变频器电路结构

1、 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。 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

2、控制原理控制原理mN11g44. 41kNfE （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，需要的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和

3、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 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 1gfE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 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

4、控制方式恒压频比的控制方式。常值11fU2.1.1 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，定子都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压忽略。这时，需要人为地把电压 U1 抬高一抬高一些，以便些，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 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理OUsf 1图2-

5、30 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 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。

6、2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理f1N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

7、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2.1.1 变频器的恒变频器的恒U/f控制原理控制原理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P15.图图2-3(a)(b)什么是U/f控制？为什么变频调速时还需要变压？ 变频器技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，变频器技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此分息的收集、变换和传输，因此分成功率转换（主电路）成功率转换（主电路）和弱电控制（控制电路）两

8、大部分和弱电控制（控制电路）两大部分。 主电路要解决与强电大电流有关的技术问题和新型主电路要解决与强电大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题；控制电路要解决基于现电力电子器件的应用技术问题；控制电路要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬、软件开发代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬、软件开发问题，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。CVCFVVVF 变频器技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，变频器技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理

9、信息的收集、变换和传输，因此分息的收集、变换和传输，因此分成功率转换（主电路）成功率转换（主电路）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。 主电路要解决与强电大电流有关的技术问题和新型主电路要解决与强电大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题；控制电路要解决基于现电力电子器件的应用技术问题；控制电路要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬、软件开发代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬、软件开发问题，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。CVCFVVVF 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成：

10、组成：VD1VD6。功能：将工频交流电整流为脉动直流。功能：将工频交流电整流为脉动直流电。电。当电源线电压为当电源线电压为380V380V时，整流器件的最大反向电压一时，整流器件的最大反向电压一般为般为1000V1000V，最大整流电流为通用变频器额定电流的，最大整流电流为通用变频器额定电流的2 2倍。倍。 （2）滤波电路滤波电路组成：组成：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

11、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。制动单元工作原理：电动机制动时，回馈电流通过制动单元工作原理：电动机制动时，回馈电流通过VD7VD12给给C1、C2充电。当电容两端电压升到一定程度充电。当电容两端电压升到一定程度时，计算机控制时，计算机控制VT7 导通，电容通过导通，电容通过R5和和VT7放电，电阻放电，电阻发热消耗能量，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

12、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。ldUUU35. 134. 22dU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cos35.

13、 1cos34. 22ldUUU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。dU2 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

14、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。逆变器逆变器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

15、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 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，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

16、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+-UdIdLdCSI 电动Te 逆变UCRa）电动运行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

17、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

18、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）动态响应）动态响应 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动态响应就慢得多。 （4）输出波形）输出波形 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

19、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，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 从整体结构（从整体结构（变流环节不同）变流环节不同）上看，电力上看，电力电子变压变频器可分为交电子变压变频器可分

20、为交-直直-交和交交和交-交两交两大类。大类。 （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。成可控频率和电压的交流，如下图所示。3 逆变电路逆变电路图2-21 交-直-交（间接）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)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

21、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）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DCAC

22、AC50Hz调压调频调压调频C3 逆变电路逆变电路 PWM变压变频器的应用之所以如此广变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：泛，是由于它具有如下的一系列优点： （1）在主电路整流和逆变两个单元中，）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控只有逆变单元可控，通过它同时调节电压，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，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

23、，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，正正弦基波的比重较大弦基波的比重较大，影响电机运行的低次，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，谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。提高了系统的调速范围和稳态性能。3 逆变电路逆变电路 （3）逆变器同时实现调压和调频逆变器同时实现调压和调频，动态，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，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

24、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变压变频器常用的功率开关器件有：器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替和替代代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

25、-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 逆变电路逆变电路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

26、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 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

27、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，必须防止同一桥臂的上、下但须注意，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，两管同时导通，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，必须采取。为此，在换流时，必须采取“先断后通先断后通”的方法，即先给应关断的器件的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时

28、间发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，叫做裕量，叫做“死区时间死区时间”，再给应导通的器，再给应导通的器件发出开通信号。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，所留的死而定，器件的开关速度越快时，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，但它会造成输出电区时间是非常必要的，但它会造成输出电压波形的畸变。压波形的畸变。3 逆变电路逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUNiUiduVNuWNuNNUd

