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第6章 变 频 电 路,6.1 变频电路的基本工作原理 6.2 谐振式变频电路 6.3 三相桥式变频电路 6.4 交交变频电路 6.5 脉宽调制型变频电路,6.1变频电路的基本工作原理6.1.1单相输出交直交变频电路图6-1(a)所示为单相桥式变频电路。图中UD为通过整流电路将交流电整流而得的直流电源，晶闸管V1、V4称为正组，V2、V3称为反组。当控制电路使V1、V4导通，V2、V3关断时，在输出端获得正向电压uo；当控制电路使V2、V3导通，V1、V4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6-1(b)所示。,图6-1单相输出交直交变频电路 (a) 电路；(b) 输出电压,6.1.2单相输出交交变频电路单相输出交交变频电路如图6-2(a)所示。该电路由具有相同特征的两组晶闸管整流电路反并联构成，将其中一组整流器称为正组整流器；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，则负载端得到输出电压为上负下正。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，则在负载端就可以获得交变的输出电压。,图6-2单相输出交交变频电路及波形(控制角不变) (a) 电路；(b) 输出电压,如果在一个周期内控制角是固定不变的，则输出电压波形为矩形波，如图6-2(b)所示。矩形波中含有大量的谐波，对电机的工作不利。如果控制角不固定，在正组工作的半个周期内让控制角按正弦规律从90逐渐减小到0，再由0逐渐增加到90，那么正组整流电路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6-3所示(三相交流输入)。,图6-3交交变频电路的输出波形(控制角变化),6.1.3两种变频电路的比较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) 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。,6.2谐振式变频电路6.2.1并联谐振式变频电路图6-4所示电路即为并联谐振变频电路的主电路。,图6-4并联谐振式变频电路,图6-5所示为变频电路工作时晶闸管的换流过程。,图6-5并联谐振式变频电路 (a) V1、V4触发；(b) 换流；(c) V2、V3导通,当晶闸管V1、V4触发时，负载L得到左正右负的电压，负载电流io的流向如图6-5(a)中虚线所示。由于负载上并联了换流电容C，L和C形成的并联电路可近似工作在谐振状态，负载呈容性，使io超前负载电压uo一个角度f，负载中电流及电压波形如图6-6所示。,图6-6并联谐振式逆变电路工作波形,根据上述分析，为保证变频电路可靠换流，必须在中频电压uo过零前的tf时刻去触发V2及V3，tf应满足下式要求： (6-1)式中，Kf为大于1的系数，一般取23；tf称为触发引前时间。负载的功率因数角j由负载电流与电压的相位差决定，从图6-6可知,6.2.2串联谐振式变频电路图6-7所示为串联谐振式变频电路，其直流侧采用不可控整流电路和大电容滤波，从而构成电压源型变频电路。该电路为了续流，设置了反并联二极管VD1VD4。补偿电容C和负载电感线圈构成串联谐振电路。为了实现负载换流，要求补偿以后的总负载呈容性，即负载电流io超前负载电压uo的变化。,图6-7串联谐振式变频电路,当电路工作时，变频电路频率接近谐振频率，故负载对基波电压呈现低阻抗，基波电流很大；而对谐波分量呈现高阻抗，谐波电流很小，所以负载电流基本为正弦波。另外，还要求电路工作频率低于电路的谐振频率，以使负载电路呈容性，则负载电流io超前电压uo，以实现换流。图6-8所示为串联谐振式变频电路工作波形。,图6-8串联谐振式变频电路工作波形,6.3三相桥式变频电路6.3.1电压源型桥式变频电路电压源型桥式变频电路如图6-9所示。图中，用六个大功率晶体管(GTR)作为可控元件，V1与V4、V3与V6、V5与V2构成三对桥臂；二极管VD1VD6为续流二极管。,图6-9电压源型三相桥式变频电路,下面分析各相负载相电压和线电压波形。设负载为星形连接，三相负载对称，中性点为N。图6-10所示为电压源型三相桥式变频电路的工作波形。,图6-10电压源型三相桥式变频电路工作波形,为了分析方便，将一个工作周期分成六个区域。在0t/3区域，给电力晶体管V1、V2、V3加有控制脉冲，即ug10，ug20，ug30， 使V1、V2、V3同时导通，此时A、B两点通过导通的V1、V3相当于同时接在电源的正极，而C点通过导通的V2接于电源的负极，所以该时区变频桥的等效电路如图 6-11 所示。,图6-11V1、V2、V3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UAB0, UBCUD, UCAUD式中，UD为变频电路输入的直流电压。