变频器基本结构和工作原理

变频器基本结构和工作原理变频器基本结构和工作原理变频器基本结构和工作原理变频器基本结构和工作原理变频器基本结构和工作原理变频器基本结1§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§3.1概述§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§3.2交-直-交变频器二、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-交变频器二、整流电路§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2、分类§3.2交-直-交变频器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～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L1L2~220V3、不可控整流电路§3.2交-直-交变频器3、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L1L2~220V3、不可控整流电路§3.2交-直-交变频器3、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3、不可控整流电路§3.2交-直-交变频器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§3.2交-直-交变频器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°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§3.2交-直-交变频器3、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：uW>uU>uV,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3、不可控整流电路§3.2交-直-交变频器3、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uU>uW>uV,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3、不可控整流电路§3.2交-直-交变频器3、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uU>uV>uW,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3、不可控整流电路§3.2交-直-交变频器3、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3、不可控整流电路§3.2交-直-交变频器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§3.2交-直-交变频器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=0t1~π期间：u2上正下负，t1时刻触发VT导通，负载电压ud=u2t=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4、可控整流电路§3.2交-直-交变频器4、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4、可控整流电路§3.2交-直-交变频器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：α

：0~π§3.2交-直-交变频器二、整流电路t1t2t3t44、可控整流电路§3.2交-直-交变频器4、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t1t2t3t44、可控整流电路§3.2交-直-交变频器4、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t1t2t3t44、可控整流电路§3.2交-直-交变频器4、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§3.2交-直-交变频器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α

>60

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ud1ud24、可控整流电路§3.2交-直-交变频器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4、可控整流电路§3.2交-直-交变频器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4、可控整流电路§3.2交-直-交变频器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4、可控整流电路§3.2交-直-交变频器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，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°4、可控整流电路§3.2交-直-交变频器4、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§3.2交-直-交变频器4、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4、可控整流电路§3.2交-直-交变频器三、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-交变频器三、斩波电路§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）负载电压的平均值为：式中，T为开关周期T=ton+toff，α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、斩波电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器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§3.2交-直-交变频器3、降压斩波电路（2）工作原理过程（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阻碍I的变化，该电动势产生电流途径：L右正→RL→VD→L左负，使L释放能量，该电流逐渐减小（d）U0电压平均值：α又称降压比，且α＜1，则U0＜E§3.2交-直-交变频器三、斩波电路3、降压斩波电路§3.2交-直-交变频器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、降压斩波电路§3.2交-直-交变频器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§3.2交-直-交变频器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/toff＞1，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-交变频器三、斩波电路3、升压斩波电路§3.2交-直-交变频器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§3.2交-直-交变频器4、升降压斩波电路（2）工作原理过程（e）U0电压平均值：由若ton/toff>1，则U0

>E，电路为升压斩波电路由若ton/toff<1，则U0

<E，电路为降压压斩波电路（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-交变频器三、斩波电路4、升降压斩波电路§3.2交-直-交变频器四、逆变电路1、概述又称直流-交流变换电路，是将直流电转换成交流电的电路，与整流电路功能相反2、分类（1）按交流输出相数单相逆变电路、三相逆变电路（2）按交流输出电平数量两电平逆变电路、三电平逆变电路、多电平逆变电路（3）按直流电源性质电压型逆变电路、电流型逆变电路（4）按开关器件类型半控型器件（晶闸管）逆变电路、全控型器件逆变电路§3.2交-直-交变频器四、逆变电路§3.2交-直-交变频器2、分类（5）按电路结构半桥式、全桥式、推挽式（6）按换相（换流）方式电网换相式、负载换相式、强迫换相式、器件换相式（自换相式）（7）按开关器件工作方式

