使装置结构简化；但三个触发器的输出必须彼此绝缘。,图3-26 三相半波可控整流电路,2.4 SPWM变频器的工作原理-三相桥式整流电路,13,由于三相桥式
5、整流电路是两组三相半波整流电路的串联，因此输出电压是三相半波的两倍。当输出电流连续时： 由于变压器规格并末改变，整流电压却比三相半波时大一倍，因此输出功率加大一倍。变压器利用率提高了，而晶闸管的电流定额不变。在输出整流电压相同的情况下，三相桥式晶闸管的电压定额可以比三相半波电路的晶闸管低一半。,14,带电阻负载时的工作情况,1.工作原理和波形分析： (1) =0时的情况 对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通； 对于共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通； 任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个SCR处于导通状态。其余的SCR均处于关断状态。 触
6、发角的起点，仍然是从自然换相点开始计算，注意正负方向均有自然换相点。,图2-18三相桥式全控整流 电路带电阻负载 =0时的波形,动画,15,从线电压波形看， ud为线电压中最大的一个，因此ud波形为线电压的包络线。,表3-1 三相桥式全控整流电路电阻负载 =0时晶闸管工作情况,动画,16,三相桥式全控整流电路的特点： （1)两个SCR同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各有一个SCR导通，且不能为同相的两个SCR（否则没有输出）。 （2）对触发脉冲的要求： 按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60； 共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组
7、VT4、VT6、VT2也依次差120； 同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。,动画,17,（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，所以三相全桥电路称为6脉波整流电路； （4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲： 可采用两种方法：一种是宽脉冲触发(大于600)另一种是双脉冲触发（常用）：在Ud的六个时间段，均给应该导通的SCR提供触发脉冲，而不管其原来是否导通。所以每隔600就需要提供两个触发脉冲。实际提供脉冲的顺序为：1,2 - 2,3 - 3,4 - 4,5 - 5,6 - 6,1 - 1,2，不断重复。 （5）晶闸管承受的电压波形
8、与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同为：,动画,18,三相桥式全控整流电路原理图,19,三相桥式全控整流电路带电阻负载 =0时的波形,20,三相桥式全控整流电路电阻负载 =0时晶闸管工作情况,21,三相桥式全控整流电路带电阻负载 =30时的波形,22,三相桥式全控整流电路带电阻负载 =60时的波形,23,三相桥式全控整流电路带电阻负载 =90时的波形,24,三相桥式全控整流电路带电感性负载 =0时的波形,25,三相桥式全控整流电路带电感性负载 =30时的波形,26,三相桥式整流电路带电感性负载， =90时的波形, 380V50HZ,f = 0 500HZ,图 3-1 变频调
9、速,变频调速 f变极对数调速 P变转差率调速 S,2.5 变频调速原理,交直交变频器基本结构,图3-2 交直交变频器主回路图,整 流 器,滤 波 器,逆 变 器,三相逆变桥示意图,图3-3 三相逆变桥,1. 单相逆变桥原理,a）单相逆变桥电路 b）负载所得电压波形,2. 变频方法,a）频率较高 b）频率较低,3. 三相逆变桥,a）三相逆变电路 b）输出电压波形,1. 交直交,a）电路框图 b）频率较高 c）频率较低,输出电压为方波，电流为正弦波,（1）电压型脉宽调制（PWM）,（2）电流型,输出电压为正弦波，电流为方波,串联二极管式电流型变频器主电路及电流波形,2. 电压型正弦波脉宽调制（SP
10、WM）,2.6 SPWM变频器的工作原理：,所谓正弦波脉宽调制(SPWM)就是把正弦波等效为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，如图4所示，等效的原则是面积相等。,（1）单极性调制,a）频率较高 b）频率较低,采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获得理想的控制效果，输出电流近似正弦波。,（2） 双极性脉宽调制,2.7 控制芯片,DSP 电机控制专用CPUTI公司产品实时控制，快速处理数据同一机器周期同时处理多条指令CPLD 大规模可编程逻辑阵列XILINX产品系统逻辑构成和保护电路简化数字逻辑MCU 单片机A
11、TMEL公司产品显示与键盘,控制线路板,功率器件,电机控制算法,功率器件,V/F控制,SCR,GTR,矢量控制,IGBT,计算机技术,单片机 DSP,IGBT大容量IPM,更高速率和容量,如，矩阵式变频器,大功率传 动使用变 频器，体 积大，价 格高,未来发展方向 完美无谐波，,PWM技术,SPWM技术,PWM优化 新一代开关技术,无速度矢量控制 电流矢量V/F,70年代,80年代,60年代,90年代,高速DSP 专用芯片,2000年代,超静音变频器开始流行 解决了GTR噪声问题 变频器性能大幅提升 大批量使用，取代直流,算法优化,更大容量更高开关频率,PWM技术,空间电压矢量 调制技术,变频器体 积缩小， 开始在中 小功率电 机上使用,）逆变电路 ）电压波形 ）电流波形,串联二极管式电流型变频器主电路,1. 晶闸管（SCR）,）逆变电路 ）电压波形 ）电流波形,2. GTR,GTR模块（单桥）,）逆变电路 ）电压波形 ）电流波形,3. IGBT,单管IGBT,单桥IGBT模块,全桥IGBT模块,
