第二章变频器工作原理-整流逆变课件

章变频器工作原理章变频器工作原理关键词：整流、逆变12.1 整流电路整流电路vACDC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。v一、整流电路的分类v自本世纪20年代迄今已经历了以下几个发展阶段：v第一阶段：旋转式变流机组（电动机发电机组）；v第二阶段：静止式离子整流器；v第三阶段：静止式半导体整流器；2n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。n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。n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久，技术最成熟，应用也最广泛的一种电路，n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。32.2整流电路的分类整流电路的分类4单相半波可控整流电路及波形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。5带电感性负载的单相半波电路及其波形带电感性负载的单相半波电路及其波形 6单相桥式全控整流电路图（纯电阻负载）单相桥式全控整流电路图（纯电阻负载）7单相全控桥带电感性负载时的电路及波形单相全控桥带电感性负载时的电路及波形 82.3 三相桥式全控整流电路v三相全桥的特点：三相全桥的特点：v应用最为广泛应用最为广泛.v三相桥式全控整流电路与三相半波电路相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脉动较小、变压器利用率高且无直流磁化问题。问题。v由于在整流装置中，三相桥电路晶闸管的由于在整流装置中，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，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电、电力拖动控制系统等方面获得广泛的应用。应用。92.3.1 共阴极三相半波可控整流电路v电阻负载电阻负载 v图图3-19 三相半波可控三相半波可控整流电路整流电路v三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路如图如图3-19所示。为得到所示。为得到零线，变压器二次侧必零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧须接成星形，而一次侧为避免为避免3次谐波流入电次谐波流入电源接成三角形。三个晶源接成三角形。三个晶闸管分别接入闸管分别接入a、b、c三相电源，它们的阴极三相电源，它们的阴极连接在连接在起，称为共阴起，称为共阴极接法，这种接法触发极接法，这种接法触发电路有公共端，连线方电路有公共端，连线方便。便。图3-19 三相半波可控整流电路102.3.2共阳极三相半波可控整流电路v电路电路v共阳极电路，即将三共阳极电路，即将三个晶闸管的阳极连在个晶闸管的阳极连在一起，其阴极分别接一起，其阴极分别接变压器三相绕组，变变压器三相绕组，变压器的零线作为输出压器的零线作为输出电压的正端，晶闸管电压的正端，晶闸管共阳极端作为输出电共阳极端作为输出电压的负端，如图压的负端，如图2-26所示。所示。v这种共阳极电路接法，这种共阳极电路接法，对于螺栓型晶闸管的对于螺栓型晶闸管的阳根可以共用散热器，阳根可以共用散热器，使装置结构简化；但使装置结构简化；但三个触发器的输出必三个触发器的输出必须彼此绝缘。须彼此绝缘。图3-26 三相半波可控整流电路112.4 SPWM2.4 SPWM变频器的工作原理变频器的工作原理-三相桥式整流电三相桥式整流电路路v由于三相桥式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：v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。13带电阻负载时的工作情况1.工作原理和波形分析：工作原理和波形分析：(1)=0时的情况时的情况对对于于共共阴阴极极组组的的3个个晶晶闸闸管管，阳阳极极所接交流电压值最大的一个导通；所接交流电压值最大的一个导通；对对于于共共阳阳极极组组的的3个个晶晶闸闸管管，阴阴极极所所接接交交流流电电压压值值最最低低（或或者者说说负负得最多）的导通；得最多）的导通；任任意意时时刻刻共共阳阳极极组组和和共共阴阴极极组组中中各各有有1个个SCR处处于于导导通通状状态态。其其余余的的SCR均处于关断状态。均处于关断状态。触触发发角角的的起起点点，仍仍然然是是从从自自然然换换相相点点开开始始计计算算，注注意意正正负负方方向向均均有自然换相点。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 动画动画14从从线线电电压压波波形形看看，udud为为线线电电压压中中最最大大的的一一个个，因因此此udud波形为线电压的包络线。波形为线电压的包络线。表表3-1 三相桥式全控整流电路电阻负载三相桥式全控整流电路电阻负载=0 时晶闸管工作情况时晶闸管工作情况时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb动画动画15三相桥式全控整流电路的特点：三相桥式全控整流电路的特点：（1)两两个个SCR同同时时通通形形成成供供电电回回路路，其其中中共共阴阴极极组组和和共共阳阳极极组组各各有有一一个个SCR导导通通，且且不不能能为同相的两个为同相的两个SCR（否则没有输出）。（否则没有输出）。（2）对触发脉冲的要求：）对触发脉冲的要求：按按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的的顺顺序序，相相位位依依次差次差60；共共阴阴极极组组VT1、VT3、VT5的的脉脉冲冲依依次次差差120，共共阳阳极极组组VT4、VT6、VT2也也依依次次差差120；同同一一相相的的上上下下两两个个桥桥臂臂，即即VT1与与VT4，VT3与与VT6，VT5与与VT2，脉冲相差，脉冲相差180。