180°导通型、120°导通型（8）按输出波形特点正弦波式、非正弦波式（9）按逆变后交流电能使用方式有源逆变电路：输出交流侧接电网

无源逆变电路：输出交流侧接负载，变频器采用§3.2交-直-交变频器四、逆变电路2、分类§3.2交-直-交变频器3、逆变电路基本工作原理（1）原理性单相桥式逆变电路（a）S1~S4是桥式电路的4个桥臂，看成是4个理想开关，实际由电力电子器件及辅助电路组成（b）S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正（c）S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负，从而把直流电变成了交流电（d）改变两组开关切换频率f，可改变输出交流电频率（e）电阻负载时负载电流io和uo的波形和相位相同（f）阻感负载时io相位滞后于uo，波形也不同§3.2交-直-交变频器四、逆变电路3、逆变电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器3、逆变电路基本工作原理（2）换相方式（a）换相（换流）

电流从一个支路向另一个支路转移的过程（b）类型电网换相、负载换相、强迫换相、器件换相（自换相）前面3种针对晶闸管电路的换相，第4种针对全控型器件（c）电网换相由电网提供换相电压，即将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断，不需要器件具有门极可关断能力可用于可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交-交变频电路，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路§3.2交-直-交变频器四、逆变电路3、逆变电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器3、逆变电路基本工作原理（2）换相方式（d）负载换相由负载提供换相电压的换相方式负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流，如电容性负载和同步电动机如图是基本的负载换相逆变电路，4个桥臂均由晶闸管组成当流过晶闸管中的振荡电流自然过零时,则晶闸管将继续承受负载的反向电压,如果电流的超前时间大于晶闸管的关断时间,就能保证晶闸管完全恢复到正向阻断能力,从而实现电路可靠换流§3.2交-直-交变频器四、逆变电路ω

tω

tω

tω

tOOOOiit1b)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT43、逆变电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器3、逆变电路基本工作原理（2）换相方式（e）强迫换相设置附加的换相电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换相方式通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称电容换相（f）器件换相（自换相）利用全控型器件(GTO、GTR、IGBT、MOSFET)自身具有的自关断能力实现换相，其换相控制简单§3.2交-直-交变频器四、逆变电路3、逆变电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器3、逆变电路基本工作原理（3）原理性三相桥式逆变电路（a）基本结构E：直流电源K1~K6：桥臂开关，实际由功率开关器件及辅助电路组成K1、K3、K5：上桥臂组K2、K4、K6：下桥臂组RA、RB、RC：三相负载§3.2交-直-交变频器四、逆变电路3、逆变电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器3、逆变电路基本工作原理（3）原理性三相桥式逆变电路（b）基本工作原理当K1导通，A端极性为正，当K4导通，A端极性为负，则A端输出交流电当K3导通，B端极性为正，当K6导通，B端极性为负，则B端输出交流电当K5导通，C端极性为正，当K2导通，C端极性为负，则C端输出交流电如果对输出的A、B、C三相交流电进行适当的相位控制，就可得到依次相差120°的三相对称交流电§3.2交-直-交变频器四、逆变电路3、逆变电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器3、逆变电路基本工作原理（3）原理性三相桥式逆变电路（c）开关工作方式对于电路6个开关的控制，有120°导通型和180°导通型两种方式

120°导通型：将一个周期360°相位角等分为6个区间，

6个开关在一个周期中各导通一次，导通顺序为K1→K2→K3→K4→K5→K6，相位依次相差60°

，每个开关导通120°上桥臂开关K1、K3、K5依次间隔120°顺序导通下桥臂开关K2、K4、K6也依次间隔120°顺序导通同一相的上下两个桥臂开关，即K1与K4，K3与K6，K5与K2，相差180

导通每个时刻均需上桥臂组和下桥臂组各1个开关同时导通，形成供电回路，且不能为同一相2个开关。开关换相在本组进行§3.2交-直-交变频器四、逆变电路3、逆变电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器3、逆变电路基本工作原理（3）原理性三相桥式逆变电路（c）开关工作方式

