变频器原理及应用

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,书名：变频器原理及应用 第,3,版,ISBN,：,978-7-111-48488-2,出版社：机械工业出版社,本书配有电子课件,1,第三章,交,-,直,-,交变频技术,交,-,直,-,交变频器的主电路框图如图,3-1,所示。主电路包括三个组成部分：整流电路、中间电路和逆变电路。,图,3-1,交,-,直,-,交变频器的主电路框图,2,3.1,整流电路,3.1.1,不可控整流电路,不可控整流电路使用的元件为功率二极管，不可控整流电路按输入交流电源的相数不同分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。,三相桥式整流电路如图,3-2,所示。,图,3-2,三相桥式整流电路,3,三相不可控,整流电路,分析,三相桥式整流电路共有六只整,流二极管，其中,VD,1,、,VD,3,、,VD,5,三只,管子的阴极连接在一起，称为共阴,极组；,VD,4,、,VD,6,、,VD,2,三只管子的阳,极连接在一起，称为共阳极组。,共阴极组三只二极管,VD,1,、,VD,3,、,VD,5,在,t,1,、,t,3,、,t,5,换流导通；共阳极,组三只二极管,VD,2,、,VD,4,、,VD,6,在,t,2,、,t,4,、,t,6,换流导通。一个周期内，每,只二极管导通,1,3,周期，即导通角,为,120,。通过计算可得到负载电阻,R,L,上的平均电压为,U,o,= 2.34,U,2,(3-1),图,3-3,三相桥式电路的电压波形,4,3.1.2,可控整流电路,3.1.2,可控整流电路,三相桥式全控整流电路，如图,3-4,所示。,图,3-4,三相桥式可控整流电路,5,可控整流电路工作原理,三相交流电源电压,u,R,、,u,S,、,u,T,正半,波的自然换相点为,1,、,3,、,5,，负半波的,自然换相点为,2,、,4,、,6,。,当,0,时，让触发电路先后向各,自所控制的,6,只晶闸管的门极,(,对应自然,换相点,),送出触发脉冲，即在三相电源,电压正半波的,1,、,3,、,5,点向共阴极组晶闸,管,VT,1,、,VT,3,、,VT,5,输出触发脉冲；在三相,电源电压负半波的,2,、,4,、,6,点向阳极组晶,闸管,VT,2,、,VT,4,、,VT,6,输出触发脉冲，负载,上所得到的整流输出电压,u,d,波形如图,3-5b,所示的由三相电源线电压,u,RS,、,u,RT,、,u,ST,、,u,SR,、,u,TR,和,u,RS,的正半波所组成的包络线,。,图,3-5b,三相桥式全控电路电压波形,6,可控整流电路控制原则,1),三相全控桥整流电路任一时刻必须有两只晶闸管同时导通，才能形成负载电流，其中一只在共阳极组，另一只在共阴极组。,2),整流输出电压,u,d,波形是由电源线电压,u,RS,、,u,RT,、,u,ST,、,u,SR,、,u,TR,和,u,RS,的轮流输出所组成的。晶闸管的导通顺序为：（,VT,6,和,VT,1,）（,VT,1,和,VT,2,）（,VT,2,和,VT,3,）（,VT,3,和,VT,4,）（,VT,4,和,VT,5,）（,VT,5,和,VT,6,）。,3),六只晶闸管中每管导通,120,，每间隔,60,有一只晶闸管换流。,4,）触发方式：可采用单宽脉冲触发，也可采用双窄脉冲触发。,7,不同控制角时输出电压波形,60,时的电压波形,图,3-6,60,时的电压波形,三相桥式可控整流电路输出电压平均值计算,三相桥式可控整流电路所带负载为电感性时，输出电压平均值可用下式计算,U,d,=2.34,U,2,cos,(3-2),8,3.2,中间电路,变频器的中间电路有滤波电路和制动电路等不同的形式。,3.2.1,滤波电路,虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但是这种电压或电流含有频率为电源频率,6,倍的纹波，则逆变后的交流电压、电流也产生纹波。因此，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。这种电路称为滤波电路。,9,1.,电容滤波,通常用大容量电容对整流电路输出电压进行滤波。由于电容量比较大，一般采用电解电容。,二极管整流器在电源接通时，电容中将流过较大的充电电流,(,亦称浪涌电流,),，有可能烧坏二极管，必须采取相应措施。图,3-7,给出几种抑制浪涌电流的方式。,a),接入交流电抗,b),接入直流电抗,c),串联充电电阻,图,3-7,抑制浪涌电流的方式,10,采用大电容滤波后再送给逆变器，这样可使加于负载上的电压值不受负载变动的影响，基本保持恒定。该变频电源类似于电压源，因而称为电压型变频器。电压型变频器的电路框图如图,3-8,所示。,电压型变频器逆变电压波形为方波，而电流的波形经电动机负载的滤波后接近于正弦波，如图,3-9,所示。