变频器的电路结构.ppt

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1、第2章 变频器的电路结构及工作原理 变频器按控制方式可以分为：U/f控制变频器、转差率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩控制变频器。2.1 变频调速的基本原理及变频器结构 在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m 保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势合成产生，要保

2、持磁通恒定就需要费一些周折了。2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理 定子每相电动势定子每相电动势（2-1）式中：式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为效值，单位为V；定子频率，单位为定子频率，单位为Hz；定子每相绕组串联匝数；定子每相绕组串联匝数；基波绕组系数；基波绕组系数；每极气隙磁通量，单位为每极气隙磁通量，单位为Wb。f1N1kN1 m2.2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理 由式（由式（2-1）可知，只要控制好）可知，只要控制好 Eg 和和 f1，便可达到控制磁通便可达到控制磁通 m 的目的，对此

3、，需要的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。种情况。2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理（1）基频以下调速 由式（由式（2-1）可知，要保持）可知，要保持 m 不变，当频不变，当频率率 f1 从额定值从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降向下调节时，必须同时降低低 Eg，使，使 常值常值 （2-3）即采用恒值电动势频率比的控制方式采用恒值电动势频率比的控制方式。2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理 恒压频比的控制方式 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏

4、磁阻抗压降，而认为定子相电压 U1 Eg，则得（2-5）这是恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式。2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理 但是，在低频时但是，在低频时 U1 和和 Eg 都较小，定子阻都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压略。这时，需要人为地把电压 U1 抬高一些，抬高一些，以便以便近似地补偿定子压降近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为线，无补偿的控制特性则为a 线。线。2.1.1 变频器

5、的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理OUsf 1图2-30 恒压频比控制特性 带压降补偿的恒压频比控制特性带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理（2）基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压向上升高，但定子电压U1 却不可能超过却不可能超过额定电压额定电压U1N，最多只能保持，最多只能保持U1=U1N，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。当于直流电机弱磁升速的情况。把

6、基频以下和基频以上两种情况的控把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。制特性画在一起，如下图所示。2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理f1N 变压变频控制特性变压变频控制特性图2-31 异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上

7、属于“恒功率调速”。2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理U/f控制变频器的实现方式有两种1.整流变压、逆变变频方式2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理（3）U/f控制变频器的构成 U/f控制变频器的实现方式有两种2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理（3）U/f控制变频器的构成 2.逆变变压变频方式逆变变压变频方式2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理（4）U/f控制变频器的机械特性P15.图图2-3(a)(b)思考题：1.什么是U/f控制？2.为什么变频调速时还需要变压？2.1.2 变频器的基本构成 变变频频器器技技术术是是

8、强强弱弱电电混混合合、机机电电一一体体的的综综合合性性技技术术，既既要要处处理理巨巨大大电电能能的的转转换换（整整流流、逆逆变变），又又要要处处理理信信息息的的收收集集、变变换换和和传传输输，因因此此分分成成功功率率转转换换（主主电电路路）和弱电控制（控制电路）两大部分和弱电控制（控制电路）两大部分。主主电电路路要要解解决决与与强强电电大大电电流流有有关关的的技技术术问问题题和和新新型型电电力力电电子子器器件件的的应应用用技技术术问问题题；控控制制电电路路要要解解决决基基于于现现代代控控制制理理论论的的控控制制策策略略和和智智能能控控制制策策略略的的硬硬、软软件件开开发发问题，在目前状况下主要

9、全数字控制技术。问题，在目前状况下主要全数字控制技术。CVCFVVVF2.1.2 变频器的基本构成 变变频频器器技技术术是是强强弱弱电电混混合合、机机电电一一体体的的综综合合性性技技术术，既既要要处处理理巨巨大大电电能能的的转转换换（整整流流、逆逆变变），又又要要处处理理信信息息的的收收集集、变变换换和和传传输输，因因此此分分成成功功率率转转换换（主主电电路路）和弱电控制（控制电路）两大部分和弱电控制（控制电路）两大部分。主主电电路路要要解解决决与与强强电电大大电电流流有有关关的的技技术术问问题题和和新新型型电电力力电电子子器器件件的的应应用用技技术术问问题题；控控制制电电路路要要解解决决基基

