第二章 变频器工作原理-整流逆变

1第二章变频器工作原理关键词：整流、逆变22.1整流电路AC／DC变换电路是能够直接将交流电能转换为直流电能的电路，泛称整流电路。一、整流电路的分类自本世纪20年代迄今已经历了以下几个发展阶段：第一阶段：旋转式变流机组（电动机－发电机组）；第二阶段：静止式离子整流器；第三阶段：静止式半导体整流器；低频整流电路高频整流电路3旋转式变流机组和静止式离子整流器的技术经济性能均不及半导体整流器，因而在世界范围内已为后者所取代。静止式半导体整流器，按照电路中变流器件的开关频率不同，所有的半导体变流电路可划分力低频和高频两大类。对于整流电路而言，前者是指传统相控式整流电路，是所有半导体变流电路中历史最久，技术最成熟，应用也最广泛的一种电路，后者是指最近才发展起来的斩控式（PWM）整流电路，是所有半导体变流电路中发展历史最短的一种电路，是斩波控制方式和高频自关断器件发展的技术产物。42.2整流电路的分类5单相半波可控整流电路及波形TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00（1）在U2的正半周，VT承受正向电压，0～ωt1期间，无触发脉冲，VT处于正向阻断状态，UVT＝U2，Ud=0;（2）ωt1以后，VT由于触发脉冲UG的作用而导通，则Ud=U2,UVT=0,Id=U2/R，一直到π时刻；（3）π～2π期间，U2反向，VT由于承受反向电压而关断,UVT=U2,Ud=0。以后不断重复以上过程。6带电感性负载的单相半波电路及其波形a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)++7单相桥式全控整流电路图（纯电阻负载）RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,48单相全控桥带电感性负载时的电路及波形TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,492.3三相桥式全控整流电路三相全桥的特点：应用最为广泛.三相桥式全控整流电路与三相半波电路相比，输出整流电压提高一倍，输出电压的脉动较小、变压器利用率高且无直流磁化问题。由于在整流装置中，三相桥电路晶闸管的最大失控时间只为三相半波电路的一半，故控制快速性较好，因而在大容量负载供电、电力拖动控制系统等方面获得广泛的应用。102.3.1共阴极三相半波可控整流电路电阻负载图3-19三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路如图3-19所示。为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧为避免3次谐波流入电源接成三角形。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，它们的阴极连接在—起，称为共阴极接法，这种接法触发电路有公共端，连线方便。图3-19三相半波可控整流电路abcTRudiVT2VT1VT3d112.3.2共阳极三相半波可控整流电路电路共阳极电路，即将三个晶闸管的阳极连在一起，其阴极分别接变压器三相绕组，变压器的零线作为输出电压的正端，晶闸管共阳极端作为输出电压的负端，如图2-26所示。这种共阳极电路接法，对于螺栓型晶闸管的阳根可以共用散热器，使装置结构简化；但三个触发器的输出必须彼此绝缘。abcTRLudidVT1VT2VT3图3-26三相半波可控整流电路2.4SPWM变频器的工作原理--三相桥式整流电路13由于三相桥式整流电路是两组三相半波整流电路的串联，因此输出电压是三相半波的两倍。当输出电流连续时：由于变压器规格并末改变，整流电压却比三相半波时大一倍，因此输出功率加大一倍。变压器利用率提高了，而晶闸管的电流定额不变。在输出整流电压相同的情况下，三相桥式晶闸管的电压定额可以比三相半波电路的晶闸管低一半。2221.17cos2.34cosdUUU14带电阻负载时的工作情况1.工作原理和波形分析：(1)α=0时的情况对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通；对于共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通；任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个SCR处于导通状态。其余的SCR均处于关断状态。触发角α的起点，仍然是从自然换相点开始计算，注意正负方向均有自然换相点。u2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubt1OtOtOtOt=0°iVT1uVT1图2-18三相桥式全控整流电路带电阻负载α=0时的波形动画15从线电压波形看，ud为线电压中最大的一个，因此ud波形为线电压的包络线。表3-1三相桥式全控整流电路电阻负载α=0时晶闸管工作情况时段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb动画16三相桥式全控整流电路的特点：（1)两个SCR同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各有一个SCR导通，且不能为同相的两个SCR（否则没有输出）。（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2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。动画17（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，所以三相全桥电路称为6脉波整流电路；（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲：可采用两种方法：一种是宽脉冲触发(大于600)另一种是双脉冲触发（常用）：在Ud的六个时间段，均给应该导通的SCR提供触发脉冲，而不管其原来是否导通。