变频器原理与应用 第3版 课件 王廷才 第3-5章 交-直-交变频技术、交-交变频技术、高（中）压变频器

第三章

交-直-交变频技术

交-直-交变频器的主电路框图如图3-1所示。主电路包括三个组成部分：整流电路、中间电路和逆变电路。图3-1交-直-交变频器的主电路框图《变频器原理与应用(第3版）》第3章3.1整流电路

3.1.1不可控整流电路不可控整流电路使用的元件为功率二极管，不可控整流电路按输入交流电源的相数不同分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。三相桥式整流电路如图3-2所示。

图3-2三相桥式整流电路

《变频器原理与应用(第3版）》第3章三相不可控整流电路分析

三相桥式整流电路共有六只整流二极管，其中VD1、VD3、VD5三只管子的阴极连接在一起，称为共阴极组；VD4、VD6、VD2三只管子的阳极连接在一起，称为共阳极组。

共阴极组三只二极管VD1、VD3、

VD5在t1、t3、t5换流导通；共阳极组三只二极管VD2、VD4、VD6在t2、

t4、t6换流导通。一个周期内，每只二极管导通1／3周期，即导通角为120°。通过计算可得到负载电阻

RL上的平均电压为

Uo=2.34U2(3-1)

图3-3三相桥式电路的电压波形

《变频器原理与应用(第3版）》第3章3.1.2可控整流电路

3.1.2可控整流电路三相桥式全控整流电路，如图3-4所示。

图3-4三相桥式可控整流电路

《变频器原理与应用(第3版）》第3章可控整流电路工作原理

三相交流电源电压uR、uS、uT正半波的自然换相点为1、3、5，负半波的自然换相点为2、4、6。当α＝0°时，让触发电路先后向各自所控制的6只晶闸管的门极(对应自然换相点)送出触发脉冲，即在三相电源电压正半波的1、3、5点向共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5输出触发脉冲；在三相电源电压负半波的2、4、6点向阳极组晶闸管VT2、VT4、VT6输出触发脉冲，负载上所得到的整流输出电压ud波形如图3-5b

所示的由三相电源线电压uRS、uRT、uST、

uSR、uTR和uRS的正半波所组成的包络线。图3-5b三相桥式全控电路电压波形

《变频器原理与应用(第3版）》第3章可控整流电路控制原则

1)三相全控桥整流电路任一时刻必须有两只晶闸管同时导通，才能形成负载电流，其中一只在共阳极组，另一只在共阴极组。

2)整流输出电压ud波形是由电源线电压uRS、uRT、uST、uSR、uTR和uRS的轮流输出所组成的。晶闸管的导通顺序为：（VT6和VT1）→（VT1和VT2）→（VT2和VT3）→（VT3和VT4）→（VT4和VT5）→（VT5和VT6）。

3)六只晶闸管中每管导通120°，每间隔60°有一只晶闸管换流。

4）触发方式：可采用单宽脉冲触发，也可采用双窄脉冲触发。《变频器原理与应用(第3版）》第3章

不同控制角时输出电压波形

α＝60°时的电压波形图3-6α＝60°时的电压波形

三相桥式可控整流电路输出电压平均值计算三相桥式可控整流电路所带负载为电感性时，输出电压平均值可用下式计算

Ud=2.34U2cosα(3-2)《变频器原理与应用(第3版）》第3章3.2中间电路

变频器的中间电路有滤波电路和制动电路等不同的形式。

3.2.1滤波电路虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但是这种电压或电流含有频率为电源频率6倍的纹波，则逆变后的交流电压、电流也产生纹波。因此，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。这种电路称为滤波电路。《变频器原理与应用(第3版）》第3章1.电容滤波

通常用大容量电容对整流电路输出电压进行滤波。由于电容量比较大，一般采用电解电容。

二极管整流器在电源接通时，电容中将流过较大的充电电流(亦称浪涌电流)，有可能烧坏二极管，必须采取相应措施。图3-7给出几种抑制浪涌电流的方式。

a)接入交流电抗b)接入直流电抗c)串联充电电阻图3-7抑制浪涌电流的方式《变频器原理与应用(第3版）》第3章

采用大电容滤波后再送给逆变器，这样可使加于负载上的电压值不受负载变动的影响，基本保持恒定。该变频电源类似于电压源，因而称为电压型变频器。电压型变频器的电路框图如图3-8所示。电压型变频器逆变电压波形为方波，而电流的波形经电动机负载的滤波后接近于正弦波，如图3-9所示。