10、于于现现代代控控制制理理论论的的控控制制策策略略和和智智能能控控制制策策略略的的硬硬、软软件件开开发发问题，在目前状况下主要全数字控制技术。问题，在目前状况下主要全数字控制技术。CVCFVVVF3.1.1 通用变频器的基本结构原理 通用变频器硬件结构通用变频器硬件结构（1）整流电路整流电路组组成成：VD1VD6。功功能能：将将工工频频交交流流电电整整流流为为脉脉动动直直流流电电。当当电电源源线线电电压压为为380V时时，整整流流器器件件的的最最大大反反向向电电压压一一般般为为1000V，最最大大整整流流电电流流为为通通用用变变频频器器额额定定电电流流的的2倍。倍。（2）滤波电路滤波电路组成：组

11、成：C1、C2、R1、R2。功能：将脉动直流电变为较平滑功能：将脉动直流电变为较平滑的直流电。原理：电容滤波原理、电阻分压原理。的直流电。原理：电容滤波原理、电阻分压原理。3逆变电路逆变电路组成：组成：VT1VT6、VD7VD12。功能：将直流电变为频率和电压可调的三相交流电。功能：将直流电变为频率和电压可调的三相交流电。4指示电路指示电路组成：组成：R4、HL。5制动单元制动单元组成：组成：VT7、R5功能：消耗电动机制动过程中的回馈能量，保护变频器。功能：消耗电动机制动过程中的回馈能量，保护变频器。制制动动单单元元工工作作原原理理：电电动动机机制制动动时时，回回馈馈电电流流通通过过VD7V

12、D12给给C1、C2充充电电。当当电电容容两两端端电电压压升升到到一一定定程程度度时时，计计算算机机控控制制VT7 导导通通，电电容容通通过过R5和和VT7放放电电，电电阻阻发热消耗能量，电容两端电压降低，电动机制动。发热消耗能量，电容两端电压降低，电动机制动。（1 1）不可控整流电路）不可控整流电路1.整流电路整流电路整流电路分为可控整流电路和不可控整流电路两种。整流电路分为可控整流电路和不可控整流电路两种。特点：特点：不可控整流电路简不可控整流电路简单，优点是输入电流和电单，优点是输入电流和电源电压基本可保持同相位，源电压基本可保持同相位，cos1。但是整流器的。但是整流器的输出端如果接电

13、容滤波，输出端如果接电容滤波，输入电流不是正弦波，有输入电流不是正弦波，有较大的畸变，所以功率较大的畸变，所以功率因数不为因数不为1。513V（2 2）可控整流电路）可控整流电路1.整流电路整流电路特点：特点：可控整流电路波形可控整流电路波形有较大的畸变，对电网产有较大的畸变，对电网产生干扰，功率因数比不可生干扰，功率因数比不可控整流低。控整流低。现在变频器通常采用现在变频器通常采用不可控整流。不可控整流。2 滤波电路滤波电路 在交在交-直直-交变压变频器中，按照中间直交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同或者说按储能环流环节直流电源性质的不同或者说按储能环节（滤波方式）不同，逆变

14、器可以分成节（滤波方式）不同，逆变器可以分成电压电压源型源型和和电流源型电流源型两类，两种类型的两类，两种类型的实际区别实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器在于直流环节采用怎样的滤波器。下图绘出。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。了电压源型和电流源型逆变器的示意图。两种类型逆变器结构两种类型逆变器结构LdIdCdUdUd+-a)电压源逆变器b)电流源逆变器 电压源型和电流源型逆变器示意图2 滤波电路滤波电路电压源型逆变器电压源型逆变器（Voltage Source Inverter -VSI），直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出

15、交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。2 滤波电路滤波电路电流源型逆变器电流源型逆变器（Current Source Inverter-CSI），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。2 滤波电路滤波电路 性能比较性能比较 两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下：（1）无功能量的缓冲）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，

16、使它不致影响到交流电网。2 滤波电路滤波电路 因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。（2）能量的回馈）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。2 滤波电路滤波电路 下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构成的交-直-交变压变频调速系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。2 滤波电路滤波电路图2-20-a 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCS

17、I 电动Te 逆变UCRa）电动运行 电动运行状态电动运行状态P2 滤波电路滤波电路 当电动运行时，UCR的控制角 ，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图a所示。2 滤波电路滤波电路图2-20-b 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆变1 发电Te整流UCRb）逆变运行逆变运行状态逆变运行状态P2 滤波电路滤波电路如果降低变压变频器的输出频率 1，或从机械上抬高电机转速 ，使 1 90，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud 立即反向，而电流 Id 方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图

18、b）。2 滤波电路滤波电路 与此相反，采用电压源型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。2 滤波电路滤波电路 必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。2 滤波电路滤波电路 （3）动动态态响响应应 正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的