120°导通型：§3.2交-直-交变频器四、逆变电路60°60°60°60°3、逆变电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器3、逆变电路基本工作原理（3）原理性三相桥式逆变电路（c）开关工作方式120°导通型：各个区间开关导通状态及负载等效电路§3.2交-直-交变频器四、逆变电路K1K2K3K4K5K60°60°120°180°240°300°360°3、逆变电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器3、逆变电路基本工作原理（3）原理性三相桥式逆变电路（c）开关工作方式120°导通型：交流输出为矩形波电压（电流），改变开关频率可调节输出交流频率每个区间输出电压值计算方法：例：以ωt1时刻为例此时K1、K2导通，电流路径E+→K1→RA→RC→K2→E﹣，则RA上电压uAO=E/2，RC上电压uCO=﹣E/2。依次类推可得各区间三相负载相电压§3.2交-直-交变频器四、逆变电路3、逆变电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器3、逆变电路基本工作原理（3）原理性三相桥式逆变电路（c）开关工作方式180°导通型将一个周期360°相位角等分为6个区间，

6个开关在一个周期中各导通一次，导通顺序为K1→K2→K3→K4→K5→K6，相位依次相差60°

，每个开关导通180°上桥臂开关K1、K3、K5依次间隔120°顺序导通下桥臂开关K2、K4、K6也依次间隔120°顺序导通同一相的上下两个桥臂开关，即K1与K4，K3与K6，K5与K2，相差180

导通每个时刻均有3个开关同时导通，其中上桥臂1个下桥臂2个或上桥臂2个下桥臂1个形成供电回路，且不能为同一相2个开关。而开关换相是在同一相2个开关进行§3.2交-直-交变频器四、逆变电路3、逆变电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器3、逆变电路基本工作原理（3）原理性三相桥式逆变电路（c）开关工作方式180°导通型：§3.2交-直-交变频器四、逆变电路3、逆变电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器3、逆变电路基本工作原理（3）原理性三相桥式逆变电路（c）开关工作方式180°导通型：各个区间开关导通状态及负载等效电路§3.2交-直-交变频器四、逆变电路K1K2K3K4K5K63、逆变电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器3、逆变电路基本工作原理（3）原理性三相桥式逆变电路（c）开关工作方式180°导通型：交流输出为六阶梯波电压，改变开关频率可调节输出交流电压频率，该电路又称为六拍三相桥逆变电路每个区间输出电压值计算方法：例：以ωt1时刻为例此时K1、K2、K6导通，电流路径E+→K1→RA→RB//RC→K2//K6→E﹣，则RA上电压uAO=2E/3，RB和RC上电压uBO=uCO=﹣E/3。依次类推可得各区间三相负载相电压§3.2交-直-交变频器四、逆变电路3、逆变电路基本工作原理§3.2交-直-交变频器4、电压型逆变电路（1）特点（a）直流侧为电压源或并联大电容，电容抑制了直流电压纹波，使直流侧电压基本无脉动，直流侧近似为恒压源，直流回路呈现低阻抗（b）输出电压为矩形波或阶梯波，输出电流波形和相位因负载阻抗不同而不同，其波形接近三角波或正弦波（c）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。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各桥臂并联反馈二极管（续流二极管）§3.2交-直-交变频器四、逆变电路4、电压型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电压型逆变电路（2）单相全桥逆变电路（a）电路结构V1~V4：半控或全控开关器件VD1~VD4：续流二极管RL：负载图b、c、d分别为纯阻性、纯感性、阻感性负载电流波形§3.2交-直-交变频器四、逆变电路4、电压型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电压型逆变电路（2）单相全桥逆变电路（b）工作原理过程以阻感性负载为例t1~t2期间：V1、V4导通，L产生左正右负电动势，负载电流io由左向右t2时刻：V1、V4关断，V2、V3加导通信号，L产生左负右正电动势，电流io经VD2、VD3导通续流t3时刻：电流io降为零，VD2、VD3截止，V2、V3导通，L产生左负右正电动势，负载电流io由右向左§3.2交-直-交变频器四、逆变电路4、电压型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电压型逆变电路（2）单相全桥逆变电路（b）工作原理过程以阻感性负载为例t4时刻：V2、V3关断，V1、V4加导通信号，L产生左正右负电动势，电流io经VD1、VD4导通续流t5时刻：电流io降为零，VD1、VD4截止，

