变频器的基本结构和工作原理

1第三章变频器的基本结构和工作原理§3.1概述§3.2交-直-交变频器§3.3SPWM控制技术§3.4交-交变频器2§3.1概述1、变频器是一种典型的采用了变频技术的电动机驱动控制用电气设备2、变频器电路由主电路和控制电路组成，其中主电路采用各种电力电子电路构成3、所谓电力电子电路是指利用电力电子器件对工业电能进行变换和控制的大功率电子电路。由于电力电子电路主要用来处理高电压大电流的电能，为了减少电路对电能的损耗，电力电子器件通常工作于开关状态，因此电力电子电路实质上是一种大功率开关电路4、电力电子电路是变频技术的具体实现，包括整流电路（AC-DC转换电路）、斩波电路（DC-DC转换电路）、逆变电路（DC-AC转换电路）、交-交变频电路（AC-AC转换电路3§3.2交-直-交变频器一、概述1、交-直-交变频器是现在最常使用的变频器，按直流环节的储能方式分为电压型变频器、电流型变频器，按输出电压的调制方式分为PWM控制方式、PAM控制方式，目前广泛采用PWM方式变频器2、交-直-交变频器电路结构如图，其中主电路包括整流电路、中间电路、逆变电路4二、整流电路1、概述整流电路（RectifyingCircuit）是一种将交流电能转换为直流电能的电路2、分类（1）按组成器件及控制能力：（a）不可控整流电路：整流器件由不可控功率二极管组成，其直流整流电压和交流电源电压值之比固定不变（b）半控整流电路：整流器件由可控开关器件和二极管混合组成，负载电源极性不能改变，但电压平均值可以调节（c）全控整流电路：所有整流器件采用可控开关器件（SCR、GTR、GTO、IGBT等），其输出直流电压平均值及极性可以通过控制元件的导通状况调节，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源§3.2交-直-交变频器52、分类（2）按交流电源相数：单相整流、三相整流（3）按电路结构：（a）零式电路：指带零点或中性点的电路，又称半波电路（b）桥式电路：是由两个半波电路串联而成，又称全波电路（4）按控制方式：（a）相控式电路：通过控制开关器件触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式（b）斩波式电路：利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值，称为斩波控制方式§3.2交-直-交变频器二、整流电路63、不可控整流电路（1）单相桥式整流电路（a）结构：4个二极管按桥式方式连接（b）工作原理过程：0～π区间：A点电位高于B点电位，VD1、VD4承受正向压降导通，VD2、VD3承受反向压降而截止，电流id流通路径如图之①所示，电流从A+→VD1→R→VD4→B－，由于VD1、VD4导通时管压降很小，可忽略不计，故可以看做电源电压全部施加于负载电阻R上，即输出电压ud=uAB=u2§3.2交-直-交变频器二、整流电路VD1VD2VD3VD4ABUdU2R①②idL1L2~220V73、不可控整流电路（1）单相桥式整流电路（b）工作原理过程：π～2π区间：B点电位高于A点电位，VD2、VD3承受正向压降导通，VD1、VD4承受反向压降而截止，电流id流通路径如图之②所示，电流从B+→VD2→R→VD3→A－，由于VD2、VD3导通时管压降很小，可忽略不计，故可以看做电源电压全部施加于负载电阻R上，即输出电压ud=uBA=-u2§3.2交-直-交变频器二、整流电路VD1VD2VD3VD4ABUdU2R①②idL1L2~220V83、不可控整流电路（2）三相桥式整流电路（a）概述常用于三相交流电源供电的电力电子设备如变频器等可将三相交流电压转换成直流电压（b）结构包括6个整流二极管VD1、VD3、VD5阴极连在一起，称共阴极组；VD2、VD4、VD6阳极连在一起，称共阳极组该三相变压器接法可消除高次谐波§3.2交-直-交变频器二、整流电路93、不可控整流电路（2）三相桥式整流电路（c）电压波形§3.2交-直-交变频器二、整流电路103、不可控整流电路（2）三相桥式整流电路（d）工作原理三相对称交流电源接入U、V、W后，在同一时刻共阴极组阳极电位最高的那个二极管优先导通，共阳极组阴极电位最低的那个二极管优先导通，且只有以上两个二极管同时导通构成回路，其余4个二极管承受反向电压而截止若把三相交流电压一个周期6等分，每份所占相位角为60°，在任意一个60°相位角内始终有共阴极组和共阳极组各一个二极管同时处于导通状态，且任意一个二极管导通角都是120°同一相上下桥臂的共阴极组和共阳极组二极管不能同时导通在三相交流电压自然换相点（即任意两相电压波形交叉点）同组二极管之间换相导通（流过某VD的电流迅速转移到其它VD流通，此过程称为换相或换流）§3.2交-直-交变频器二、整流电路113、不可控整流电路（2）三相桥式整流电路（e）工作过程0~t1期间：uWuUuV,W点电位最高，V点电位最低，VD5、VD6优先导通，电流从W→VD5→R→VD6→V，忽略二极管正向压降，负载电阻R上电压ud=uWV，VD5导通后使VD1、VD3阴极电位为uW而承受反向电压截止。同理VD6导通使VD4、VD2截止§3.2交-直-交变频器二、整流电路123、不可控整流电路（2）三相桥式整流电路（e）工作过程t1~t2期间：刚过t1，则uUuWuV,U点电位最高，V点电位最低，VD5与VD1换相，VD5截止，VD1导通，VD6仍旧导通，即该期间VD1、VD6导通，其余截止，电流从U→VD1→R→VD6→V，负载电阻R上电压ud=uUV§3.2交-直-交变频器二、整流电路133、不可控整流电路（1）三相桥式整流电路（e）工作过程t2~t3期间：刚过t2，则uUuVuW,U点电位最高，W点电位最低，VD6与VD2换相，VD6截止，VD2导通，VD1仍旧导通，即该期间VD1、VD2导通，其余截止，电流从U→VD1→R→VD2→W，负载电阻R上电压ud=uUW§3.2交-直-交变频器二、整流电路143、不可控整流电路（1）三相桥式整流电路（e）工作过程依此类推：可得如图电压波形，负载电阻端电压等于变压器二次绕组线电压的包络值。