19、动态响应就慢得多。（4）输输出出波波形形 电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波（见下表）。2 滤波电路滤波电路表2-1 两种逆变器输出波形比较2 滤波电路滤波电路 （4）应用场合）应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。采用电流源型逆变器的系统则相的场合。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快反，

20、不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求速起制动和可逆运行的要求。2 滤波电路滤波电路 从从整整体体结结构构（变变流流环环节节不不同同）上上看看，电电力力电电子子变变压压变变频频器器可可分分为为交交-直直-交交和和交交-交交两两大大类。类。（1）交）交-直直-交变压变频器交变压变频器 交交-直直-交变压变频器先将工频交流电源通交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。可控频率和电压的交流，如下图所示。3 逆变电路逆变电路 交-直-交变压变频器基本结构图2-21 交-直-交（间接）变

21、压变频器 变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流3 逆变电路逆变电路 由于这类变压变频器在恒频交流电源和由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个变频交流输出之间有一个“中间直流环节中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。，所以又称间接式的变压变频器。具体的整流和逆变电路种类很多，当前具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用应用最广的是由二极管组成不控整流器和最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）等）组成的脉宽调制（组成的脉宽调制（PWM）逆变器

22、）逆变器，简称，简称PWM变压变频器变压变频器，如下图所示。，如下图所示。3 逆变电路逆变电路 交-直-交PWM变压变频器基本结构图2-22 交-直-交PWM变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC50Hz调压调频调压调频C3 逆变电路逆变电路 PWM变变压压变变频频器器的的应应用用之之所所以以如如此此广广泛泛，是由于它具有如下的一系列优点：是由于它具有如下的一系列优点：（1）在在主主电电路路整整流流和和逆逆变变两两个个单单元元中中，只只有有逆逆变变单单元元可可控控，通通过过它它同同时时调调节节电电压压和和频频率率

23、，结结构构简简单单。采采用用全全控控型型的的功功率率开开关关器器件件，只只通通过过驱驱动动电电压压脉脉冲冲进进行行控控制制，电路也简单，效率高。电路也简单，效率高。3 逆变电路逆变电路 （2）输出电压波形虽是一系列的）输出电压波形虽是一系列的PWM波，波，但由于采用了恰当的但由于采用了恰当的PWM控制技术，控制技术，正弦正弦基波的比重较大基波的比重较大，影响电机运行的低次谐，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。高了系统的调速范围和稳态性能。3 逆变电路逆变电路 （3）逆逆变变器器同同时时实实现现调调压压和和调

24、调频频，动动态态响响应应不不受受中中间间直直流流环环节节滤滤波波器器参参数数的的影影响响，系统的动态性能也得以提高。系统的动态性能也得以提高。（4）采用）采用不可控的二极管整流器不可控的二极管整流器，电源，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。小的影响。3 逆变电路逆变电路 PWM变压变频器常用的功率开关器件变压变频器常用的功率开关器件有：有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代和替代GTO的电压控制器件如的电压控制器件如IGCT、IEGT等。等。受到开关器件额定电压和电流的限制，受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调

25、速仍只好对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（采用半控型的晶闸管（SCR），并用可控），并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交整流器调压和六拍逆变器调频的交-直直-交交变压变频器。变压变频器。3 逆变电路逆变电路 交交-直直-交变压变频器中的逆变器一般接交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源，下图为电源，下图为6个电力电子开关器件个电力电子开关器件VT1 VT6 组成的三相逆变器主电路，图中用开组成的三相逆变器主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。关符号代表任何一种电力电子开关器件。3 逆变电路逆

26、变电路 三相桥式逆变器主电路结构CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2UVWUd 2Ud 2RL图2-23 三相桥式逆变器主电路3 逆变电路逆变电路NN控制方式 控制各开关器件轮流导通和关断，可使控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。件导通，就实现了两个器件之间的换流。在三相桥式逆变器中，在三相桥式逆变器中，有有180导通型和导通型和120导通型两种换流方式导通型两种换流方式。3 逆变电路逆变电路（1）180导通型控制

27、方式导通型控制方式 同一桥臂上、下两管之间互相换流同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆的逆变器称作变器称作180导通型逆变器。导通型逆变器。例如，当例如，当VT1关断后，使关断后，使VT4导通，而当导通，而当VT4关断关断后，又使后，又使VT1导通。这时，每个开关器件在一个导通。这时，每个开关器件在一个周期内导通的区间是周期内导通的区间是180，其他各相亦均如此。，其他各相亦均如此。由于每隔由于每隔60有一个器件开关，在有一个器件开关，在180导通型逆导通型逆变器中，变器中，除换流期间外，每一时刻总有除换流期间外，每一时刻总有3个开关个开关器件同时导通器件同时导通。3 逆变电路逆变电路 但须注意