动画动画16（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：动画动画17三相桥式全控整流电路原理图三相桥式全控整流电路原理图 18三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载=0时的波形时的波形 19三相桥式全控整流电路电阻负载三相桥式全控整流电路电阻负载=0时晶闸管时晶闸管工作情况工作情况时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=ucub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb20三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载=30时的波形时的波形 21三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载=60时的波形时的波形 22三相桥式全控整流电路带电阻负载三相桥式全控整流电路带电阻负载=90时的波形时的波形23三相桥式全控整流电路带电感性负载三相桥式全控整流电路带电感性负载=0时的波形时的波形 24三相桥式全控整流电路带电感性负载三相桥式全控整流电路带电感性负载=30时的波形时的波形25三相桥式整流电路带电感性负载，三相桥式整流电路带电感性负载，=90时的波形时的波形 26 380V 50HZf =0 500HZ 图图 3-1 3-1 变频调速变频调速 变频调速 f 变极对数调速 P 变转差率调速 S2.5 2.5 变频调速原理变频调速原理交交直直交变频器基本结构交变频器基本结构图图3-2 3-2 交交直直交变频器主回路交变频器主回路图图整整 流流 器器 滤滤 波波 器器 逆逆 变变 器器 三相逆变桥示意图三相逆变桥示意图图图3-3 3-3 三相逆变桥三相逆变桥变频器及应用技术变频器及应用技术变频变压的实现变频变压的实现1.单相逆变桥原理单相逆变桥原理 a a）单相逆变桥电路）单相逆变桥电路b b）负载所得电压波形）负载所得电压波形变频器及应用技术变频器及应用技术变频变压的实现变频变压的实现2.变频方法变频方法 a a）频率较高）频率较高b b）频率较低）频率较低 变频器及应用技术变频器及应用技术变频变压的实现变频变压的实现3.三相逆变桥三相逆变桥 a）三相逆变电路）三相逆变电路 b）输出电压波形）输出电压波形变频器及应用技术变频器及应用技术SPWM1.交交直直交交a）电路框图）电路框图 b）频率较高）频率较高 c）频率较低）频率较低输出电压为方波，电流为正弦波输出电压为方波，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，电流为方波输出电压为正弦波，电流为方波变频器及应用技术变频器及应用技术SPWM串联二极管式电流型变频器主电路及电流波形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（电压型正弦波脉宽调制（SPWM）变频器及应用技术变频器及应用技术SPWM2.6 SPWM2.6 SPWM变频器的工作原理：变频器的工作原理：v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）频率较高 b）频率较低）频率较低 采采用用三三角角波波和和正正弦弦波波相相交交获获得得的的PWM波波形形直直接接控控制制各各个个开开关关可可以以得得到到脉脉冲冲宽宽度度和和各各脉脉冲冲间间的的占占空空比比可可变变的的呈呈正正弦弦变变化化的的输输出出脉脉冲冲电电压压电电压压，能能获获得得理理想的控制效果，想的控制效果，输输出出电电流近似正弦波。流近似正弦波。变频器及应用技术变频器及应用技术SPWM（2）双极性脉宽调制 变频器及应用技术变频器及应用技术SPWM2.7 控制芯片控制芯片 DSP DSP 电机控制专用电机控制专用CPUCPU TI TI公司产品公司产品 实时控制，快速处理数实时控制，快速处理数据据 同一机器周期同时处理同一机器周期同时处理多条指令多条指令 CPLD CPLD 大规模可编程逻辑阵列大规模可编程逻辑阵列 XILINX XILINX产品产品 系统逻辑构成和保护系统逻辑构成和保护电路电路 简化数字逻辑简化数字逻辑 MCU MCU 单片机单片机 ATMEL ATMEL公司产品公司产品 显示与键盘显示与键盘 控制线路板控制线路板变频器及应用技术变频器及应用技术SPWM功率器件功率器件电机控制算法电机控制算法功率器件功率器件V/F控制控制SCRGTR矢量控制矢量控制IGBT计算机技术计算机技术单片机单片机DSP IGBT大容量大容量 IPM 更高速率和容量更高速率和容量如，矩阵式变频器如，矩阵式变频器大功率传大功率传动使用变动使用变频器，体频器，体积大，价积大，价格高格高未来发展方向未来发展方向完美无谐波，完美无谐波，PWM技术技术SPWM技术技术PWM优化优化新一代开关技术新一代开关技术无速度矢量控制无速度矢量控制电流矢量电流矢量V/F70年代年代80年代年代60年代年代90年代年代高速高速DSP专用芯片专用芯片2000年代年代超静音变频器开始流行超静音变频器开始流行解决了解决了GTR噪声问题噪声问题变频器性能大幅提升变频器性能大幅提升大批量使用，取代直流大批量使用，取代直流算法优化算法优化 更大容量更大容量 更高开关频率更高开关频率PWM技术技术空间电压矢量空间电压矢量调制技术调制技术变频器体变频器体积缩小，积缩小，开始在中开始在中小功率电小功率电机上使用机上使用变频器及应用技术变频器及应用技术SPWM）逆变电路）逆变电路 ）电压波形）电压波形 ）电流波形）电流波形串联二极管式电流型变频器主电路串联二极管式电流型变频器主电路1.晶闸管（晶闸管（SCR）变频器及应用技术变频器及应用技术SPWM）逆变电路）逆变电路 ）电压波形）电压波形 ）电流波形）电流波形2.GTRGTR模块（单桥）模块（单桥）变频器及应用技术变频器及应用技术SPWM）逆变电路）逆变电路 ）电压波形）电压波形 ）电流波形）电流波形3.IGBT单管单管IGBT单桥单桥IGBT模块模块全桥全桥IGBT模块模块变频器及应用技术变频器及应用技术SPWM