变频器技术及应用课程教学设计第三章变频电路

1、、教学目标第三章 变频电路1、了解两类变频电路的工作原理及单相输出交直交变频电路和单相输出交交变频电路各自的优、缺点。2、认识电压源型桥式变频电路的原理和特点和电流源型桥式变频电路的原理和特点。3、掌握方波型交交变频电路的工作原理与正弦波型交交变频电路的工作原理。4、熟悉脉宽调制变频电路的工作原理与控制方式、单相PWM!三相PW度频电路中各晶体管的控制规律、三相SPWM6集成电路的工作原理、中频电路感应加热电源的组成与工作原理及变频器的工作原理及结构。二、课时分配本章共 6 节，安排 7 课时。三、教学重点通过本项目的学习， 让学生学习变频电路的基本工作原理、 三相桥式变频电路，初步认识并掌握

2、脉宽调制(PWM型变频电路和变频电路工作原理及特征。四、教学难点1、变频电路的基本工作原理。2、脉宽调制(PWM型变频电路。3、变频电路的应用五、教学内容任务一变频电路的基本工作原理阶段一单相输出交直交变频电路图(a)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VTl、VT4称为正组，VT2、VT3称为反组。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 (b) 所示。单相输出交一直一交变频电路（a）电路 （b）输出电压阶段二单相输出交一交变频电路单相输出交一交变频电路电路原理如图（a）所示。如果在一

3、个周期内控制角a是固定不变的，则输出电压波形为矩形波，如图（b）所示。正继反里灿A 4 而 $ -旅植-j比不|k租酒（bl图为单相输出交一交变频电路及波形图（控制角不变）（a）电路；（b）输出电压矩形波中含有大量的谐波，对电机的工作不利。如果控制角a不固定，在正 组工作的半个周期内让控制角a按正弦规律从 90°逐渐减小到0° ,然后再由逐 渐增加到90°。仁均出电图为交一交变频电路的输出波形 (控制角变化)阶段三 两种变频电路的特点比较同交一直一交变频电路相比，交一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，

4、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，交一交变频电路主要用于 500kW臧1 000kW以上，转速 在600r/min以下的大功率、低转速的交流调速装置中。任务二三相桥式变频电路阶段一电压源型桥式变频电路电压源型桥式变频电路结构如图所示。该电路用 6个大功率三极管(GTR)作 为可控元件，VT1与VT4, VT3与VT6 VT5与VT2构成3对桥臂，二极管 VD1 VD6为续流二极管。图为电压源型三相

5、桥式变频电路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°。在一个周期内，6个管子触发导通的次序为 VTlVT6,依次相隔60° , 任意时刻均有3 个管子同时导通，导通的组合顺序为VT1VT2VT、3 VT2VT3VT、4VT3VT4VT5 VT4VT5VT6 VT5VT6VT评口 VT6VT1VT2,每种组合工作于 60° 电角 度状态下。分析各相负载相电压和线电压波形。 设负载为星形连接， 三相负载对称， 中 性点为No如图列出了电压源型三相桥式

6、变频电路的工作波形。图为电压源型三相桥式变频电路的工作波形为了分析方便，将一个工作周期分成 6个区域。在0 V cot < Tt 3区域，给电力三极管VT1、VT2、VT3加控制脉冲，即ug1 >0, ug2 >0, ug3 >0,使VT1、VT2、VT3同时导通，止匕时 AB两点通过导通的 VT1、VT3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所示图为VT1、VT2、VT3同时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UAB=0UBC=+UDUCA=-UD式中UD变频电路输入的直流电压。负载的相电压为UAN

7、=+UD3UBN=+UD3UCN=-2UD3在cot=Tt3时，控制关断VT1,控制导通VT4,即在九3Vt02九3区域， 有VT2、VT3 VT4同时导通，此时A、C两点通过导通的VT2、VT4,相当于同时 接在电源的负极，而B点通过导通的VT3接于电源的正极，所以该时区变频桥的 等效电路如图所示。图为VT2、VT& VT4同时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UAB=-UDUBC=+UDUCA=0负载的相电压为UAN=-UD3UBN=+2UD3UCN=-UD3根据同样的思路可得其余4个时域的相电压和线电压的值，如图所示。从图可以看出，负载线电压为120。正、负对称的