V1、V4导通，L产生左正右负电动势，负载电流io由左向右依次类推，V1、V4和V2、V3每周期交替各导通180°改变周期T（即器件触发导通、关断频率）可调输出频率§3.2交-直-交变频器四、逆变电路4、电压型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电压型逆变电路（2）单相全桥逆变电路（b）工作原理过程换相和续流过程如图§3.2交-直-交变频器四、逆变电路t1~t2期间t2~t3期间t3~t4期间t4~t5期间4、电压型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电压型逆变电路（3）三相桥式逆变电路按开关器件工作方式有180°导通型和120°导通型两种，以下以180°导通型为例（a）基本电路结构VT1~VT6：半控或全控型开关器件VT1、VT3、VT5阳极连在一起，称共阳极组；VT2、VT4、VT6阴极连在一起，称共阴极组VD1~VD6：续流二极管R：负载§3.2交-直-交变频器四、逆变电路ABC+-Ud4、电压型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电压型逆变电路（3）三相桥式逆变电路（b）工作原理过程参见前述原理性三相桥式逆变电路输出相电压为6阶梯波，线电压为矩形波注：对于120°导通型，输出相电压为矩形波，线电压为6阶梯波线电压为倍相电压改变周期T（即器件触发导通、关断频率）可调输出频率§3.2交-直-交变频器四、逆变电路4、电压型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电压型逆变电路（3）三相桥式逆变电路（c）换相方式可采用强迫换相、器件换相（自换相）方式强迫换相逆变电路如图为串联电感式逆变电路，由L1~L6和C1~C6组成SCR换相回路，以A相为例：当VT1导通，UC4=E，当VT4触发导通，UL4=UC4

，则L1由L4感应电压为E，VT1承受反压2E被关断，换相完成§3.2交-直-交变频器四、逆变电路4、电压型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电压型逆变电路（3）三相桥式逆变电路（c）换相方式自换相逆变电路利用全控型器件的自关断能力由驱动触发电路控制器件导通、关断以及导通关断时间进行换相和调频，不需换相回路，降低损耗和成本§3.2交-直-交变频器四、逆变电路4、电压型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电流型逆变电路（1）特点（a）直流侧串大电感，相当于电流源，直流电路基本无脉动（b）各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流输出电流为矩形波或阶梯波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位因负载不同而不同（c）交流侧为阻感负载时，需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因反馈无功能量时电流并不反向，故不必给开关器件反并联二极管（d）电流型逆变电路中，采用半控型器件电路仍应用较多（e）换相方式有负载换相、强迫换相、自换相§3.2交-直-交变频器四、逆变电路4、电流型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电流型逆变电路（2）单相桥式逆变电路（a）由四个桥臂构成，每个桥臂晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt（b）整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性，直流侧串大电感（c）C和L、R构成并联谐振电路（d）输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波（e）负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，负载电压波形接近正弦波§3.2交-直-交变频器四、逆变电路ω

