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1、第七章 变频电路,一、变频器及其分类,变频电路从变频过程分可分为二大类： 交流交流变频，它将50Hz的交流直接变成其它频率(低于50Hz)的 交流，称直接变频。 交流直流交流变频，将50Hz交流先整流为直流，再由直流逆变 为所需频率的交流。,上述两大类变频器又可细分如表。,二、无源逆变器(Invener)的简单工作原理,逆变器换流有以下两种：,（1）负载换流 逆变器输出电流超前电压(即带电容性负载)时，当流过晶闸管中的振 荡电流自然过零，则晶闸管将缮续承受负载的反电压，如超前时间大于管 子关断时间，就能保证管子完全恢复阻断能力实现可靠换流。目前使用较 多的并联与串联谐振式中频电源就是属于此类换
2、流。这种换流，主电路不 需要附加换流环节，也称自然换流。,（2）强迫换流 亦称脉冲换流。生产中大量是电感性负载，必须采用强迫换流。其特 点是设置专门的换流回路，通常由电感、电容、小容量晶闸管等组成。换 流回路的任务是在需要的时刻产生短暂的反向脉冲电压，迫使导通的管子 关断。,三、电感性负载与反馈(续流)二极管,在实际应用中磋到大量电感性负载，此时采用恒定电压d供电的电压 型电路将无法工作，因为在半周末关断一对晶闸臂和导通另一对晶闸管时， 由于负载是电感性的，电流滞后于电压，故此时电流还未到零，如 使负载电流瞬时反向，将在负载电感两端感应出大电压，使管子损,坏。为此必须在晶闸管两端反并联一十二极
3、管(称为反馈二极管)，电路 才能正常工作，电路如图。,一、并联谐振逆变器,换流电容与负载电路并联，换流是基于并联谐振的原理，这类逆变器称为并联谐振逆变器简称并联逆变器、较多用于金属的熔炼、透热和淬火的中频加热电源。,图为并联逆变器主电路，由三相可控整流获得电压连续可调的直流电源Ud，经过大电感滤波，通过并联逆变电路将直流电逆变为中频交流电供给负载，属于电流型逆变器。,逆变桥由四个晶闸管桥臂组成，因工作频率较高(通常为10002500Hz)，故采用KK型快速晶闸臂。L1L4为4只电脑量很小的桥臂电感，用于限制电流上升串didt。感应线圈L、R和电容并联组成负载谐振电路。,二、串联谐振逆变器,换流
4、电容与负载电路串联，它的换流是基于串联谐振的原理， 这类逆变器称为串联谐振逆变器，筒称串联逆变器。,下图为串联谐振逆变电路，特点是采用不可控整流，电路简单、功 率因数高。,三、全控型器件构成的谐振逆变器,(一)软开关技术,随着电力电子新器件不断涌现，向高频化、模块化、小型化发晨，为了降低电力电子器件的开关损耗，提出了谐振电路在电压、电流过零时进行换流，这种电力电子开关器件在零电压、零电流时开通和关断，称之为软开关。,图a为零电压开关(ZVS)，电容C与开关器件Q是并联的，在Q导通之前C和L产生串联谐振，当C上电压为零时再使Q导通，此时电压u与电流i波形见图a导通时波形。当开关器件Q关断时，由于
5、电容C的存在，开关器件Q上承受的电压u以线性速度缓慢地从零开始上升，电压u与电流i彼形见图a关断时波形。,图b为零电流开关(ZCS)。电感L与开关器件Q是串联的，当开关器件Q导通，由于电感L的存在，开关器件Q上的电流i以线性速度从零开始上升。电压u与电流i波形见图b导通时波形。在Q关断之前L和C组成谐振电路产生并联谐振，当流过Q上的电流为零时再使Q关断，此时电压u与电 流i波形见图b关断时波形。,(二)IGBT谐振型逆变器,图中，VI1VI4为4只IGBT。,图b中，感应线圈L、电容和电阻只组成串联谐振电路在IGBT丁关断期间震荡，于是开关器件两端的电压形成一近似正弦彼，为开关器件导通时建立起
6、零电压条件，如VI1导通以前，Cl与L和R谐振，使Cl上电压为零。VI1导通时其两端电压为零。这样就大大降低了开关器件导通时的损耗， 提高了换流效率。,图a中，感应线圈L、电容C和电阻R组成并联谐振电路，使整个负载电路呈现为电阻特性，因此负载电流和负载电压的基波是同相位，在电压和电流过零瞬间，IGBT逆变桥进行换流，实现了逆变器换流时在零电压和零电流时的开和关。,一、电压型逆变器,(一)晶闸管串联电感式逆变电路,目前应用的三相串联电感式逆变电路为强迫换流形式，如图所示。,1换流过程,此类电路换流是在同一相桥臂的两个晶闸管之间进行的，如A相桥臂内，VT1导通时触发VT4导通，强迫VT1关断，负载
7、电流iA由经VT1流出换流为流入VT4。换流电路由C1C6、L1L6组成，L1与L3、L4与L6、L5与L2为全藕合，VD1VD6为反馈二极臂，为感性负载电流提供反馈电源的通路。,2三相串联电感式逆变器工作原理,改变逆变桥晶闸管的触发频率或者改变管子触发顺序(VT6VT1)，即能得到不同频率和不同相序的三相交流电，实现电动机的变频调速与正反转。,(二) IGBT三相逆变电路,图为IGBT三相逆变电路，由六只自关断器件IGBT构成电压型逆变器，它和晶闸管组成的三相逆变器的不同之处是不需要强迫关断电路，各只IGBT依次每隔60换流一次，导通次序为VI1、VI2、VI3、VI2、VI3、VI4、VI