28、，必须防止同一桥臂的上、下两但须注意，必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通，否则将造成直流电源短路，管同时导通，否则将造成直流电源短路，谓之谓之“直通直通”。为此，在换流时，必须采。为此，在换流时，必须采取取“先断后通先断后通”的方法，即先给应关断的的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后留一定的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，叫做时间裕量，叫做“死区时间死区时间”，再给应导，再给应导通的器件发出开通信号。通的器件发出开通信号。3 逆变电路逆变电路 死区时间的长短视器件的开关速度而定，死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快时，所留的死区时间器件的开关速度

29、越快时，所留的死区时间可以越短。为了安全起见，设置死区时间可以越短。为了安全起见，设置死区时间是非常必要的，但它会造成输出电压波形是非常必要的，但它会造成输出电压波形的畸变。的畸变。3 逆变电路逆变电路pp 输出波形 tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUNiUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图2-24 2-24 电压型逆变电路的波形电压型逆变电路的波形（2）120导通型控制方式导通型控制方式 120导通型逆变器的导通型逆变器的换流是在不同桥换流是在不同桥臂中同一排左、右两管之间进行臂中同一排左、右两管之间进行的。的。例如，例如

30、，VT1关断后使关断后使VT3导通，导通，VT3关断后使关断后使VT5导通，导通，VT4关断后使关断后使VT6导通等等。这时，导通等等。这时，每个开关器件一次连续导通每个开关器件一次连续导通120，在同一时刻在同一时刻只有两个器件导通只有两个器件导通，如果负载电机绕组是，如果负载电机绕组是Y联联结，则只有两相导电，另一相悬空。结，则只有两相导电，另一相悬空。3 逆变电路逆变电路pp 电流型三相桥式逆变电路的输出波形电流型三相桥式逆变电路的输出波形 tOtOtOtOIdiViWuUViU3 逆变电路逆变电路（2）交-交变压变频器 交交-交变压变频器的基本结构如下图所交变压变频器的基本结构如下图所

31、示，它只有一个变换环节，把恒压恒频示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成）的交流电源直接变换成VVVF输出输出（转换前后的相数相同）（转换前后的相数相同），因此又称，因此又称直接式变压变频器。直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（变换器（Cycloconveter）。）。3 逆变电路逆变电路 交-交变压变频器的基本结构图图2-27 交交-交（直接）变压变频器交（直接）变压变频器交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF3 逆变电路逆变电路 常用的交常用的交-交变压变频器输出的每一相都交变压变频器输出的每一

32、相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路（下图逆调速系统的反并联可逆线路（下图a）。）。3 逆变电路逆变电路交-交变压变频器的基本电路结构VRVFId-Id+-+a)电路结构负负载载50Hz50Hzu0图2-28-a 交-交变压变频器每一相的可逆线路3 逆变电路逆变电路交-交变压变频器的控制方式整半周控制方式整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压上就获得交变的

33、输出电压 u0，u0 的幅值的幅值决定于各组可控整流装置的控制角决定于各组可控整流装置的控制角 ，u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如下图电压是方波，如下图 b 所示。所示。3 逆变电路逆变电路图2-28-b 方波型平均输出电压波形tu0正组通正组通反组通反组通正组通正组通反组通反组通输出电压波形输出电压波形3 逆变电路逆变电路 调制控制方式调制控制方式 要获得正弦波输出，就必须在每一组整流要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。装置导通期间

34、不断改变其控制角。例如例如：在正向组导通的半个周期中，使控制：在正向组导通的半个周期中，使控制角角 由由/2（对应于平均电压（对应于平均电压 u0=0）逐渐）逐渐减小到减小到 0（对应于（对应于 u0 最大），然后再逐渐最大），然后再逐渐增加到增加到 /2（u0 再变为再变为0），如下图所示。），如下图所示。3 逆变电路逆变电路2AO t=0 p 2=p BCDEFu0图2-29 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形输出电压波形3 逆变电路逆变电路 当当 角角按按正正弦弦规规律律变变化化时时，半半周周中中的的平平均均输输出出电电压压即即为为图图中中虚虚线线所所示示的的正正弦弦波波。对反向组