tω

tω

tω

tOOOOiit1b)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT44、电流型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电流型逆变电路（2）单相桥式逆变电路（d）采用负载换相方式工作，要求负载电流相位略超前于负载电压，即负载略呈容性。当输出电流超前电压时，且流过晶闸管中的振荡电流自然过零时，则晶闸管将继续承受负载的反向电压，如果电流的超前时间大于晶闸管的关断时间，就能保证晶闸管完全恢复阻断能力，实现可靠换流§3.2交-直-交变频器四、逆变电路4、电流型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电流型逆变电路（3）三相桥式逆变电路（a）基本结构VT1~VT6：半控或全控开关器件为常见的串联二极管式§3.2交-直-交变频器四、逆变电路4、电流型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电流型逆变电路（3）三相桥式逆变电路（b）工作原理过程参见前述原理性三相桥式逆变电路基本工作方式是120°导通方式输出相电流为矩形波，线电流为6阶梯波输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波改变周期T（即器件触发导通、关断频率）可调输出频率§3.2交-直-交变频器四、逆变电路4、电流型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电流型逆变电路（3）三相桥式逆变电路（c）换相方式强迫换相逆变电路如图串联二极管式逆变电路，C1~C6为换相电容，VD1~VD6用于隔离换相电容和负载，防止电容电压经负载放电§3.2交-直-交变频器四、逆变电路4、电流型逆变电路§3.2交-直-交变频器4、电流型逆变电路（2）三相桥式逆变电路（c）换相方式负载换相逆变电路如图为输出滤波器式逆变电路，输出端设有LC滤波器，与电动机阻感负载合成后的负载功率因数超前，使电流相位超前电压进行换相自换相逆变电路原理同前述电压型§3.2交-直-交变频器四、逆变电路4、电流型逆变电路§3.2交-直-交变频器五、电压型变频器1、基本结构由整流电路、滤波电容、电压型逆变电路组成2、输出电压调节方式（1）概述（a）为适应变频调速需要，变频器必须能实现变频变压控制（b）调频调压可采用PAM或PWM控制方式实现§3.2交-直-交变频器五、电压型变频器§3.2交-直-交变频器2、输出电压调节方式（2）PAM控制方式分为两种方法：（a）采用可控整流电路调压，逆变器调频，该方式结构简单，控制方便，但当电压或转速低时，电网侧功率因数低，逆变器输出谐波较大（b）采用不可控整流电路，整流输出增设斩波电路调压，逆变器调频，电网侧功率因数提高，但逆变器输出谐波仍较大（3）PWM控制方式（a）采用不可控整流电路整流，全控型开关器件构成的PWM型逆变电路调压调频（b）电网侧功率因数高，输出谐波减少，输出波形几乎是正弦波，成为当前常用的调压控制方法§3.2交-直-交变频器五、电压型变频器2、输出电压调节方式§3.2交-直-交变频器2、输出电压调节方式（4）电路结构§3.2交-直-交变频器五、电压型变频器a、b属于PAM方式c属于PWM方式2、输出电压调节方式§3.2交-直-交变频器六、电流型变频器1、基本结构由整流电路、滤波电感、电流型逆变电路组成2、输出电压调节方式一般采用PAM控制方式，也可采用PWM控制方式§3.2交-直-交变频器六、电流型变频器§3.2交-直-交变频器2、输出电压调节方式§3.2交-直-交变频器六、电流型变频器2、输出电压调节方式§3.2交-直-交变频器3、电压型变频器与电流型变频器的性能比较§3.2交-直-交变频器六、电流型变频器3、电压型变频器与电流型变频器的性能比较§3.2交-直-交变§3.3SPWM控制技术一、概