VD导通状态顺序：（VD5、VD6）→（VD1、VD6）→（VD1、VD2）→（VD3、VD2）→（VD3、VD4）→（VD5、VD4）→（VD5、VD6），共阴极组VD1、VD3、VD5在t1、t3、t5每间隔120°换相导通，共阳极组VD2、VD4、VD6在t2、t4、t6每间隔120°换相导通6管按顺序VD1VD2VD3VD4VD5VD6每间隔60°导通120°相位角§3.2交-直-交变频器二、整流电路154、可控整流电路（1）单相半波可控整流电路（a）概述可控整流电路通常采用晶闸管作为整流器件，利用晶闸管的可控单向导电性，通过改变其控制角产生大小可调的输出直流电压，是相控式整流电路（b）结构VT：晶闸管R：电阻性负载电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同§3.2交-直-交变频器二、整流电路164、可控整流电路（1）单相半波可控整流电路（c）工作原理过程0~t1期间：u2上正下负，VT承受正向电压，G极无触发信号，VT截止，负载电压ud=0t1~π期间：u2上正下负，t1时刻触发VT导通，负载电压ud=u2t=π时刻：u2=0，VT过零关断截止π~2π期间：u2上负下正，VT承受反向电压处于截止状态§3.2交-直-交变频器二、整流电路174、可控整流电路（1）单相半波可控整流电路（d）相关术语触发角（控制角）α从晶闸管开始承受正向电压起到施加触发脉冲止的电角度导通角θ晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度移相改变控制角大小的过程移相范围使输出电压从零到最大值所对应的控制角变化范围α：0~π，θ：π~0，α+θ=π§3.2交-直-交变频器二、整流电路184、可控整流电路（1）单相桥式半控整流电路（a）结构VT1、VT3：晶闸管，其G极连接在一起，触发信号ug同时送到两个G极VD2、VD4：二极管R：电阻性负载移相范围：α：0~π§3.2交-直-交变频器二、整流电路t1t2t3t4194、可控整流电路（1）单相桥式半控整流电路（b）工作原理过程0~t1期间：u2上正下负，无触发信号ug，VT1截止，VD4不导通t1~t2期间：u2上正下负，t1时刻产生触发信号ug，VT1导通，VT3承受反向电压截止，VD4随后导通，电流从a+→VT1→R→VD4→b－T2时刻：U2电压为0，VT1过零关断截止§3.2交-直-交变频器二、整流电路t1t2t3t4204、可控整流电路（1）单相桥式半控整流电路（b）工作原理过程t2~t3期间：u2上负下正，无触发信号ug，VT3截止，VD2不导通t3~t4期间：u2上负下正，t3时刻产生触发信号ug，VT3导通，VT1承受反向电压截止，VD2随后导通，电流从b+→VT3→R→VD2→a－T4时刻：U2电压为0，VT3过零关断截止§3.2交-直-交变频器二、整流电路t1t2t3t4214、可控整流电路（2）三相桥式全控整流电路（a）结构包括6个晶闸管VT1、VT3、VT5阴极连在一起，称共阴极组；VT2、VT4、VT6阳极连在一起，称共阳极组R：电阻性负载§3.2交-直-交变频器二、整流电路ud1ud2224、可控整流电路（2）三相桥式全控整流电路（b）工作原理过程三相交流电压自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角α的起点，即α=0°移相范围：α：0°~120°当α≤60时，id波形与ud波形形状一样均连续当α60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值当α=120时，ud为0其余过程类似三相桥式不可控整流电路§3.2交-直-交变频器二、整流电路ud1ud2234、可控整流电路（2）三相桥式全控整流电路（b）工作原理过程当α=0°时，ud为线电压在正半周的包络线§3.2交-直-交变频器二、整流电路244、可控整流电路（2）三相桥式全控整流电路（b）工作原理过程当α=30°时，晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30，ud平均值降低§3.2交-直-交变频器二、整流电路254、可控整流电路（2）三相桥式全控整流电路（b）工作原理过程当α=60°时，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。ud出现了零点§3.2交-直-交变频器二、整流电路264、可控整流电路（2）三相桥式全控整流电路（b）工作原理过程当60时，因为id与ud一致，一旦ud降为至零，id也降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，ud波形不能出现负值§3.2交-直-交变频器二、整流电路α=90°274、可控整流电路（2）三相桥式全控整流电路（c）工作特点每个时刻均需共阴极组和共阳极组各1个晶闸管同时导通，形成供电回路，且不能为同一相器件。器件换相在本组进行晶闸管导通状态顺序：（VT1、VT6）→（VT1、VT2）→（VT3、VT2）→（VT3、VT4）→（VT5、VT4）→（VT5、VT6）Ud为线电压的一部分，一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路§3.2交-直-交变频器二、整流电路284、可控整流电路（2）三相桥式全控整流电路（c）对触发脉冲要求晶闸管触发导通顺序：VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，相位依次差60，每个晶闸管导通角均为120共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT2、VT4、VT6也依次差120同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180要使电路正常工作，需保证应同时导通的2个晶闸管均有脉冲，常用的方法有两种：单宽脉冲：使脉冲宽度大于60（可取80~100）小于120双窄脉冲：触发一个晶闸管时向前一晶闸管补发脉冲，常用§3.2交-直-交变频器二、整流电路29三、