29、Ud2Ud3Ud62 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 120导通型逆变器的导通型逆变器的换流是在不换流是在不同桥臂中同一排左、右两管之间进行同桥臂中同一排左、右两管之间进行的。的。 例如，例如，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

30、变电路逆变电路tOtOtOtOIdiViWuUViU3 逆变电路逆变电路 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AC

31、50HzACCVCFVVVF3 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交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。置反并联的可逆线路。 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，在负正、反两组

32、按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压载上就获得交变的输出电压 u0 ， u0 的幅的幅值决定于各组可控整流装置的控制角值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，则输出平换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如下图均电压是方波，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，就必须在每一组整要获得正

33、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。流装置导通期间不断改变其控制角。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 2 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 角按正弦规律变化时，半周中的平角按正弦规律变化时，半周中的平均输

34、出电压即为图中虚线所示的正弦波。均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。对反向组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 三相交交变频电路可以由三相交交变频电路可以由3个单相交交个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。变频电路组成，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，如果每组可控整流装置都用桥式电路，含含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采个晶闸管，即使采用零式电路也须用零式电路也须18个晶闸管。个晶闸管。三相桥式交交变频电路 因此，这样的交因此，

35、这样的交- -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，频谱复功率因数

36、较低，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。杂，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其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥一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，供回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。的齿轮减速箱。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，

37、输出电压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，但当输可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有压比只有0.866。目前这类变压变频器尚处。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。于开发阶段，其发展前景是很好的。 3 逆变电路逆变电路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。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类型。分为什么

38、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 交直交变频器是先将频率固定的交流电交直交变频器是先将频率固定的交流电“整流整流”成直流电，再把直流电成直流电，再把直流电“逆变逆变”成频率任意可成频率任意可调的三相交流电，又称间接式变频器。目前应调的三相交流电，又称间接式变频器。目前应用广泛的通用型变频器都是交直交变频器。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 交交变频器就是把频率固定的交流电直接转换交交变频器就是把频率固定的交流电直接转换成频率任意可调的交流电，而且转换前后的相成频率任意可调的交

39、流电，而且转换前后的相数相同，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。 根据直流电路的储能环节（或滤波方式）分类频根据直流电路的储能环节（或滤波方式）分类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）电压型变频器电压型变频器的储能元件为电容器，其特点是中电压型变频器的储能元件为电容器，其特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，源内阻较小，相当于电压源，故

40、称电压型变频器，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）电流型变频器电流型变频器的储能元件为）电流型变频器电流型变频器的储能元件为电感线圈，因此其特点是中间直流环节采用大电电感线圈，因此其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流型变频器。故称电流型变频器。 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（SPWMSPWM）变频器）变频器正弦波脉宽调制变频

41、器是指输出电压的大小是正弦波脉宽调制变频器是指输出电压的大小是通过调节脉冲占空比来实现的，且载频信号用通过调节脉冲占空比来实现的，且载频信号用等腰三角波，而基准信号采用正弦波。中、小等腰三角波，而基准信号采用正弦波。中、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）变频器脉幅调制变频器是指将变压与变频分开完成，脉幅调制变频器是指将变压与变频分开完成，即在把交流电整流为直流电的同时改变直流电即在把交流电整流为直流电的同时改变直流电压的幅值，而后将直流电压逆变为交流电时改压的幅值，而后将直流电压逆变为交流电

42、时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。 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）三进三出变频器变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电。绝变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电。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）单进三出变频器变频器的输入侧为单相交流电，输出侧是三相变频器的输入侧为单相交流电，输出侧是三相交流电，俗称交流电，俗称“单相变

43、频器单相变频器”。该类变频器通。该类变频器通常容量较小，且适合在单相电源情况下使用，常容量较小，且适合在单相电源情况下使用，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。 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一种机型既可以使用变转矩负载，又可以适同一种机型既可以使用变转矩负载，又可以适用于恒转矩负载；同时在变转矩方式下，其标用于恒转矩负载；同时在变转矩方

44、式下，其标称功率大一档。称功率大一档。根据应用场合分类根据应用场合分类 （1 1）通用变频器）通用变频器通用变频器的特点是其通用性，可应用在标准异步电机通用变频器的特点是其通用性，可应用在标准异步电机传动、工业生产及民用、建筑等各个领域。通用变频器传动、工业生产及民用、建筑等各个领域。通用变频器的控制方式，已经从最简单的恒压频比控制方式向高性的控制方式，已经从最简单的恒压频比控制方式向高性能的矢量控制、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）专用变频器专用变频器的特点是其行业专用性，它针对不同的行业专用变频器的特点是其行业专用性，它针对不同的行业特点集成了可