8、3、VI4、VI5依次类推，每只IGBT仍导通180，各相线电压与相电压波形同图。VD1VD6为续流二极管，为感性负载电流提供反馈通路。,二、电流型逆变器,(一)串联二极管式逆变电路,串联二极管式逆变器是电流型逆变器，性能优于电压型逆变器，在晶闸管变频调速中应用最多。下图为其主电路。,1换流过程,现以在VT5、VT6稳定导通时，触发VT1使VT5关断的换流过程为例来说明，分4个阶段：（1）换流前，（2）晶闸管换流，（3）二极管换流，（4）正常运行。,2串联二极管式逆变器的工作原理,由于在换流期间引起电动机绕组中电流的迅速变化，在绕组漏感中产生感应电动势，叠加在原有电压上，所以在电流型逆变器输出
9、的近似正弦波的电压波形上，出现换流尖峰电压(毛刺)，其数值较大，在 选择晶闸管耐压时必须考虑。,(二)GTO电流型逆变电路,图由六只GTO组成三相电流型逆变器，每只GTO导通120，而且每隔60换流一次，导通次序为VT1、VT2、VT2、VT3、VT3、VT4，依此类推。图中没有反馈二极管，因此电感性负载电流不能通过它反 馈回电源，所以在电路中加了电容吸收电路，连接在电动机的三 相端子上。当GTO关断时，电感负载形成的反馈能量由电容吸收。,三、三点式(三电平)逆变电路,三点式(三电平)逆变电路示意图如图所示。当A相开关处于l、2、3三个不同开关位置时，相对电源中性点0的电位分别为1/2Ud、0
10、、 -1/2Ud，因此称为三点式或三电平逆变器。,图为三点式逆变电路，它是由六只主逆变管VT1VT6和六只副逆变管VT7VT12组成。各相在任何时刻输出电压为1/2Ud、0、-1/2Ud三种电压的一种。,采用三点式逆变器的优点有：主电路元器件的额定电压降低到1/2Ud。输出电压为阶梯波。由于对输出电压波形的改进，供给吸收电路的电压为1/2Ud，所以流人吸收电路的能量变小，即发热量也变小，电路可获小型化。主电路电流所含的低次谐波减小，因而电机的电磁干扰可减小。,脉宽调制技术简称 PWM，PWM控制技术就是控制半导体开关元件的导通和关断时间比，即调节脉冲宽度或周期来控制输出电压的一种控制技术。,一
11、、正弦波脉宽调制技术,正弦波脉宽调制分单极性和双极性脉宽调制，它使每一个输出矩形脉冲的面积与对应的正弦波电压的面积成正比，如图所示，获得等幅不等宽的正负脉冲列，这样逆变器输出电压波形就与正弦基波电压接近。,正弦基波电压峰值为UM，频率为fs。三角波电压峰值为UTM，频率为fT。,则幅值比,频率比,幅值比又称调制比，频率比又称载波比。,二、单极性正弦波脉宽调制,由图可知，正弦基波的频率就是逆变器输出电压的频率，而三角载波的频率受开关元件的开关频率限制。载波比N越大，逆变器输出电压越接近正弦波，谐波分量就越小。但N值越大，意味着载波频率fT越高，在一个工作周期元件的开关次数就越多，元件开关损耗相应
12、增大。,当幅值比改变时，常改变正弦调制电压的幅值，就会使各脉冲的宽度发生变化，特别是当正弦调制电压峰值接近于三角波峰值时，在三角波峰值附近的脉冲关断时间会很小，导致关断速度较慢的元件来不及关断，从而使相邻输出电压脉冲相连。,三、双极性正弦波脉宽调制,双极性正弦波脉宽调制主电路如图所示。由对称于横坐标的三角波与正弦波相交后进行比较，得到控制VT1VT4的驱动信号。控制VT1、VT4和VT2、VT3的信号在相位上互补，即在同一桥臂上的二个开 关元件轮流工作。,综上所述，得出如下几点：,1)为了使输出电压脉冲为奇函数，并在0内对称于/2，必须使载波比N为奇数。 2)在实际应用中，要兼顾开关元件的开关
13、频率和开关损耗。因为载波比N增大，在一个周期内开关元件的开关次数就必然增多，虽然输出电压谐波分量减小，但开关损耗增大，所以要选用开关损耗小的高性能的开关元件，如IGBT。 3)对上图所示的主电路，为防止上下桥臂上的开关元件同时导通而引起的短路，必然在控制电路上采取措施，保证臂子先关断后导通的换流次序。 4)SPWM属于PWM控制电压型逆变器，消除谐泣效果好，输出 电压波形接近正弦泣，脉动转矩小，电动机低速运行好，但SPWM 基波幅值较低，直流电源电压利用率低。,一、调速原理,交流电动机分同步电动机和异步电动机，异步电动机又可分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机，对于同步电动机，其转速为,式中p为电动机极对数； f为定子电源频率。,面对于笼型和绕线转子异步电动机，其转速为,式中s为转差率。,从上式可以看出，改变极对数p、转差率s和调节频率f都可以调速。对于同步电动机，运行中改变极对数p会引起失步；对于异步电动机，改变极对数p是有级调速，改变转差率s大部分是耗能调速，唯有改变频率调速是交流电动机较为理想的调速方法。,二、调速控制方式,常用的控制方式有保持U1f=常数的比例控制方式、矢量控制方式和转差频率控制方式。,三、交一交变频电路基本厚理,交一交变频就是把一种频率的交流电变换成另一种频率的交流电，这种变频器称为周波变流器，或称循环变频器。,
