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1、第7章 变频电路,7.1 变频电路的基本工作原理 7.2 谐振式变频电路 7.3 三相桥式变频电路 7.4 交交变频电路 7.5 脉宽调制（PWM）型变频电路 习题及思考题,7.1 变频电路的基本工作原理,图7-1（a）所示为单相桥式变频电路，该图中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
2、7-1（b）所示。如果改变正组和反组的控制角的大小，则可实现对输出电压幅值的调节。,图 7-1 单相输出交直交变频电路 (a) 电路； (b) 输出电压,7.1.2 单相输出交交变频电路 电路原理如图7-2（a）所示。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，则负载端得到的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， 即可在负载端获得交变的输出电压。,图 7-2 单相输出交交变频电路及波形图(控制
3、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7-2（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，然后再由0逐渐增加到90，那么正组整流电路的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7-3所示（三相交流输入），该图中AG点为触发控角的时刻。在反组工作的半个周期内采用同样的控制方法， 就可得到接近正弦波的输出电压。,图 7-3 交交变频电路的输出波形(控制角变化),7.1.3 两种变频电路的比
4、较 同交直交变频电路相比， 交交变频电路有以下优缺点。 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。,由于上述的优缺点，交交变频电路主要用于500 kW或1000 kW以上，转速在600 r/min 以下的大功率、低转速的交流调速装置中，目前已在矿石碎机、水泥球磨机、卷扬机、鼓风机及轧钢机主传动装置中获得较多的应用。它既可用于
5、异步电动机传动， 也可用于同步电动机传动。 而交直交变频电路主要用于金属熔炼、感应加热的中频电源装置，可将蓄电池的直流电变换为50 Hz交流电的不停电电源、变频变压电源（VVVF）和恒频恒压电源等。通常又将交直交变频电路称为无源逆变电路。,7.2 谐振式变频电路,7.2.1 并联谐振式变频电路 图7-4所示电路即为并联谐振变频电路的主电路。L为负载， 换流电容C与之并联，L1L4为四只电感量很小的电感，用于限制晶闸管电流上升率di/dt；由三相可控整流电路获得电压连续可调的直流电源UD，经过大电感LD滤波，加到由四个晶闸管组成的变频桥两端，通过该变频电路的相应工作，将直流电变换为所需频率的交流
6、电供给负载。 上述变频电路在直流环节中设置大电感滤波，使直流输出电流波形平滑，从而使变频电路输出电流波形近似于矩形。由于直流回路串联了大电感，故电源的内阻抗很大，类似于恒流源， 因此这种变频电路又被称为电流源型变频电路。,图7-4 并联谐振式变频电路,图7-4电路一般多用于金属的熔炼、淬火及透热的中频加热电源。 当变频电路中V1、V4和V2、V3两组晶闸管以一定频率交替导通和关断时， 负载感应线圈就流入中频电流， 线圈中即产生相应频率的交流磁通，从而在熔炼炉内的金属中产生涡流，使之被加热至熔化。晶闸管交替导通的频率接近于负载回路的谐振频率，负载电路工作在谐振状态，从而具有较高的效率。 ,图7-
7、5为变频电路工作时晶闸管的换流过程。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7-5（a）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，负载成容性，使io超前负载电压uo一个角度，负载中电流及电压波形如图7-6所示。当在t2时刻触发V2及V3晶闸管时，由于负载电压uo的极性此时对V2及V3而言为顺极性，使iV2及iV3从零逐渐增大；反之因V2及V3的导通，将uo电压反加至V1及V4两端，从而使iV1及iV4相应减小，在t2t4时间内iV1和iV4从额定值减小至零，iV2和iV3则由零增加至额定值， 电路完成了换流。,设换流期间
8、时间为tr，从上述分析可见，tr内四个晶闸管皆处于导通状态，由于大电感LD的恒流作用及时间tr很短，故不会出现电源短路的现象。虽然在t4时刻V1及V4中的电流已为零，但不能认为其已恢复阻断状态，此时仍需继续对它们施加反压， 施加反压的时间应大于晶闸管的关断时间tq，换流电容C的作用即可以提供滞后的反向电压，以保证V1及V4的可靠关断，图7-6中t4至t5的时间即为施加反压的时间。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,式中Kf为大于1的系数，一般取23，tf称为触发引前时间。,图 7-5 变频器的换流过程 (a) V1 ,