8、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。每个开关元件的导通宽度 也为180° 。阶段二电流源型三相桥式变频电路图为电流源型三相桥式变频电路原理图。变频桥采用IGBT即绝缘栅双极型晶体管作为可控开关元件ICvt,党m 5Zvd? 5? vp,h产一5? VDj 如以 宜 i%Hfcvu -ltvTa l£vr;T*' 图为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VT1VT6,依次相隔60°

9、,每个桥臂导通120°。VTf, iVT| M I II *号通加件分析各相负载电流的波形。设负载为星型连接，三相负载对称，中性点为N, 图列出了电流源型三相桥式变频电路的输出电流波形。NT 界 Fi%TmrT5VI)IvTiknjvriiVTiSvtaTiirrVTjivr4图为电流源型变频电路的工作波形为了分析方便，将一个工作周期分为 6个区域，每个区域的电角度为九3。在0Vt 0冗3区域，已经控制导通开关元件 VT1、VT6,此时电源电流通 过VT1、Za、Zb、VT6构成闭合回路。负载上分别有电流ia、ib流过，由于电路 的直流侧串入了大电感LD,使负载电流波形基本无脉动。在

10、九3Vt02九3区域，此时导通的开关元件为VT1、VT2电源电流通过VT1、Za、Zc、VT2构成闭合回路。用同样的思路可以分析出2冗32冗时负载电流的波形，如图所示。电流源型三相桥式变频电路的输出电流波形与负载性质无关， 输出电压波形由负载的性质决定。 如果是感性负载， 则负载电压的波形超前电流的变化， 近似 成三角波或正弦波。阶段三 两种变频电路的特点1. 电压源型变频电路的主要特点(1) 直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗状态。(2) 由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关， 而交流侧电流波形因负载阻抗角的不同而不同， 其波

11、形接近三角波或正弦 波。(3) 当交流侧为电感性负载时，需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。(4) 变频电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。(5) 当变频电路的负载是电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，则必须向交流电源反馈能量。2. 电流源型变频电路的主要特点(1) 直流侧接有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗状态。(2) 由于各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形因负载阻抗角的不同而不同。(3) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因

12、电流不能反向，故可控器件不必反并联二极管。(4) 当变频电路的负载为电动机时， 若变频电路中的交直变换是可控整流，则可很方便地实现再生制动，不需另加一套变频桥。任务三 交交变频电路阶段一波波型交一交变频电路1.单相负载波波形交一交变频电路单相负载的电路原理如图所示,具体分析参见本章任 务1。2.三相负载三相方波型交一交变频电路的主电路如图所示。它的每一相由两组反并联的三相零式整流电路组成，这种连接方式又称为公共交流母线进线方式。 整流器I、田、V为正组；IV、VI、II为反组。每个正组由1、3、5晶闸管组成，每个反组图为三相方波型交一交变频电路由4、6、2品闸管组成。因此，变频电路中的换流应分

13、成组与组之间换流和组内 换流两种情况。组与组之间的换流顺序为I、H、m、IV、V、VI、I;组内换流的顺序为 1、2、3、4、5、6、1。为了在负载上获得三相互差 T3（T为输出电压的周期）的 电压波形，任何时候都应有一正一负两组同时导通，所以每组导电时间也应为 T3,并每隔T6换组一次。虽然同一时刻应有一个正组和一个反组同时导通，但 不允许同一桥臂上的正、反组同时导通（如I组和IV同时导通），否则将会造成电 源短路。每组桥内晶闸管按1、2、3、4、5、6、1顺序换流，各组及组内导电次 序如图所示。图为变频电路各组的导电次序在电路中用接滤波电感，就形成了电流源型变频电路。三相零式整流电路需18

14、个品闸管元件，若采用三相桥式接法，则需要 36个晶闸管元件。图画出了三相零式连接的交一交变频电路当控制角为a时晶闸管导通的次 序及负载电流的波形。图为交一交变频电路导通次序及电流波形以A相负载的波形为例来分析说明负载电流的波形。由如图所示电路可知， 在每一个120。的时间内，都实现了组内16品闸管之间的换流，即电源电流 正好变换一周。在3个120°的时间内，电源电流变换3周，所以电源频率是负 载电流频率的3倍，即系统输出频率为电源频率的13,实现了变频。上述电路中，由于输出电压为方波，其中含有较多谐波，对负载不利。因此， 为了克服这一缺点，可采用正弦型交一交变频电路，使输出电压的平均