45、编程控制器以及很多硬件外设，可以在不特点集成了可编程控制器以及很多硬件外设，可以在不增加外部板件的基础上直接应用于行业中。比如，恒压增加外部板件的基础上直接应用于行业中。比如，恒压供水专用变频器就能处理供水中变频与工频切换、一拖供水专用变频器就能处理供水中变频与工频切换、一拖多控制等。多控制等。什么是交-直-交类型变频器，根据滤波环节其分成几种类型？什么是单相变频器？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，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以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（波（Carrier wave），并用频率和期望波相

46、），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们），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，从的交点确定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而获得在正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。中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。图6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud图2-38 PWM调制原理 按照波形面积相等的原则，每一个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，

47、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。 如果在正弦调制波的半个周期内，三角载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，所波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的得到的SPWM波也只处于一个极性的范围波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。内，叫做单极性控制方式。如果在正弦调制波半个周期内，三角载波如果在正弦

48、调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则在正负极性之间连续变化，则SPWM波也波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。图6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud（1）单极性）单极性PWM控制方式控制方式图6-6urucuOtOtuouofuoUd- Ud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；硬件电路； 软件实现。软件实现。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，

49、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。 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。关点重合。对称规则采样l优点：优点：1 1、基波幅值与调制度、基波幅值与调制度MM成正比，利于调压；成正比，利于调压；2 2、高次谐波随着载波比、高次谐波随着载波比N N与调制度与调制度MM的增的增大而减小，有利于波

50、形正弦化。大而减小，有利于波形正弦化。l缺点：缺点：1 1、实时控制时难以计算脉冲宽度；、实时控制时难以计算脉冲宽度；2 2、离线计算，利用查表法输出、离线计算，利用查表法输出PWMPWM波，波，占有内存过大，不符合微机等采样周期的占有内存过大，不符合微机等采样周期的控制要求。控制要求。 在载波三角波的固定点对正弦波进行采在载波三角波的固定点对正弦波进行采样，以确定脉冲的前沿和后沿时刻，而并样，以确定脉冲的前沿和后沿时刻，而并不管此时是否发生正弦调制波与载波三角不管此时是否发生正弦调制波与载波三角波相交。也就是说采样点和开关点不重合，波相交。也就是说采样点和开关点不重合，采样点是固定的，开关点

51、是变化的。开关采样点是固定的，开关点是变化的。开关的转换时刻可以利用简单的三角函数在线的转换时刻可以利用简单的三角函数在线地计算出来，满足了微机全数字控制的需地计算出来，满足了微机全数字控制的需要。要。对称规则采样不对称规则采样平均对称规则采样对称规则采样对称规则采样中生对称规则采样中生成的成的PWMPWM脉宽较实脉宽较实际的正弦波与三角际的正弦波与三角波自然相交的脉宽波自然相交的脉宽偏小，使变频电源偏小，使变频电源的输出电压较低。的输出电压较低。不对称规则采样不规则采样中，虽不规则采样中，虽能更真实地反映自能更真实地反映自然采样，但由于在然采样，但由于在一个载波周期中需一个载波周期中需要采样

52、两次，极大要采样两次，极大地增加了数据的处地增加了数据的处理量。理量。平均对称规则采样在实际采样中我们采在实际采样中我们采用的是平均对称规则用的是平均对称规则采样。采样时刻设在采样。采样时刻设在三角载波的谷底处，三角载波的谷底处，以此刻的正弦波数值以此刻的正弦波数值为中心，确定为中心，确定PWMPWM脉冲的前后沿。脉冲的前后沿。图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB 22三角波两个三角波两个正峰值之间正峰值之间为一个采样为一个采样周期周期Tc图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB 22自然采样法自然采样法中，脉冲中中，脉冲中点不和三角点不和三角波一周期的波一周期