9、 V4触发； (b) 换流； (c) V2 , V3导通,图7-6 并联谐振式逆变电路工作波形,7.2.2 串联谐振式变频电路 在变频电路的直流侧并联一个大电容C， 用电容储能来缓冲电源和负载之间的无功功率传输。从直流输出端看，电源因并联大电容，其等效阻抗变得很小，大电容又使电源电压稳定， 因此具有恒电压源特点，变频电路输出电压接近矩形波，这种变频电路又被称为电压源型变频电路。 图7-7给出了串联谐振式变频电路的电路结构，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。 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
10、，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。,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， 负载电流io超前电压uo，以实现换流。,图 7-7 串联谐振式变频电路,图7-8 串联谐振式逆变电路工作波形,图7-8为电路输出电压和电流波形。设晶闸管V1、V4导通， 电流从A流向B，uAB左正右负。由于电流超前电压，当tt1时， 电流io为零，当tt1时，电流反向。由于V2、V3未导通，反向电流通过二极管VD1
11、、VD4续流，V1、V4承受反压关断。当tt2时， 触发V2、V3，负载两端电压极性反向，即uAB左负右正，VD1、 VD4截止，电流从V2、V3中流过。当tt3时，电流再次反向， 电流通过VD2、VD3续流，V2、V3承受反压关断。当tt4时， 再触发V2、V3。二极管导通时间tf即为晶闸管反压时间，要使晶闸管可靠关断，tf应大于晶闸管关断时间tq。 串联谐振式变频电路启动和关断容易，但对负载的适应性较差。当负载参数变化较大且配合不当时，会影响功率输出。 因此，串联变频电路适用于淬火热加工等需要频繁启动，负载参数变化较小和工作频率较高的场合。,7.3 三相桥式变频电路,7.3.1 电压源型桥
12、式变频电路 电路结构如图7-9所示。该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。 电压源型三相桥式变频电路的基本工作方式为180导电型，即每个桥臂的导电角度为180，同一相上下桥臂交替导电，各相开始导电的时间依次相差120。由于每次换流都在同一相上下桥臂之间进行，因此称为纵向换流。在一个周期内， 六个管子触发导通的次序为V1V6，依次相隔60，任意时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为V1V2V3、V2V3V4, V3V4V5 , V4V5V6 , V5V6V1和V6V1V2，每种组合工作60电角度。,图
13、7-9 电压源型三相桥式变频电路,图 7-10 电压源型变频电路工作波形,图 7-10 电压源型变频电路工作波形,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AB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7-11所示。,图 7-11 V1、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 UCA-UD 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
14、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AC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7-12所示。 由此等效电路可得此时负载的线电压为,负载的相电压为,图7-12 V2、V3、V4 导通时的等效电路,从图7-10可以看出，负载线电压为120正、负对称的矩形波，相电压为180正、负对称的阶梯波。三相负载电压相位相差120。由于每个控制脉冲的宽度为180，因此每个开关元件的导通宽度也为180。如果改变控制电路中一个工作周期T的长度， 则可改变输出电压的频率。,对于180导电型变频电路
15、，由于是纵向换流，存在着同一桥臂上的两个元件一个关断，同时另一元件导通的时刻， 例如，在t/3时，要关断V1， 同时控制导通V4，所以 为了防止同相上、下桥臂同时导通而引起直流电源的短路， 必须采取先断后通的方法，即上、下桥臂的驱动信号之间必须存在死区， 即两个元件同时处于关断状态。,表7-1 三相变频桥工作状态表,除180导电型外，三相桥式变频电路还有120导电型的控制方式， 即每个桥臂导通120，同一相上、下两臂的导通有60的间隔， 各相导通依次相差120。120导通型不存在上、下开关元件同时导通的问题， 但当直流电压一定时， 其输出交流线电压有效值比180导通型低得多，直流电源电压利用率
16、低。因此，一般电压源型三相变频电路都采用180导电型控制方式。 改变变频桥晶体管的触发频率或者触发顺序（V6V1）， 能改变输出电压的频率及相序，从而可实现电动机的变频调速与正反转。 若采用晶闸管作为变频桥的开关元件， 必须附加换流电路。,7.3.2 电流源型三相桥式变频电路,图 7-13 电流源型三相桥式变频电路,电流源型三相桥式变频电路的基本工作方式是120导通方式，每个可控元件均导通120，与三相桥式整流电路相似， 任意瞬间只有两个桥臂导通。导通顺序为V1V6， 依次相隔60, 每个桥臂导通120，这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。 换流时，在上桥臂组或下桥臂组内依次换流， 称为横向换流， 所以即使出现换流失败，即出现上桥臂（或下桥臂）两个IGBT同时导通的时刻， 也不会发生直流电源短路的现象，上、下桥臂的驱动信号之