15、值按正弦 规律变化。阶段二正弦波型交一交变频电路1 .输出正弦波的调节方法在如图所示的交一交变频电路中，其输出电压在半个周期中的平均值取决于 变频电路的控制角a。如果在半个周期中控制角a是固定不变的， 则输出电压在 半个周期中的平均值是一个固定值。如果在半个周期中使导通组变频电路的控制 角a按如图所示变化，由九2（A点）逐渐减小到0（G点），然后再逐渐由0增加到 九2,即a角在九2>a >0之间来回变化（分别为B、C、D E、F各点），那么变 频电路在半个周期中输出电压的平均值从 0变到最大再减小到0,就可获得按正 弦规律变化的平均电压。2 .两组变频电路的工作状态为了分析交一交变

16、频电路的工作状态，可把变频电路视为一个理想交流电源 与一个理想二极管相串联，并构成反并联电路，轮流向负载供电，如图a）所示。 分析时略去输出电压、电流中的谐波。系统采用无环流工作方式，即一组变频电 路工作时，另一组被封锁。图为交一交变频电路（a）电路；（b）电压与电流的波形通常，负载是感性的，负载电压与电流的波形如图（b）所示。功率因数角为 小时，两组变频电路的工作状态是：在负载电流的正半周（t1t3）,由于整流器 的单向导电性，正组变频电路有电流流过，反组变频电路被阻断。图为正组桥输出电压波形（a）整流状态；（b）逆变状态；（c）控制角连续变化时的输出电压波形变频电路在感性负载下工作时，正组

17、桥和反组桥均存在着整流和逆变两种工 作状态，当控制角处于0& a 0冗2时，整流电压上部面积大于下部面积，平均 电压为正，正组变频电路工作于整流状态；当冗 2& a 0九时，整流电压上部面 积小于下部面积，平均电压为负，正组变频电路工作于逆变状态。调节控制角a的深度，使a角由冗2到a >0°的某一值再回到九2连续变化， 可方便地调节输出电压幅值。只要调节图中每组整流电路的控制角a由九 2到a > 0°的某一值再回到冗2连续变化，负载上就可获得三相正弦电压波形。任务四脉宽调制（PWM型变频电路阶段一脉宽调制变频电路概述1 .脉宽调制变频电路的基本工

18、作原理图为单相桥式变频电路的主电路，由三相桥式整流电路获得一恒定的直流电 压，由4个全控型大功率三极管 VT1VT4作为开关元件，二极管 VD1VD4 是续流二极管，为无功能量反馈到直流电源提供通路。图为单相桥式PW度频电路2 .脉宽调制的控制方式PWME制方式就是对变频电路开关器件的通断进行控制，使主电路输出端得 到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其他所需 要的波形。阶段二单相PW喳频电路输出为单相电压时的电路称为单相 PWME频电路。该电路的原理图如图所示。 该图中载波信号uc在信号波的正半周时为正极性的三角波，在负半周时为负极 性的三角波，调制信号ur和载波u

19、c的交点时刻控制变频电路中大功率三极管 VT3 VT4的通断。各晶体管的控制规律如下：在ur的正半周期，保持 VT1导通，VT4交替通断。当ur>uc时，使VT4导 通，负载电压uo=UD当urWuc时，使VT4关断，由于电感负载中电流不能突 变，因此负载电流将通过 VD3续流，负载电压uo=0。图为单极性PWMfe制方式原理图单相桥式变频电路采用双极性控制方式时的 PWMfc形如图所示。各晶体管控 制规律如下：在ur的正负半周内，对各晶体管控制规律与单极性控制方式相同，同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。当 ur>uc时，使三极管VT1、VT4导通，V

