1、电力电子技术,第6章 变频电路,第6章 变频电路,6.1变频电路的基本概念 6.2交交变频电路 6.3交直交变频电路 6.4变频电路在交流调速系统的应用,6.1变频电路的基本概念,在现代化生产中需要各种频率的交流电源，主要用途是： 标准50Hz电源。 不间断电源(UPS) 。 中频装置。 变频调速。,6.2交交变频电路,6.2.1单相交交变频电路 6.2.2三相交交变频电路,6.2.1单相交交变频电路,图6-1 交交变频装置的结构示意图,交交变频装置的结构示意图如图6-1 所示，它只用一个变换环节就可以把恒压恒频(CVCF)的交流电源变换成变压变频（VVVF）的交流电源，因此称为交交变频装置。
2、,图6-2 交交变频装置一相电路及波形 (a)电路原理图 (b)方波型平均输出电压波形,交-交变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路如图6-2(a)所示。正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压uO。uO的幅值决定于各组整流装置的控制角。uo的频率决定于两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出的平均电压是方波，如图6-2(b)所示。,图6-3 正弦波交交变频装置的输出电压波形,如图6-3所示，在A点0，平均整流电压最大，然后在B、C、D、E点逐渐增大，平均电压减小，直到F点/2，平均电压为零。半周中平均输出电压为图中虚线所示的正弦波。对反组负
3、半周的控制也是这样。,图6-4 交交变频装置的输出波形,在电感性负载下，假设可得到正弦的负载电压和电流波形uof(t)和iof(t)如图6-4所示，这时电流滞后电压，意味着每一组变流器在它的输出电压改变极性之后必须继续导通，而变流器的通、断由电流方向决定，与输出电压极性无关。所以io正半波，正组工作；负半周，反组工作。由于io与uo有相位差，它们的瞬时极性有时相同，有时相反。,图6-5(a)是由变压器中间抽头的两组晶闸管单相全波电路反并联构成的单相交交变频器。设负载为电阻型，令正组和反组变流器依次各导通五个电源半周期，其波形如图6-5(b)。可以看出，这时输出交流的频率为电网频率的1/5，波形
4、为脉动方波，这就是方波型交交变频器，含有大量低次谐波。各晶闸管流过的电流，如图6-5(c)。如适当设计触发电路，使变流器晶闸管的导通有不同延迟角，让每电网半波的输出平均电压Ud按正弦变化，则可获得近似正弦的输出波形，如图6-5(d)。图6-5(e)是这时流过各器件和电网的电流波形。,图6-5 单相交交变频器电路和波形,6.2.2三相交交变频电路,对于三相负载，其它两相也各用一套反并联的可逆线路，输出平均电压相位依次相差120。这样，如果每个整流器都用桥式电路，三相变频装置共用三套反并联线路，共需36个晶闸管元件（当每一桥臂只用一个元件时）如图6-6所示，若采用零式电路，也得要18个元件如图6-
5、7所示。因此，交交变频装置虽然在结构上只有一个变换环节，省去中间直流环节，但所用元件数量更多，总设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在电源电压过零时自然换流，技术已很成熟，对元件没有什么特殊要求。,图6-6 三相桥式交交变频主电路（公共交流母线进线）,图6-7 三相零式交交变频主电路,6.3交直交变频电路,交直交变频电路其结构框图如图6-8所示。,图6-8 交直交变频电路结构框图,按照不同的控制方式，交直交变频器可分成以下三种方式： (1)采用可控整流器调压、逆变器调频的控制方式，其结构框图如图6-9所示。,图6-9 可控整流器调压、逆变器调频的结构框图,(2)采用
6、不控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的控制方式，其结构框图如图6-10所示。,图6-10 不控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的结构框图,(3)采用不控制整流器整流、脉宽调制（PWM）逆变器同时调压调频的控制方式，其结构框图如图6-11所示。,图6-11 不控制整流器整流、脉宽调制（PWM）逆变器结构框图,在交直交变频器中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频器叫做电压型变频器，见图6-12(a)。当交直交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负
7、载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频器叫做电流型变频器，见图6-12(b)。,图6-12 变频器结构框图 (a) 电压型变频器 (b)电流型变频器,交直交变频装置与交交变频装置两类变频装置的特点，下面用表格的形式加以对比，如表6-1所示。,表6-1 晶闸管交直交变频装置与交交变频装置主要特点比较表,6.4变频电路在交流调速系统的应用,由交流电机的转速公式，可以看出，若均匀地改变定子频率f，则可以平滑地改变电机的转速。因此，在各种异步电机调速系统中，变频调速的性能最好，使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，同时效率高，所以变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流
8、调速系统，取代直流调速，最有发展前途，是交流调速的主要发展方向。 6.4.1变频调速中的变频器 6.4.2 SPWM交流电动机变频调速,6.4.1变频调速中的变频器,1变频器的基本结构调速用变频器通常由主电路、控制和保护电路组成。其基本结构和各部分的基本功能如图6-13所示。主电路由整流、中间环节及逆变电路组成。整流部分：对外部的工频交流电源进行整流，给逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。中间环节：对整流电路的输出进行平滑滤波，以保证逆变电路和控制电路能够获得质量较高的直流电源。逆变电路：将中间环节输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。控制电路：包括主控制电路、信号检测电路、基
9、极驱动电路、外部接口电路以及保护电路，通过各种运行指令将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据驱动要求为变频器主电路提供必要的驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。,图6-13 变频器基本结构,2变频器的控制方式 (1)V/F控制 V/F控制是一种比较简单的控制方式。1)U/f的曲线种类 为了方便用户选择U/f比，变频器通常都是以U/f控制曲线的方式提供给用户，让用户选择，如图6-14所示。,图6-14 变频器的U/f控制曲线, 基本U/f控制曲线基本U/f控制曲线表明没有补偿时定子电压和频率的关系，它是进行V/F控制时的基准线。在基本U/f线上，与额定输出电压对应
10、的频率称为基本频率，用fb表示。基本U/f线如图6-15所示。 转矩补偿的U/f曲线特点：在f=0时，不同的U/f曲线电压补偿值不同，如图6-14所示。 负补偿的U/f曲线特点：低速时，U/f线在基本U/f曲线的下方，如图6-14中的01、02线。,分段补偿的U/f曲线 特点：U/f曲线由几段组成，每段的U/f值均由用户自行给定，如图6-16所示。 2)选择U/f曲线时常用的操作方法 (2)转差频率控制 (3)矢量控制 (4)直接转矩控制 (5) 最优控制 (6)其他非智能控制方式,图6-16 分段U/f比的补偿线,以上三种控制方式的特性比较见表6-2。,表6-2 三种控制方式的特性比较,6.4.2 SPWM交流电动机变频调速,SPWM变频调速装置的结构见图6-17，它由二极管整流电路、能耗制动电路、逆变电路和控制电路组成。逆变电路采用IGBT器件，为三相桥式SPWM逆变电路。 控制电路包括给定积分器、绝对值运算器、函数发生器、压控振荡器和三相正弦波发生器等。,图6-17 开环控制的SPWM的变频调速系统结构简图,
