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1、6.1 变频器的基本概念,一.变频器的基本工作原理,1.变频器的电路构成,整流器:将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能, 可以是不可控的，也可以是可控的。,滤波器:将脉动的直流量滤波成平直的直流量,可以对直流电压滤波(用电容),也可以对直流电流滤波(用电感),因为逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1，总会有无功功率的交换，要靠中间直流环节的储能元件来缓冲。,变频器的电路构成,逆变器:将直流电能逆变为交流电能,直接供给负载,它的输出频率和电压均与交流输入电源无关,称为无源逆变器。它是变频器的核心。,变频器的基本工作原理,2.变频器的工
2、作原理,以单相桥式逆变电路为例,S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,用可控开通，可控关断的电力电子开关，切换电流方向，将 直流电能转换成交流电能。,变频器的工作原理,S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正,S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负,变频器的工作原理,改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。,电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。,阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。,阻感负载工作过程分析：,t1前：S1、S4通，uo和io均为正。,t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向。,i
3、o从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大,变频器的工作原理,3.变频器常用的调压方法:,可控整流器调压：根据负载对变频器输出电压的要求，通过可控整流器 实现对变频器输出电压的调节。,直流斩波器调压：采用不可控整流器，保证变频器电源侧有较高的功率 因数，在直流环节中设置直流斩波器完成电压调节。,逆变器自身调压：采用不可控整流器，通过逆变器自身的电子开关进行 斩波控制，使输出电压为脉冲列。改变输出电压脉冲 列的脉冲宽度，便可达到调节输出电压的目的。这种 方法称为脉宽调制(Pulse Width Modulation-P
4、WM),根据调制波形的不同，可分为：,单脉冲调制：在输出电压波形的半周期内只有一个脉冲。,多脉冲调制：在输出电压波形的半周期内有多个脉冲。,正弦波脉宽调制：在输出电压波形的半周期内为多脉冲调制，而且每 个脉冲的宽度按正弦规律变化。,二.变频器中逆变器的基本类型,1.按直流输入端滤波器分类,电压型逆变器：,电流型逆变器：,中间直流环节采用大电容作为滤波器， 逆变器的输入电压平直且电源阻抗很小， 类似于电压源。,中间直流环节采用大电感作为滤波器， 逆变器的输入电流平直且电源阻抗很大， 类似于电流源。,2.按电子开关的开关频率分类：,半周期内星形负载的等值电路为：,按电子开关的开关频率分类,半周期内
5、星形负载的等值电路为：,三.逆变器中的电子开关,1.逆变器对电子开关的要求：,对正向电流既能控制开通，又能控制关断。,高开关速度和低能量损耗。,有足够的电压和电流定额。,提供滞后电流通路。,采用逆导型电力电子开关(由单向导电电子开关与开关二极管反并联而成),2.器件换流方式：,电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相,自换流型：采用全控型器件。,强迫换流：附加强迫换流环节实现晶闸管的关断。,负载换流：利用负载电流自然过零实现晶闸管的关断。,6.4 全控型器件逆变器,一.单相半桥式逆变器,1.主电路,2.工作过程及波形分析,V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、 半周反偏，两者互补，输出
6、电压uo为矩形波， 幅值为Um=Ud/2,V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载 提供能量； VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能 向直流侧反馈。 VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载 电流连续的作用，又称续流二极管。,二.单相全桥式逆变器,1.主电路,2.工作过程及波形分析,V1和V4一对， V2和V3另一对，成对桥臂同时导通，两对桥臂交替导通.,uo波形同半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud,io波形和半桥电路的io相同，幅值增加一倍。,当负载为感性时，V1 、 V4关断后，由 VD2、VD3提供负载续流回路，电流过零 时V2 、 V3导通；,V2 、 V3关断
7、后，由VD1、VD4提供负载 续流回路，电流过零时V1 、 V4导通；,三. 三相桥式电压型逆变器,1.主电路结构,三相桥式电压型逆变器-主电路结构,反馈二极管用于提供负载滞后电流通路，可向电源反馈能量。反馈二极管与晶体管配合工作，在主开关元件关断后，同一相另一桥臂上的反馈二极管导通，为负载续流。,三相桥式电压型逆变器-主电路结构,三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路 应用最广的是三相桥式逆变电路 可看成由三个半桥逆变电路组成,三相桥式电压型逆变器,2.控制方式,180导电方式 每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 任一瞬间有三个桥臂同时导通 每次换流都是在
8、同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流,三相桥式电压型逆变器,3.波形分析,负载各相到电源中点N的电压：U相，1通 uUN=Ud/2， 4通，uUN=-Ud/2,三相桥式电压型逆变器,三相桥式电压型逆变器-波形分析,负载线电压,负载相电压,三相桥式电压型逆变器-波形分析,负载相电压,负载中点和电源中点间电压,负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是,电压型三相桥式逆变电路的工作波形,三相桥式电压型逆变器-波形分析,三相桥式电压型逆变器,6.5 PWM控制技术,PWM (Pulse Width Modulation)：脉宽调制,脉宽调制技术：通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等 效的获得
9、所需要的波形（含形状和幅值）,PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。,PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性 能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。,现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。,一. PWM控制的基本原理,冲量指窄脉冲的面积,指环节的输出响应波形基本相同,PWM控制技术,实例,以上实例说明了“面积等效原理”,电路输入：e(t),电路输出：i(t),PWM控制的基本原理,1. 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替正弦半波,SPWM波,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,二.正弦波脉宽调制
10、（SPWM）技术,正弦波脉宽调制（SPWM）技术,对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波 形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：,O,w,t,U,d,-U,d,SPWM是指按正弦波规律调制输出脉冲列电压中的各脉 冲宽度，使输出脉冲列电压在斩控周期内的平均值对时间 按正弦规律变化。,正弦波脉宽调制（SPWM）技术,根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM 波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。,调制法,根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM 波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通 断，就可得到所需PWM波形 本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位
11、变化 时，结果都要变化,计算法,2. 正弦波脉宽调制（SPWM）原理,把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为 载波，经过信号波的调制得到所期望的PWM波形。,在载波与调制波的交点时刻对电路中开关器件的通断进行 控制，得到宽度正比于调制信号波幅值的脉冲。,正弦波脉宽调制（SPWM）原理,根据三角波和正弦波相对极性不同，可分为： 单极性SPWM 双极性SPWM,SPWM技术采用等腰三角波电压作为载波信号，正弦波电压作为调制信号，通过正弦波电压与三角波电压信号相比较的方法，确定各分段矩形脉冲的宽度。,正弦波脉宽调制（SPWM）技术,结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明,工作
12、时V1和V2通断互补， V3和V4通断也互补,控制规律：,以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断,（1）单极性PWM控制方式,（2）双极性PWM控制方式,3.异步调制和同步调制,载波比,载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr,根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制,(1) 异步调制,载波信号和调制信号不同步的调制方式,通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的 在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称 当fr较低时，N较大，一周期内
13、脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小 当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大,(2) 同步调制,载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时 使载波与信号波保持同步，即N等于常数。,同步调制三相PWM波形,异步调制和同步调制,异步调制和同步调制,精品课件！,精品课件！,分段同步调制方式举例,分段同步调制异步调制和同步调制的综合应用,讨论：,把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同,在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高； 在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低,为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换 的方法,结论：,同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容 易实现,可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近,异步调制和同步调制,
