变频器的基本结构和工作原理课件

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3.3 SPWM控制技术3.4 交-交变频器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

2、路（DC-AC转换电路）、交-交变频电路（AC-AC转换电路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、逆变电路二、整流电路1、概述 整流电路（Rectifying Circuit）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

3、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2、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

4、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3、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流通路径如图之所示，电流从A+VD1RVD4B，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=u23.2交-直-交变频器 二、整流电路L1L2220V3、不可控

5、整流电路（1）单相桥式整流电路（b）工作原理过程： 2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流通路径如图之所示，电流从B+VD2RVD3A，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=-u23.2交-直-交变频器 二、整流电路L1L2220V3、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、

6、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3、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3、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

7、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3、不可控整流电路（2）三相桥式整流电路（e）工作过程0t1期间：uWuUuV,W点电位最高，V点电位最低，VD5、VD6优先导通，电流从WVD5RVD6 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3、不可控整流电路（2）三相桥式

8、整流电路（e）工作过程t1t2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UVD1RVD6 V，负载电阻R上电压ud=uUV3.2交-直-交变频器 二、整流电路3、不可控整流电路（1）三相桥式整流电路（e）工作过程t2t3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UVD1RVD2 W，负载电阻R上电压ud=uUW3.2交-直-交变频器 二、整流电路3、不可

9、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VD1VD2 VD3 VD4VD5 VD6每间隔60导通120相位角3.2交-直-交变频器 二、整流电路4、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

10、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4、可控整流电路（1）单相半波可控整流电路（c）工作原理过程0t1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=0t1期间：u2上正下负， t1时刻触发VT导通，负载电压ud=u2t=时刻：u2=0，VT过零关断截止2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4、可控整流电路（1）单相半波可控整流电

11、路（d）相关术语触发角（控制角）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 ：0 ， ： 0，+ = 3.2交-直-交变频器 二、整流电路4、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： ：0 3.2交-直-交变频器 二、整流电路t1t2t3t44、可控整流电路（1）单相桥式半控整流电路（b）工作原理过程0t1期间：u2上正下负，无触发信号ug ，V

12、T1截止，VD4不导通t1t2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+VT1RVD4bT2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t1t2t3t44、可控整流电路（1）单相桥式半控整流电路（b）工作原理过程t2t3期间：u2上负下正，无触发信号ug ，VT3截止，VD2不导通t3t4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+VT3RVD2aT4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t1t2

13、t3t44、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ud1ud24、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的起点，即=0移相范围： ：0 120当 60时，id波形与ud波形形状一样均连续当 60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值当=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

14、 二、整流电路ud1ud24、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=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4、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=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4、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， 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4、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

15、，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=904、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4、可控整流电路（2）三相桥式全控整流电路

16、（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80100）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、整流电路三、斩波电路1、概述（1）又称直流-直流变换电路。是将直流电变换为另

17、一固定电压或可调电压的直流电。（2）可用于直流开关稳压电源、直流电动机调速控制等2、分类（1）按功能 分为：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路（2）按调压控制方式（a）脉冲宽度调制（PWM）：控制脉冲周期不变，改变脉冲宽度调压。常用。故斩波控制也称为脉宽调制（b）脉冲频率调制（PFM）：控制脉冲宽度不变，改变脉冲周期调压。3.2交-直-交变频器3、斩波电路基本工作原理（1）S为理想开关，当S在ton期间闭合时，输出电压uo=E（2）当S在toff期间断开时，输出电压uo=0（3）当S交替通断，在负载上就可得到直流脉冲方波电压（4）负

18、载电压的平均值为：式中，T为开关周期T=ton+toff，称为占空比（5）改变占空比调压（a）T不变，变ton：脉冲宽度调制（b）ton不变，变T：脉冲频率调制3.2交-直-交变频器 三、斩波电路3、降压斩波电路（1）电路结构VT可用晶闸管或全控型自关断器件VD为续流二极管，L电感E直流电源，RL负载（2）工作原理过程（a）VT基极加控制脉冲Ub，通过控制VT通断调节输出电压（b）当Ub为高电平，VT导通，E产生的电流经VT、L、RL，流过L电流突然增加时， L产生左正右负电动势阻碍电流I增加同时储存能量，I缓慢增大3.2交-直-交变频器 三、斩波电路3、降压斩波电路（2）工作原理过程（c）当

19、Ub为低电平，VT关断，流过L的电流突然减小，L马上产生左负右正的电动势阻碍I的变化，该电动势产生电流途径：L右正RLVDL左负，使L释放能量，该电流逐渐减小（d）U0电压平均值：又称降压比，且1，则U0 E3.2交-直-交变频器 三、斩波电路3、降压斩波电路（2）工作原理过程（e）当采用PWM控制方式，脉冲周期不变宽度变窄，VT导通时间ton变短， U0下降（f）当采用PFM控制方式，脉冲宽度不变周期T变长，单位时间内VT导通时间相对变短，U0下降3.2交-直-交变频器 三、斩波电路3、升压斩波电路（1）电路结构如图：（2）工作原理过程（a） VT基极加控制脉冲Ub，通过控制VT通断调节输出