35、负半周的控制也是这样。对反向组负半周的控制也是这样。3 逆变电路逆变电路 三相交交变频电路 三相交交变频电路可以由三相交交变频电路可以由3个单相交交变个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。频电路组成，其基本结构如下图所示。如果每组可控整流装置都用桥式电路，含如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用个晶闸管，即使采用零式电路也须零式电路也须18个晶闸管。个晶闸管。三相交交变频器的基本结构 输出星形联结方式三相交交变频电路三相桥式交交变频电路 因此，这样的交因此，这样

36、的交-交变压变频器虽然在结交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。产品。3 逆变电路逆变电路 这类交这类交-交变频器的其他缺点是：输入交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，功率因数较低，

37、谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2，一，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。速箱。3 逆变电路逆变电路 近年来又出现了一种采用全控型开关近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于交变压变频器，类似于 PWM控制方式，输出电压

38、和输入电流的低控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有有0.866。目前这类变压变频器尚处于开发。目前这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。阶段，其发展前景是很好的。3 逆变电路逆变电路思考题：1.1.变频器由几部分组成，各部分都具有变频器由几部分组成，各部分都具有什么功能。什么功能。2.2.变频器种类很多，其中按滤波方式可变频器种类很多，其中按滤波方式可分为什么

39、类型。分为什么类型。根据变频器的变流环节的不同进行分类根据变频器的变流环节的不同进行分类 ：（1 1）交直交变频器）交直交变频器 交交直直交交变变频频器器是是先先将将频频率率固固定定的的交交流流电电“整整流流”成成直直流流电电，再再把把直直流流电电“逆逆变变”成成频频率率任任意意可可调调的的三三相相交交流流电电，又又称称间间接接式式变变频频器器。目目前前应用广泛的通用型变频器都是交直交变频器。应用广泛的通用型变频器都是交直交变频器。（2 2）交交变频器）交交变频器 交交交交变变频频器器就就是是把把频频率率固固定定的的交交流流电电直直接接转转换换成成频频率率任任意意可可调调的的交交流流电电，而而

40、且且转转换换前前后后的的相相数相同，又称直接式变频器或周波变频器。数相同，又称直接式变频器或周波变频器。2.2 变频器的分类与特点2.2 变频器的分类与特点根根据据直直流流电电路路的的储储能能环环节节（或或滤滤波波方方式式）分分类类频频器的变流环节的不同进行分类器的变流环节的不同进行分类 ：（1 1）电压型变频器）电压型变频器电电压压型型变变频频器器的的储储能能元元件件为为电电容容器器，其其特特点点是是中中间间直直流流环环节节的的储储能能元元件件采采用用大大电电容容，负负载载的的无无功功功功率率将将由由它它来来缓缓冲冲，直直流流电电压压比比较较平平稳稳，直直流流电电源源内内阻阻较较小小，相相当

41、当于于电电压压源源，故故称称电电压压型型变变频频器器，常选用于负载电压变化较大的场合。常选用于负载电压变化较大的场合。（2 2）电电流流型型变变频频器器电电流流型型变变频频器器的的储储能能元元件件为为电电感感线线圈圈，因因此此其其特特点点是是中中间间直直流流环环节节采采用用大大电电感感作作为为储储能能环环节节，缓缓冲冲无无功功功功率率，即即扼扼制制电电流流的的变变化化，使使电电压压接接近近正正弦弦波波，由由于于该该直直流流内内阻阻较较大大，故称电流型变频器。故称电流型变频器。2.2 变频器的分类与特点 根据电压的调制方式分类根据电压的调制方式分类 （1 1）正弦波脉宽调制（）正弦波脉宽调制（S

42、PWMSPWM）变频器）变频器正正弦弦波波脉脉宽宽调调制制变变频频器器是是指指输输出出电电压压的的大大小小是是通通过过调调节节脉脉冲冲占占空空比比来来实实现现的的，且且载载频频信信号号用用等等腰腰三三角角波波，而而基基准准信信号号采采用用正正弦弦波波。中中、小小容量的通用变频器几乎全都采用此类变频器。容量的通用变频器几乎全都采用此类变频器。（2 2）脉幅调制（）脉幅调制（PAMPAM）变频器）变频器脉脉幅幅调调制制变变频频器器是是指指将将变变压压与与变变频频分分开开完完成成，即即在在把把交交流流电电整整流流为为直直流流电电的的同同时时改改变变直直流流电电压压的的幅幅值值，而而后后将将直直流流电