20、T2、VT3关断，此时uo=+UD当ur<uc时，使晶体 管VT2、VT3导通，VT1、VT4关断，止匕时uo=-UQ图为双极性PWM6制方式原理图阶段三三相桥式PWK频电路图为出了电压型三相桥式 PW膜频电路，其控制方式为双极性方式。A、B、C三相的PW棉制共用一个三角波信号uc,三相调制信号urA、urB、urC分别为 三相正弦波信号，三相调制信号的幅值和频率均相等，相位依次相差120°。A B、C三相的PWM6制规律相同。由图可以看出，任何时刻始终都有两相调制信 号电压大于载波信号电压，即总有两个三极管处于导通状态，所以负载上的电压 是连续的正弦波。其余两相的控制规律与

21、A相相同。图为三相双极形 PW眼形阶段四 专用大规模集成电路芯片形成 SPW跛HEF472呢全数字化生成的三相SPWMfe的集成电路。这种芯片既可以用于 有换流电路的三相晶闸管变频电路，也可用于由全控型开关器件构成的变频电路。 较适于以GTRlE GTOfe开关器件的变频电路，而不适于IGBT变频电路。HEF472睬用标准的28脚双列直插式封装，芯片用 5V（有的10V）电源，可 提供三组相位互差120°的互补输出SPW棉制脉冲，以供驱动变频电路的 6个 功率开关器件产生对称的三相输出。1 .PW般频电路的输出时钟变频电路输出由 4 个时钟输入来进行控制。(1) 频率控制时钟 (FC

22、T) 。频率控制时钟用于它用来控制变频电路的输出频率， 一般用线性压控振荡器提供，计算方法为fFCT=3 360 X fOUT式中fOUT变频电路输出频率，单位为 Hz。(2) 电压控制时钟 (VCT)。电压控制时钟用于控制变频电路输出的基波电压， 即脉冲宽度， 计算方法为fVCT(NOM)=6 720X fOUT式中fVCT(NOM-fVCT的标称值，当取为此值时，输出电压和输出频率问将保持线性关系，直到输出频率达到临界值fOUT(M),单位为Hz;fOUT(M)100%S制时的输出频率，当fOUT<fOUT(M中寸，经调制后的PWM 波形有正弦函数关系。(3) 参考时钟(RCT)。参

23、考时钟用于设置变频电路最大开关频率， 是一个固定不变的时钟， 计算方 法为fRCT=280X fTMAX式中fTMAX变频电路最大开关频率，单位为 Hz。FO计数VCTO* n讨利器轴出口行一pORMI jj-p (jiu'i fI22於 DY M2<>O¥Ll 1yl Q OTC2RST计域土用 1J 1516 256C-6-,eI讣段爆uin'W楠加II-fjpJlMI 七。心1£ c OIM-I <)01X2L3PA H C RqYM1那帙流弹加。国1H相(L)相主拴豚淖CJEiMI是日开鎏质率控制e *与H+神眼CT 相序地持LM第

24、M网的押划，懒出推理时冲QC ，一一硼(A) Nil：曲脓潮”艮川t>RM2国性I揍流咏仲ORC，'UR。粮率按利时忡FCT 复位糟竹制A 岫宣&t(Q正直流电需COW.1 H相横就冲VAM顿拟将mF均电上, L鼻停音J易利卷1&舞1弟即停朴1 里EYNE和同步信号HEF(J Y M1472S,、“，、到箝柑上拽伸品<> 1 M-J1>OVCI_人、&相摭摊靴冲1工上甘汁圣陶率指示YCT电懵控制时神工割1试电路阻信号N15H图为HEF4725内部逻辑框图与管脚图 (a)HEF4725内部逻辑框图；(b)HEF472管脚排列图(4)输出推迟

25、时钟(OCT)。为防止同一桥臂中的上、下开关元件在开关转换过程中同时导通而发生电源短路事故，必须设置延迟时间(死区时间)。2 .PW般频电路的优点：(1)可以得到接近正弦波的输出电压，满足负载需要。(2)整流电路采用二极管整流，可获得较高的功率因数。(3)只用一级可控功率的环节，电路结构简单。(4)通过对输出脉冲的宽度控制就可以改变输出电压的大小，极大加快了变 频电路的动态响应速度。任务五变频电路的应用阶段一中频感应加热电源1 .中频感应加热电源的组成处于交变磁场中的导体会产生感应电动势， 进而形成涡流引起导体材料发热。中频感应加热电源的主电路有若干种， 但大部分用的是并联逆变中频电源， 具原