述1、普通交-直-交变频器存在问题（1）一般交流异步电动机是按照正弦波交流电压（电流）输入进行设计，而前述普通交-直-交变频器采用PAM控制方式进行变压变频（VVVF），其输出交流电压（电流）为矩形波或阶梯波，包含有丰富的谐波分量，增加电动机损耗、降低效率、产生转矩脉动影响低频段正常工作，从而对电动机运行性能产生不利影响§3.3SPWM控制技术1、普通交-直-交变频器存在问题例：180°导通电压型变频器输出六阶梯波相电压按傅里叶级数展开表达式为：其中基波分量用于对电动机供电，要求谐波分量尽量小§3.3SPWM控制技术一、概述1、普通交-直-交变频器存在问题§3.3SPWM控制技术1、普通交-直-交变频器存在问题（2）对于采用无自关断能力晶闸管的方波输出逆变电路，多采用多重化、多电平化措施使输出波形多台阶化来接近正弦波。这种措施电路结构较复杂，代价较高，效果却不尽人意（3）采用可控整流电路进行调压，导致电网侧功率因数低，调压、调频分开完成，电路复杂，转换效率低（4）由于储能电容的充放电时间长，电压幅度调节慢，变频器的动态反应慢（5）解决以上问题的方法之一就是采用PWM技术的变频器，利用全控型开关器件的高频开关特性在逆变电路中同时完成变压变频过程，改善普通变频器的输出特性§3.3SPWM控制技术一、概述1、普通交-直-交变频器存在问题§3.3SPWM控制技术2、PWM变频器特点（1）通过PWM控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次谐波，可以得到相当接近正弦波的输出交流电压，降低电动机损耗和脉动转矩，扩大了调速范围（2）采用不可控整流电路，电网功率因数与逆变器输出电压无关，提高了变频电源对交流电网的功率因数，可获得接近1的功率因数（3）调频、调压都由逆变电路统一完成，仅有一个可控功率级，电路结构简单，使装置的体积变小，重量减轻，造价下降，可靠性提高（4）改善了系统的动态性能和电机运行性能，通过对输出脉冲宽度的控制，可改变输出电压，加快了变频过程的动态响应，提高了调节速度，使调节过程中电压与频率的配合同步§3.3SPWM控制技术一、概述2、PWM变频器特点§3.3SPWM控制技术二、PWM技术1、基本概念（1）脉宽调制（PWM：PulseWidthModulation）是通过采取一定技术手段对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需波形（含形状和幅值）的一种技术（2）PWM技术利用全控型开关器件的快速通断，把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列代替所需波形（如正弦波），通过控制器件导通和关断时间比来调节等宽脉冲宽度或不等宽脉冲按一定规律变化，从而调节输出电压，改变调制频率来调节输出频率，实现变压、变频并消除谐波（3）PWM技术可用于整流电路、直流斩波电路、交流调压电路、逆变电路，其中逆变电路是PWM技术最为重要的应用场合，PWM逆变电路可分为电压型和电流型§3.3SPWM控制技术二、PWM技术§3.3SPWM控制技术二、PWM技术2、PWM分类（1）按输出交流电压半周期内脉冲数分为单脉冲调制、多脉冲调制（2）按输出电压脉冲宽度变化规律分为等脉宽调制、正弦波脉宽调制（SPWM）（3）按输出半周期内脉冲电压极性分为单极性调制、双极性调制（4）按载波和调制波频率关系分为同步调制、异步调制、分段调制§3.3SPWM控制技术二、PWM技术§3.3SPWM控制技术3、基本工作原理（1）面积等效原理（a）在采样控制理论有一重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。称为面积等效原理。是PWM技术的重要理论基础（b）其中冲量指窄脉冲的面积，效果基本相同指环节的输出响应波形基本相同。且脉冲越窄，输出差异越小§3.3SPWM控制技术二、PWM技术方波窄脉冲三角波窄脉冲单位冲击脉冲正弦半波窄脉冲f(t)d