43、电压压逆逆变变为为交交流流电电时时改改变交流电频率的变压变频控制方式。变交流电频率的变压变频控制方式。2.2 变频器的分类与特点根据控制方式分类根据控制方式分类 ：（1 1）U/FU/F控制控制（2 2）转差频率控制）转差频率控制（3 3）矢量控制）矢量控制（4 4）直接转矩控制）直接转矩控制2.2 变频器的分类与特点根据输入电源的相数分类根据输入电源的相数分类 （1 1）三进三出变频器）三进三出变频器变变频频器器的的输输入入侧侧和和输输出出侧侧都都是是三三相相交交流流电电。绝绝大多数变频器都属此类。大多数变频器都属此类。（2 2）单进三出变频器）单进三出变频器变变频频器器的的输输入入侧侧为为

44、单单相相交交流流电电，输输出出侧侧是是三三相相交交流流电电，俗俗称称“单单相相变变频频器器”。该该类类变变频频器器通通常常容容量量较较小小，且且适适合合在在单单相相电电源源情情况况下下使使用用，如家用电器里的变频器均属此类。如家用电器里的变频器均属此类。2.2 变频器的分类与特点根据负载转矩特性分类根据负载转矩特性分类 （1 1）P P型机变频器型机变频器适用于变转矩负载的变频器。适用于变转矩负载的变频器。（2 2）G G型机变频器型机变频器适用于恒转矩负载的变频器。适用于恒转矩负载的变频器。（3 3）P/GP/G合一型变频器合一型变频器同同一一种种机机型型既既可可以以使使用用变变转转矩矩负负

45、载载，又又可可以以适适用用于于恒恒转转矩矩负负载载；同同时时在在变变转转矩矩方方式式下下，其其标标称功率大一档。称功率大一档。2.2 变频器的分类与特点根据应用场合分类根据应用场合分类 （1 1）通用变频器）通用变频器通通用用变变频频器器的的特特点点是是其其通通用用性性，可可应应用用在在标标准准异异步步电电机机传传动动、工工业业生生产产及及民民用用、建建筑筑等等各各个个领领域域。通通用用变变频频器器的的控控制制方方式式，已已经经从从最最简简单单的的恒恒压压频频比比控控制制方方式式向向高高性性能的矢量控制、直接转矩控制等发展。能的矢量控制、直接转矩控制等发展。（2 2）专用变频器）专用变频器专专

46、用用变变频频器器的的特特点点是是其其行行业业专专用用性性，它它针针对对不不同同的的行行业业特特点点集集成成了了可可编编程程控控制制器器以以及及很很多多硬硬件件外外设设，可可以以在在不不增增加加外外部部板板件件的的基基础础上上直直接接应应用用于于行行业业中中。比比如如，恒恒压压供供水水专专用用变变频频器器就就能能处处理理供供水水中中变变频频与与工工频频切切换换、一一拖拖多控制等。多控制等。思考题：1.什么是交-直-交类型变频器，根据滤波环节其分成几种类型？2.什么是单相变频器？2.3 正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)技术技术1.SPWM调制原理调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，

47、以以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（的正弦波作为调制波（Modulation wave），），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。系列等幅不等宽的矩形波。图2-38 PWM调制原理 按照波形面积相等的原则，每一个

48、矩形按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简，简称称SPWM），这种序列的矩形波称作），这种序列的矩形波称作SPWM波。波。2.SPWM控制方式如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的的SPWM波也只处于一个

49、极性的范围内，波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。叫做单极性控制方式。如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则正负极性之间连续变化，则SPWM波也是波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。在正负之间变化，叫做双极性控制方式。（1）单极性）单极性PWM控制方式控制方式（2）双极性）双极性PWM控制方式控制方式3.SPWM波形的实现波形的实现模拟电子电路模拟电子电路 采用正弦波发生器、三角波发生器采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的和比较器来实现上述的SPWM控制。控制。数字控制电路数字控制电路硬件电路；硬件电

50、路；软件实现。软件实现。模拟电子电路模拟电子电路 数字控制电路（软件实现方法）数字控制电路（软件实现方法）自然采样法自然采样法只是把同样的方法数字只是把同样的方法数字化，化，自然采样法的运算比较复杂；自然采样法的运算比较复杂；规则采样法规则采样法在工程上更实用的简化在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。种规则采样法。（1）自然采样法原理）自然采样法原理 将三相正弦将三相正弦波与三角波比波与三角波比较，在波形相较，在波形相交点自然地确交点自然地确定脉冲的采样定脉冲的采样点和开关点。点和开关点。即采样点和开即采样点和开关点重合。关点重