26、理如图所示1 冲 厂T藐H II 1招工刁户图为中频感应加热电源主电路原理图直流电源由工频交流电源经三相相控整流后得到。在直流侧用有大电感Ld,从而构成电流型逆变电路。单相逆变电桥由4个快速品闸管桥臂构成，电感器 L1L4用来限制品闸管 导通时的didt 。VT1、VT4和VT2、VT3以中频(5005 000Hz)轮流导通，就可在 负载上得到中频交流电。2 .工作原理因为并联谐振式逆变电路属电流型， 故其交流波形接近矩形波，其中包含基 波和各奇次谐波。因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载电路对基波呈现高 阻抗，而对谐波呈现低阻抗，谐波在负载电路上几乎不产生压降， 因此负载电压 波形接近正弦

27、波。图为该逆变电路的工作波形。在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶 段和两个换相阶段。t1t2之间为晶闸管VT1和VT4稳定导通阶段，负载电流io=Id ,近似为包值，t2时刻之前在电容C两端，即负载两端建立了左正右负的电压。负载电压接近正弦波图为并联谐振式逆变电路的工作波形改变直流电压Ud就可以调节输出功率PO的大小，所以直流电源一般采用三 相相控整流电路。调节三相相控整流电路的控制角就可以达到调节输出功率的目 的。阶段二变频器变频器是将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电的电器设备，用于驱动交流异步(同步)电动机进行变频调速。1 .变频调速原理交流电动机分为同步电动机和异步电动机，

28、 异步电动机又分为笼型异步电动 机和绕线转子异步电动机。对于同步电动机，具转速为n=60fp (3-1)式中p电动机的极对数；f电动机的定子电源频率。而对于异步电动机，具转速为n=60f(1-s)p(32)式中s电动机的转差率。对于任何具有铁磁结构的电气设备，只有使它的磁通保持为额定值，才能使 铁磁材料得到充分利用，对于异步电动机，有关系式为U- E=4.44fNKM (33)式中U-一定子相电压；E定子电动势；f定子电源频率；N定子每相绕组的匝数；KV绕组系数；一一异步电动机的每极气隙磁通。用于交流电动机变频调速的变频器实际上都是变压变频器。2.变频器的主电路结构及工作原理变频器的主电路分为

29、交一交变频和交一直一交变频两大类型，下面以应用较多的交一直一交变频主电路为例加以说明。变频器的主电路是指从整流到逆变的整个功率电路，如图所示。图为变频器的主电路工频电源由R S T端输入，从U、V、W端逆变输出，各部分的结构和工作 原理说明如下：(1)整流及滤波电路。图中VD卜VD6为6只整流二极管，将三相工频交流电全波整流为直流电；C1、C2为滤波电容，将整流后的直流电进行滤波；R2、R3为均压电阻，使两只电容上的电压相等；开关S和电阻R1在电路刚通电时起保护作用(2) 逆变电路。VD入VD12为6只续流二极管。续流二极管的功能如下：由于电动机是一种感性负载，工作时其无功电流返回直流电源需要

30、 VD7- VD1现供通路。降速时电动机处于再生制动状态，VD入VD12为再生电流提供返回直流的 通路。逆变时VD卜VD6快速高频率地交替切换，同一桥臂的两管交替工作在导通和截止状态， 在切换的过程中， 也需要给电路的分布电感提供释放能量的通路。(3) 制动电阻和制动单元。有时变频器停止了输出， 会使电动机继续转动， 此时电动机变为发电机向变频器回馈能量，回馈电流通过VD入VD12这6只续流二极管给电容C1、C2充电， 这时电容上的电压在工频整流电压的基础上上升。技能训练三GTR单相并联逆变器的研究1. 实训目的(1) 熟悉单相并联逆变器电路的组成及工作原理，了解电路各元件的作用。(2) 掌握单相并联逆变器电路的调试方法。(3) 能够熟练观测逆变器主电路和控制电路的有关波形。2. 实训设备与器件实训设备与器件有GTRII相并联逆变电路板、GTR开关、导线、电力电子 技术实训装置、万用电表、双踪示波器、频率计等。3. 实训步骤与要求(1)GTR 的管脚判断与检测。GTR的管脚判断。一般电力晶体管均采用NPN结构。将万用表置于RX