,负载的相电压为在t/3时，关断V1，控制导通V4，即在/3t2/3区域，有V2、V3、V4同时导通，此时A、C两点通过导通的V4、V2相当于同时接在电源的负极，而B点通过导通的V3接于电源的正极，所以该时区变频桥的等效电路如图6-12所示。,图6-12V2、V3、V4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负载的相电压为根据同样的思路可得其余4个时域的相电压和线电压的值，如表6-1所示。,6.3.2电流源型三相桥式变频电路图6-13所示为电流源型三相桥式变频电路，图中变频桥采用IGBT即绝缘栅双极性型晶体管作为可控开关元件。,图6-13电流源型三相桥式变频电路,下面分析各相负载电流的波形。设负载为星形连接，三相负载对称，中性点为N，图6-14所示为电流源型三相桥式变频电路工作波形。,图6-14电流源型三相桥式变频电路工作波形,由图6-14可以看出，每个IGBT导通的电角度均为120，任一时刻只有两相负载上有电流流过，总有一相负载上的电流为零。所以每相负载电流波形是断续且正、负对称的方波，将此波形的平均值展开成傅氏级数有输出电流的基波有效值I1和直流电流的关系为,6.3.3两种变频电路的特点1 电压源型变频电路的主要特点(1) 直流侧接有大电容，相当于电压源、直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗状态。(2) 由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关；而交流侧电流波形因负载阻抗角的不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。(3) 当交流侧为电感性负载时，需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各臂都并联了续流二极管。,(4) 变频电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。(5) 当变频电路的负载是电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给电路再反并联一套变频桥，这将使电路变得复杂。,2. 电流源型变频电路的主要特点(1) 直流侧接有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗状态。(2) 因为各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关；而交流侧电压波形因负载阻抗角的不同而不同。(3) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反并联二极管。(4) 当变频电路的负载为电动机时，若变频电路中的交直变换是可控整流，则可很方便地实现再生制动，不需另加一套变频桥。,6.4交交变频电路6.4.1方波型交交变频电路1 单相负载方波型交交变频电路参见图6-2(a)，具体内容参见6.1.2节。如果改变两组整流器的切换频率，则可实现输出电压的频率的调节。如果在一个周期内控制角是固定不变的，则输出电压波形为矩形波，参见如图 6-2(b)。,2 三相负载三相方波型交交变频电路的主电路如图6-15所示，图中每一相由两组反并联的三相零式整流电路组成，这种连接方式又称为公共交流母线进线方式。整流器、为正组；、为反组。每个正组由1、3、5晶闸管组成，每个反组由4、6、2晶闸管组成。因此，变频电路中的换流应分成组与组之间换流和组内换流两种情况。,图6-15三相方波型交交变频电路,组与组之间的换流顺序为、；组内换流的顺序为1、2、3、4、5、6、1。为了在负载上获得三相互差T/3(T为输出电压的周期)电压波形，任何时候都应有一正、一负两组同时导通，所以每组导电时间也应为T/3，并且每隔T/6换组一次。虽然同一时刻应有一个正组和一个反组同时导通，但不允许同一桥臂上的正、反组同时导通，例如组和同时导通；否则将会造成电源短路。每组桥内晶闸管按1、2、3、4、5、6、1顺序换流。变频电路各组及组内导电次序如图6-16所示。,图6-16变频电路各组的导电次序,图6-17所示为三相零式联接的交交变频电路，当控制角为时晶闸管导通的次序及负载电流的波形。组与组之间的换流和组内晶闸管的换流秩序已做了说明，这里不再赘述。下面着重分析负载电流的波形。,图6-17交交变频电路导通次序及电流波形,6.4.2正弦波型交交变频电路1 输出正弦波的调节方法在图6-15所示的交交变频电路中，其输出电压在半个周期中的平均值取决于变频电路的控制角。如果在半个周期中控制角是固定不变的，则输出电压在半个周期中的平均值是一个固定值。如果在半个周期中使导通组变频电路的控制角如图6-3所示由/2(A点)逐渐减小到零(G点)；然后逐渐由0增加到/2，即角在/20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，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6-18(a)所示(在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。