,图,3-8,电压型变频器的,电路框图,图,3-9,电压型变频器的电压和电流,波形,11,2.,电感滤波,采用大容量电感对整流电路输出电流进行滤波，称为电感滤波。由于经电感滤波后加于逆变器的电流值稳定不变，所以输出电流基本不受负载的影响，电源外特性类似电流源，因而称为电流型变频器。图,3-10,所示为电流型变频器的电路框图。图,3-11,所示为电流型变频器输出电压及电流波形。,图,3-10,电流型变频器的电路框图 图,3-11,电流型变频器输出电压及电流波形,12,3.,制动电路,利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电动机的再生电能的方式称为动力制动或再生制动。图,3-12,为制动电路的原理图。制动电路介于整流器和逆变器之间，图中的制动单元包括晶体管,V,B,、二极管,VD,B,和制动电阻,R,B,。如果回馈能量较大或要求强制动，还可以选用接于,H,、,G,两点上的外接制动电阻,R,EB,。,图,3-12,为制动电路的原理图,13,3.3,逆变电路的工作原理及基本形式,3.3.1,逆变电路的工作原理,逆变电路也简称为逆变器，图,3-13a,所示为单相桥式逆变器，四个桥臂由开关构成，输入直流电压,E,，逆变器负载是电阻,R,。当将开关,S,1,、,S,4,闭合，,S,2,、,S,3,断开时，电阻上得到左正右负的电压；间隔一段时间后将开关,S,1,、,S,4,打开，,S,2,、,S,3,闭合，电阻上得到右正左负的电压。我们以频率,f,交替切换,S,1,、,S,4,和,S,2,、,S,3,，在电阻上就可以得到图,3-13b,所示的电压波形。,a),单相桥式逆变电路,b),工作电压波形,图,3-13,逆变器工作原理,14,3.3.2,逆变电路的基本型式,1.,半桥逆变电路,图,3-14a,为半桥逆变电路原理图，直流电压,U,d,加在两个串联的足够大的电容两端，并使得两个电容的连接点为直流电源的中点，即每个电容上的电压为,U,d,/2,。由两个导电臂交替工作使负载得到交变电压和电流，每个导电臂由一个功率晶体管与一个反并联二极管所组成。,a) b),图,3-14,半桥逆变电路及工作波形,a),半桥逆变电路,b),工作波形,15,2.,全桥逆变电路,电路原理如图,3-15a,所示。直流电压,U,d,接有大电容,C,，电路中的四个桥臂，桥臂,1,、,4,和桥臂,2,、,3,组成两对，工作时，设,t,2,时刻之前,V,1,、,V,4,导通，负载上的电压极性为左正右负，负载电流,i,o,由左向右。,t,2,时刻给,V,1,、,V,4,关断信号，给,V,2,、,V,3,导通信号，则,V,1,、,V,4,关断，但感性负载中的电流,i,o,方向不能突变，于是,VD,2,、,VD,3,导通续流，负载两端电压的极性为右正左负。当,t,3,时刻,i,o,降至零时，,VD,2,、,VD,3,截止，,V,2,、,V,3,导通，,i,o,开始反向。同样在,t,4,时刻给,V,2,、,V,3,关断信号，给,V,1,、,V,4,导通信号后，,V,2,、,V,3,关断，,i,o,方向不能突变，由,VD,1,、,VD,4,导通续流。,t,5,时刻,i,o,降至零时，,VD,1,、,VD,4,截止，,V,1,、,V,4,导通，,i,o,反向，如此反复循环，两对交替各导通,180,。其输出电压,u,O,和负载电流,i,O,见图,3-15b,所示。,a),全桥逆变电路,b),工作波形,16,3.4 SPWM,控制技术,3.4.1,概述,PAM (Pulse Amplitude Modulation),脉幅调制型,，是一种改变电压源的电压,U,d,或电流源,I,d,的幅值，进行输出控制的方式。,PWM (Pulse Width Modulation),脉宽调制型，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变调制周期来控制其输出频率。,SPWM,（,Sinusoidal PWM,）正弦波脉宽调制型 ，,SPWM,控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。,17,3.4.2 SPWM,控制的基本原理,采样控制理论有这样一个结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积，效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。例如图,3-20,所示的三种窄脉冲形状不同，但面积相同（假如都等于,1,）。当它们分别加在同一个惯性环节上时，其输出响应基本相同。且脉冲越窄，其输出差异越小。,图,3-20,冲量相等形状不同的三种窄脉冲,18,根据上述理论，正弦波可用一系列等幅不等宽的脉冲来代替。如图,3-21,所示。