(t)tOa)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)如图形状不同而冲量（面积）均为1的各种窄脉冲3、基本工作原理§3.3SPWM控制技术3、基本工作原理（1）面积等效原理（c）如图e(t)分别用四种脉冲信号作为电路输入，输出为电流i(t)，则得相应输出响应波形§3.3SPWM控制技术二、PWM技术d)单位冲击脉冲f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)3、基本工作原理§3.3SPWM控制技术3、基本工作原理（2）工作原理根据上述面积等效原理分析如何用一系列等幅不等宽的矩形脉冲序列等效正弦半波（a）将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为π/N，但幅值不等，脉冲顶部是曲线且幅值大小按正弦规律变化的脉冲序列组成（b）把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，该矩形脉冲序列称为PWM波形§3.3SPWM控制技术二、PWM技术3、基本工作原理§3.3SPWM控制技术3、基本工作原理（2）工作原理（c）对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到相应的PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛§3.3SPWM控制技术二、PWM技术OwtUd-UdOwtUd-Ud3、基本工作原理§3.3SPWM控制技术3、基本工作原理（2）工作原理（d）根据面积等效原理，PWM波形和正弦波形是等效的，这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM（SinusoidalPWM）波形。相应的这种脉宽调制称为正弦波脉宽调制（SPWM）（e）基于面积等效原理，PWM波形还可以等效成其他所需要的波形（f）PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波，PWM逆变电路采用等幅SPWM波形§3.3SPWM控制技术二、PWM技术3、基本工作原理§3.3SPWM控制技术4、SPWM波形生成方法（1）概述（a）SPWM波形生成主要是如何确定开关器件导通和关断时间，也称为开关角，其中脉冲宽度是器件导通时间，脉冲之间间距是器件关断时间（b）可采用不同的方法生成波形，其主要分类如下：§3.3SPWM控制技术二、PWM技术调制法计算法按输出半周期内脉冲电压极性按载波和调制波频率关系同步调制异步调制分段调制单极性调制双极性调制等面积法采样法自然采样法规则采样法4、SPWM波形生成方法§3.3SPWM控制技术4、SPWM波形生成方法（2）调制法（a）基本原理把希望输出的正弦波作为调制信号，接受调制的信号作为载波信号，通过对载波的调制得到所期望的SPWM波形常用等腰三角波作为载波，因为其任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称。当它与任一平缓变化的调制信号波相交时，在交点时刻控制开关器件通断，就得到脉冲宽度正比于信号波幅值的脉冲，即SPWM波可用模拟电路构成三角载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件进行控制，从而得到SPWM波形，当输出正弦波的频率、幅值和相位发生变化，调制时刻随之改变。故又称模拟实现法§3.3SPWM控制技术二、PWM技术4、SPWM波形生成方法§3.3SPWM控制技术4、SPWM波形生成方法（2）调制法（b）基本工作过程如图，正弦波ur为调制波，等腰三角波uc为载波，在ur和uc交点时刻控制电路中开关器件通断，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，则一周内连续通断就产生矩形脉冲序列§3.3SPWM控制技术二、PWM技术4、SPWM波形生成方法§3.3SPWM控制技术4、SPWM波形生成方法（2）调制法（b）基本工作过程如图脉冲宽度按正弦波瞬时值变化。当载波保持不变，改变调制波幅值ur就可改变输出SPWM波脉冲宽度，改变调制波频率就可改变输出频率§3.3SPWM控制技术二、PWM技术4、SPWM波形生成方法§3.3SPWM控制技术4、SPWM波形生成方法（2）调制法（b）基本工作过程载波比N：载波频率fc与调制波频率fr之比，N=fc/fr调制度M：调制波幅值ur与载波幅值uc之比（0~1之间）由图可知当载波保持不变，N越大，输出频率越低，一周期内脉冲数量越多，M越大，脉冲越宽，输出电压越高。故SPWM可以实现调压、调频（VVVF）§3.3SPWM控制技术二、PWM技术4、SPWM波形生成方法§3.3SPWM控制技术4、SPWM波形生成方法（2）调制法（b）基本工作过程由图可知当调制波保持不变，载波频率越高，一周期内脉冲数量越多，脉冲频率越高，输出SPWM波形越接近等效正弦波。同时对开关器件工作频率、损耗提出更高要求，最小脉冲宽度要大于器件导通时间，最小脉冲间距要大于器件关断时间反之载波频率越低，脉冲数量越少，输出谐波分量增加§3.3SPWM控制技术二、PWM技术4、SPWM波形生成方法§3.3SPWM控制技术4、SPWM波形生成方法（2）调制法（c）单极性调制定义：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，所得到的SPWM波只处于一种极性范围内。相应的SPW