所以每隔600就需要提供两个触发脉冲。实际提供脉冲的顺序为：1,2-2,3-3,4-4,5-5,6-6,1-1,2，不断重复。（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同为：2RMFM45.2UUU动画18三相桥式全控整流电路原理图bacTn负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d119三相桥式全控整流电路带电阻负载α=0时的波形u2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubt1OtOtOtOt=0°iVT1uVT120三相桥式全控整流电路电阻负载α=0时晶闸管工作情况时段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=ucub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb21三相桥式全控整流电路带电阻负载α=30时的波形ud1ud2=30°iaOtOtOtOtuduabuacuaubuct1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuacuVT122三相桥式全控整流电路带电阻负载α=60时的波形=60°ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaⅠⅡⅢⅣⅤⅥubucOtt1OtOtuVT123三相桥式全控整流电路带电阻负载α=90时的波形ud1ud2uduaubucuaubtOtOtOtOtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT124三相桥式全控整流电路带电感性负载α=0时的波形ud1u2ud2u2LudidtOtOtOtOua=0°ubuct1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥiVT125三相桥式全控整流电路带电感性负载α=30时的波形ud1=30°ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥtOtOtOtOidiat1uaubuc26三相桥式整流电路带电感性负载，α=90时的波形=90°ud1ud2uacubcubaucaucbuabuacuabⅠⅡⅢⅣⅤⅥuduacuabuactOtOtOubucuat1uVT1~380V50HZf=0~500HZ图3-1变频调速•变频调速f•变极对数调速P•变转差率调速S2.5变频调速原理交—直—交变频器基本结构图3-2交—直—交变频器主回路图整流器滤波器逆变器三相逆变桥示意图图3-3三相逆变桥变频器及应用技术变频变压的实现1.单相逆变桥原理a）单相逆变桥电路b）负载所得电压波形变频器及应用技术变频变压的实现2.变频方法a）频率较高b）频率较低变频器及应用技术变频变压的实现3.三相逆变桥a）三相逆变电路b）输出电压波形变频器及应用技术SPWM1.交—直—交a）电路框图b）频率较高c）频率较低输出电压为方波，电流为正弦波（1）电压型脉宽调制（PWM）（2）电流型输出电压为正弦波，电流为方波变频器及应用技术SPWM串联二极管式电流型变频器主电路及电流波形2.电压型正弦波脉宽调制（SPWM）变频器及应用技术SPWM2.6SPWM变频器的工作原理：所谓正弦波脉宽调制(SPWM)就是把正弦波等效为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，如图4所示，等效的原则是面积相等。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud2Ud图同步调制三相PWM波形ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud2UducurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud2Ud图同步调制三相PWM波形（1）单极性调制a）频率较高b）频率较低采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获得理想的控制效果，输出电流近似正弦波。变频器及应用技术SPWM（2）双极性脉宽调制变频器及应用技术SPWM2.7控制芯片DSP－电机控制专用CPUTI公司产品实时控制，快速处理数据同一机器周期同时处理多条指令CPLD－大规模可编程逻辑阵列XILINX产品系统逻辑构成和保护电路简化数字逻辑MCU－单片机ATMEL公司产品显示与键盘控制线路板变频器及应用技术SPWM功率器件电机控制算法功率器件V/F控制SCRGTR矢量控制IGBT计算机技术单片机DSPIGBT大容量IPM更高速率和容量如，矩阵式变频器大功率传动使用变频器，体积大，价格高未来发展方向完美无谐波，PWM技术SPWM技术PWM优化新一代开关技术无速度矢量控制电流矢量V/F70年代80年代60年代90年代高速DSP专用芯片2000年代超静音变频器开始流行解决了GTR噪声问题变频器性能大幅提升大批量使用，取代直流算法优化更大容量更高开关频率PWM技术空间电压矢量调制技术变频器体积缩小，开始在中小功率电机上使用变频器及应用技术SPWMａ）逆变电路ｂ）电压波形ｃ）电流波形串联二极管式电流型变频器主电路1.晶闸管（SCR）变频器及应用技术SPWMａ）逆变电路ｂ）电压波形ｃ）电流波形2.GTRGTR模块（单桥）变频器及应用技术SPWMａ）逆变电路ｂ）电压波形ｃ）电流波形3.IGBT单管IGBT单桥IGBT模块全桥IGBT模块变频器及应用技术SPWM