,图6-18交交变频电路 (a) 理想化电路；(b) 负载电压、电流波形,根据以上分析可得出：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是由电源电压的若干片段拼凑而成的，如图6-19(a)所示。,图6-19正组桥输出电压波形 (a) 整流状态；(b) 逆变状态；(c) 控制角连续变化的输出电压波形,6.5脉宽调制型变频电路6.5.1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(PWM)变频电路简称PWM变频电路，常采用电压源型交直交变频电路的形式，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PWM变频电路为例来说明其工作原理。图 6-20 所示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VD1VD4是续流二极管，为无功能量反馈到直流电源提供通路。,图6-20单相桥式PWM变频电路,当改变V1、V2、V3、V4导通时间的长短和导通的顺序时，可得出图6-21所示不同形式的电压波形。,图6-21单相桥式变频电路的几种输出波形,2 脉宽调制的控制方式等腰三角波上、下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个光滑曲线相交时，就可得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲，这种方法称为调制方法。希望输出的信号称为调制信号，用ur表示；把接受调制的三角波称为载波，用uc表示。当调制信号是正弦波时，所得到的便是SPWM波形，如图6-22所示。当调制信号不是正弦波时，也能得到与调制信号等效的PWM波形。,图6-22单极性PWM控制方式原理图,6.5.2单相PWM变频电路与单极性PWM控制方式对应，另外一种PWM控制方式称为双极性PWM控制方式。其频率信号还是三角波，当基准信号是正弦波时，它与单极性正弦波脉宽调制不同之处在于：它们的极性随时间不断地正、负变化，如图6-23所示，不需要如上述单极性调制那样加倒向控制信号。,图6-23双极性PWM控制方式原理图,6.5.3三相桥式PWM变频电路图6-24所示为电压型三相桥式PWM变频电器，其控制方式为双极性方式。,图6-24三相桥式PWM变频电路,A、B、C三相的PWM控制共用一个三角波信号uc，三相调制信号urA、urB、urC分别为三相正弦波信号，三相调制信号的幅值和频率均相等，相位依次相差120。A、B、C三相的PWM控制规律相同。现以A相为例，当urAuc时，使V1导通，V4关断；当urAuc时，使V1关断，V4导通。V1、V4的驱动信号始终互补。三相正弦波脉宽调制波形如图 6-25 所示。,图6-25三相双极性PWM波形,6.5.4专用大规模集成电路芯片形成SPWM波HEF4725的内部逻辑框图和管脚图如图6-26所示。它由三个计数器、一个译码器、三个输出口和一个试验电路组成。三个输出口分别对应于变频电路的R、Y、B(相当于A、B、C)三相，每个输出口包括主开关元件输出端(M1、M2)和换流辅助开关元件输出端(C1、C2)两组信号。,图6-26HEF4725内部逻辑框图与管理图 (a) 内部逻辑图；(b) 管脚图,变频电路输出由四个时钟输入来进行控制：(1) 频率控制时钟FCT。它用来控制变频电路的输出频率，一般由线性压控振荡器提供式中，fOUT为变频电路输出频率(Hz)。,(2) 电压控制时钟VCT。它用以控制变频电路输出的基波电压，即脉冲宽度式中，fVCT(NOM)(单位为Hz)是fVCT的标称值。当取为此值时，输出电压和输出频率间将保持线性关系，直到输出频率达到临界值fOUT(M)。fOUT(M)为100调制时的输出频率，当fOUTfOUT(M)时，经调制后的PWM波形有正弦函数关系。,(3) 参考时钟RCT。它用来设置变频电路最大开关频率，是一个固定不变的时钟式中，fTMAX为变频电路最大开关频率(Hz)。,(4) 输出推迟时钟OCT。为防止同一桥臂中的上、下开关元件在开关转换过程中同时导通而发生电源短路的事故，必须设置延迟时间(死区时间)。OCT与控制输入端K一同用于控制功率开关元件的互锁推迟时间Td。在已确定Td值后，fOCT可按下式确定：,6.5.5PWM变频电路的优点根据前面的分析，PWM变频电路的优点可以归纳如下：(1) 可以得到接近正弦波的输出电压，满足负载需要。(2) 整流电路采用二极管整流，可获得较高的功率因数。(3) 只用一级可控功率的环节，电路结构简单。(4) 通过对输出脉冲的宽度控制就可以改变输出电压的大小，大大加快了变频电路的动态响应速度。,
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