,图,3-21,19,3.4.3 PWM,逆变电路的控制方式,1.,单极性方式,单极性控制方式波形见图,3-23,，载波,u,c,在调制信号波,u,r,的正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波。,图,3-23,单极性控制方式波形,20,2.,双极性控制方式,双极性控制方式波形见图,3-24,，在,u,r,的半个周期内，三角波载波是在正负两个方向变化的，所得到的,PWM,波形也是在两个方向变化的。,图,3-24,双极性控制方式波形,21,3.4.4,SPWM,逆变器的调制方式,在,SPWM,逆变器中，三角波电压频率,f,t,与调制波电压频率,(,即逆变器的输出频率,),f,r,之比,N,f,t,f,r,称为载波比，也称为调制比。根据载波比的变化与否，,PWM,调制方式可分为同步式、异步式和分段同步式。,22,1.,同步调制方式,载波比,N,等于常数时称同步调制方式。同步调制方式在逆变器输出电压每个周期内所采用的三角波电压数目是固定的，因而所产生的,SPWM,脉冲数是一定的。其优点是在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有,120,相位移的对称关系。缺点是当逆变器输出频率很低时，每个周期内的,SPWM,脉冲数过少，低频谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。,23,(2),异步调制方式,在逆变器的整个变频范围内，载渡比,N,不是一个常数。一般在改变调制波频率,f,r,时保持三角波频率,f,t,不变，因而提高了低频时的载波比，这样逆变器输出电压每个周期内,PWM,脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了调速系统的低频工作特性。但异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点。当载波比,N,随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是,3,的倍数势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。,24,(3),分段同步调制方式,实际应用中，多采用分段同步调制方式，它集同步和异步调制方式之所长，而克服了两者的不足。在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点，在低频运行时，使载波比有级地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。具体地说，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持,N,恒定，而对不同的频段取不同的,N,值，频率低时，,N,值取大些。采用分段同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路，从而增加控制电路的复杂性。,25,3.4.5 SPWM,波形成的方法,1.,自然采样法,自然采样法即计算正弦信号波和三角载波的交点，从而求出相应的脉宽和间歇时间，生成,SPWM,波形。图,3-25,表示截取一段正弦与三角波相交的实时状况。检测出交点,A,是发出脉冲的初始时刻，,B,点是脉冲结束时刻。,T,C,为三角波的周期；,t,2,为,AB,之间的脉宽时间，,t,1,和,t,3,为间歇时间。显然，,T,C,=,t,1,+,t,2,+,t,3,。,图,3-21,自然采样法,26,2.,数字控制法,数字控制法，是由微机存储预先计算好的,SPWM,数据表格，控制时根据指令调出，由微机的输出接口输出。,3.,采用,SPWM,专用集成芯片,用微机产生,SPWM,波，其效果受到指令功能、运算速度、存储容量等限制，有时难以有很好的实时性，因此，完全依靠软件生成,SPWM,波实际上很难适应高频变频器的要求。,随着微电子技术的发展，已开发出一批用于发生,SPWM,信号的集成电路芯片。目前已投入市场的,SPWM,芯片进口的有,HEF4725,、,SLE4520,，国产的有,THP4725,、,ZPS-101,等。有些单片机本身就带有,SPWM,端口，如,8098,、,80C196MC,等。,27,本 章 小 结,交,-,直,-,交变频器的主电路包括三个组成部分：整流电路、中间电路和逆变电路。,整流电路把电源提供的交流电压变换为直流电压，电路型式分为,不可控整流电路和可控整流电路。,中间电路分为滤波电路和制动电路等不同的形式，滤波电路是对整流电路的输出进行电压或电流滤波，经大电容滤波的直流电提供给逆变器的称为电压型逆变器，经大电感滤波的直流电提供给逆变器的称为电流型逆变器；制动电路是利用设置在直流回路中的制动电阻或制动单元吸收电动机的再生电能实现动力制动。,逆变电路是将直流电变换为频率和幅值可调节的交流电，对逆变电路中功率器件的开关控制一般采用,SPWM,控制方式。,28,谢谢！,29,