53、的中点（即负中点（即负峰点）重合峰点）重合图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB 22规则采样法规则采样法使两者重合，使两者重合，每个脉冲的每个脉冲的中点都以相中点都以相应的三角波应的三角波中点为对称，中点为对称，使计算大为使计算大为简化简化图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB 22在三角波的负峰在三角波的负峰时刻时刻t tDD对正弦信对正弦信号波采样得号波采样得DD点，点，过过 DD作水平直线作水平直线和三角波分别交和三角波分别交于于A A、B B点，在点，在A A点时刻点时刻 t tA A和和B B点点时刻时刻 t tB B控制开控制开关器件的通断关器件的

54、通断图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB 22脉冲宽度脉冲宽度 和用自然采和用自然采样法得到的样法得到的脉冲宽度非脉冲宽度非常接近常接近图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB 22正弦调制信号波正弦调制信号波式中，式中，M M 称为调称为调制度，制度，0 0 M M 11； r r为信号为信号波角频率。波角频率。tMurrsin 图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB 22从图中可得从图中可得因此可得因此可得2/22/sin1cDrTtM)sin1 (2DrctMT)sin1 (421DrcctMTT 根据上述采样原理和计算公式，可以根据上述采

55、样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生用计算机实时控制产生SPWM波形，具波形，具体实现方法有：体实现方法有：查表法查表法可以先离线计算出相应的脉可以先离线计算出相应的脉宽宽 等数据存放在内存中，然后在调速等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。运算求出各相脉宽时间和间隙时间。实时计算法实时计算法事先在内存中存放正弦函事先在内存中存放正弦函数和数和T Tc c /2/2值，控制时先查出正弦值，与调值，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度速系统所需的调制度MM作乘法运算，再根作乘法运算，再根据给定

56、的载波频率查出相应的据给定的载波频率查出相应的T Tc c /2/2值，由值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。计算公式计算脉宽时间和间隙时间。 由于由于PWM变压变频器的应用非常广泛，变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，应用较多的有信号的发生器，应用较多的有HEF4752、SLE4520、SA8281、SA8282、SA4828等。等。后来更进一步把它做在微机芯片里面，生后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带产出多种带PWM信号输出口的电机控制信号输出口的电机控制用的用的8位、位、16位微机芯片和位微机芯片和DS

57、P。 数字控制电路（硬件电路实现方法）数字控制电路（硬件电路实现方法）载波比载波比载波频率载波频率 fc与调制信号频率与调制信号频率 fr 之比之比N，既既 N = fc / fr 根据载波和信号波是否同步及载波比根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，的变化情况，PWM调制方式分为调制方式分为异步调异步调制制和和同步调制同步调制。 异步调制异步调制载波信号和调制信号不载波信号和调制信号不同步的调制方式。同步的调制方式。通常保持通常保持 fc 固定不变，当固定不变，当 fr 变化时，载变化时，载波比波比 N 是变化的；是变化的；在信号波的半周期内，在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个波的脉

58、冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的周期的脉冲也不对称；脉冲也不对称；当当 fr 较低时，较低时，N 较大，一周期内脉冲数较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；小；当当 fr 增高时，增高时，N 减小，一周期内的脉冲减小，一周期内的脉冲数减少，数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变脉冲不对称的影响就变大。大。 同步调制同步调制N 等于常数，并在变频时使等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。载波和信号波保持同步。基本同步调制方式，基本同步调

59、制方式，fr 变化时变化时N不变，信号不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；波一周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为为3的整数倍，使三相输出对称；的整数倍，使三相输出对称；为使一相的为使一相的PWM波正负半周镜像对称，波正负半周镜像对称，N应取奇数；应取奇数；fr 很低时，很低时，fc 也很低，由调制带来的谐也很低，由调制带来的谐波不易滤除；波不易滤除；fr 很高时，很高时，fc 会过高，使开关器件难以会过高，使开关器件难以承受。承受。ucurUurVurWuuUNuVNOtttt000uWN2Ud2Ud把把 fr 范围划分成若干个频

60、段，每个频段范围划分成若干个频段，每个频段内保持内保持N恒定，不同频段恒定，不同频段N不同；不同；在在 fr 高的频段采用较低的高的频段采用较低的N，使载波频率，使载波频率不致过高；不致过高；在在 fr 低的频段采用较高的低的频段采用较高的N，使载波频率，使载波频率不致过低；不致过低；00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr /Hzfc /kHz 可在低频输出时采用异步调制方式，高可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效