20、电压（b）当Ub为高电平，VT导通，E产生的电流经L、 VT，流过L电流突然增加时， L产生左正右负电动势阻碍电流I增加同时储存能量（c）当Ub为低电平，VT关断，流过L的电流突然减小，L马上产生左负右正的电动势与E 叠加，通过VD向电容C充得上正下负电压U0（d） Ub为高电平时间越长，流过L电流时间越长，储能越多，VT关断时产生的电动势越高，对C充电电压越高， U0越大 3.2交-直-交变频器 三、斩波电路3、升压斩波电路（2）工作原理过程（e） U0电压平均值：T/toff称为升压比，且T/toff1，则U0 E（f）同理当采用PWM或PFM控制方式，可调整输出电压大小3.2交-直-交变

21、频器 三、斩波电路4、升降压斩波电路（1）电路结构如图：（2）工作原理过程（a）VT基极加控制脉冲Ub，通过控制VT通断调节输出电压（b）当Ub为高电平，VT导通，E产生的电流经VT、L，流过L电流突然增加时， L产生上正下负电动势阻碍电流I增加同时储存能量（c）当Ub为低电平，VT关断，流过L的电流突然减小，L马上产生上负下正的电动势经VD对电容C充得上负下正电压UO，同时也有电流流过负载RL（d） Ub为高电平时间越长，流过L电流时间越长，储能越多，VT关断时产生的上负下正电动势越高，对C充电电压越高， U0越大 3.2交-直-交变频器 三、斩波电路4、升降压斩波电路（2）工作原理过程（e

22、）U0电压平均值：由若ton/toff1，则U0 E，电路为升压斩波电路由若ton/toff1，则U0 uc时器件导通产生脉冲，当ur uc时器件导通产生脉冲，当ur uc时器件关断无输出脉冲在正弦调制波负半周：当ur uc时器件关断无输出脉冲3.3SPWM控制技术 二、PWM技术4、SPWM波形生成方法（2）调制法（d）双极性调制定义：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SPWM波也是在正负极性之间变化。相应的SPWM波称为双极性SPWM波如图在调制波ur一个周期内输出的SPWM波只有Ud两种电平3.3SPWM控制技术 二、PWM技术4、SPWM波形生成方法（2）调制法

23、（d）双极性调制工作过程：在ur和uc交点时刻控制电路中开关器件通断从而得到双极性SPWM波在正弦调制波整个周期：当ur uc时器件导通产生正脉冲，当ur uc时，控制VT4导通，输出电压uo=Ud当uruc时，控制VT4关断，负载电流i0通过VT1和VD3续流，输出电压uo=03.3SPWM控制技术 三、PWM逆变电路2、单相桥式PWM逆变电路（2）工作原理（a）单极性调制方式在ur的负半周VT2保持导通，VT1、VT4截止，VT3交替通断当uruc时，控制VT3关断，负载电流i0通过VT2和VD4续流，输出电压uo=0控制调制波ur幅值和频率，就能控制电路输出电压的幅值和频率3.3SPWM

24、控制技术 三、PWM逆变电路2、单相桥式PWM逆变电路（2）工作原理（b）双极性调制方式在ur一个周期内当uruc时，VT1和VT4加导通信号，VT2和VT3关断，如io0，则VT1和VT4导通，如io0，则VD1和VD4导通续流，不管哪种情况都是uo=Ud3.3SPWM控制技术 三、PWM逆变电路2、单相桥式PWM逆变电路（2）工作原理（b）双极性调制方式在ur一个周期内当uruc时，VT2和VT3加导通信号，VT1和VT4关断，如io0，则VD2和VD3导通续流，不管哪种情况都是uo=-Ud控制调制波ur幅值和频率，就能控制电路输出电压的幅值和频率3.3SPWM控制技术 三、PWM逆变电路

25、调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2R L3、三相桥式PWM逆变电路（1）电路结构VT1VT4：全控型开关器件， VD1VD4：续流二极管RL：阻感性负载3.3SPWM控制技术 三、PWM逆变电路电路只能选用双极性调制。三相的PWM控制公用三角载波uc，三相的调制信号urU、urV和urW依次相差1203、三相桥式PWM逆变电路（2）工作原理U、V、W三相开关器件的控制规律相同，现以U相为例说明（a）当urUuc时，给VT1导通信号，给VT4关断信号，uUN=Ud/2（b）当urUUA，触发VT2导通后使VT1承受反压而自动关断3.4 交-交变频