图3-8电压型变频器的电路框图图3-9电压型变频器的电压和电流波形

《变频器原理与应用(第3版）》第3章2.电感滤波

采用大容量电感对整流电路输出电流进行滤波，称为电感滤波。由于经电感滤波后加于逆变器的电流值稳定不变，所以输出电流基本不受负载的影响，电源外特性类似电流源，因而称为电流型变频器。图3-10所示为电流型变频器的电路框图。图3-11所示为电流型变频器输出电压及电流波形。图3-10电流型变频器的电路框图图3-11电流型变频器输出电压及电流波形

《变频器原理与应用(第3版）》第3章3.制动电路

利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电动机的再生电能的方式称为动力制动或再生制动。图3-12为制动电路的原理图。制动电路介于整流器和逆变器之间，图中的制动单元包括晶体管VB、二极管VDB和制动电阻RB。如果回馈能量较大或要求强制动，还可以选用接于H、G两点上的外接制动电阻REB。图3-12为制动电路的原理图《变频器原理与应用(第3版）》第3章3.3逆变电路的工作原理及基本形式3.3.1逆变电路的工作原理逆变电路也简称为逆变器，图3-13a所示为单相桥式逆变器，四个桥臂由开关构成，输入直流电压E，逆变器负载是电阻R。当将开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，电阻上得到左正右负的电压；间隔一段时间后将开关S1、S4打开，S2、S3闭合，电阻上得到右正左负的电压。我们以频率f交替切换S1、S4和S2、S3，在电阻上就可以得到图3-13b所示的电压波形。

a)单相桥式逆变电路b)工作电压波形图3-13逆变器工作原理

《变频器原理与应用(第3版）》第3章3.3.2逆变电路的基本型式1.半桥逆变电路

图3-14a为半桥逆变电路原理图，直流电压Ud加在两个串联的足够大的电容两端，并使得两个电容的连接点为直流电源的中点，即每个电容上的电压为Ud/2。由两个导电臂交替工作使负载得到交变电压和电流，每个导电臂由一个功率晶体管与一个反并联二极管所组成。

a)b)

图3-14半桥逆变电路及工作波形

a)半桥逆变电路b)工作波形《变频器原理与应用(第3版）》第3章2.全桥逆变电路

电路原理如图3-15a所示。直流电压Ud接有大电容C，电路中的四个桥臂，桥臂1、4和桥臂2、3组成两对，工作时，设t2时刻之前V1、V4导通，负载上的电压极性为左正右负，负载电流io由左向右。t2时刻给V1、V4关断信号，给V2、V3导通信号，则V1、V4关断，但感性负载中的电流io方向不能突变，于是VD2、VD3导通续流，负载两端电压的极性为右正左负。当t3时刻io降至零时，VD2­、VD3截止，V2、V3导通，io开始反向。同样在t4时刻给V2、V3关断信号，给V1、V4导通信号后，V2、V3关断，io方向不能突变，由VD1、VD4导通续流。t5时刻io降至零时，VD1、VD4截止，V1、V4导通，io反向，如此反复循环，两对交替各导通180°。其输出电压uO和负载电流iO见图3-15b所示。

a)全桥逆变电路

b)工作波形《变频器原理与应用(第3版）》第3章3.4SPWM控制技术

3.4.1概述

PAM(PulseAmplitudeModulation)脉幅调制型，是一种改变电压源的电压Ud或电流源Id的幅值，进行输出控制的方式。

PWM(PulseWidthModulation)脉宽调制型，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变调制周期来控制其输出频率。

SPWM（SinusoidalPWM）正弦波脉宽调制型，SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。《变频器原理与应用(第3版）》第3章3.4.2SPWM控制的基本原理

采样控制理论有这样一个结论：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。冲量即指窄脉冲的面积，效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。例如图3-20所示的三种窄脉冲形状不同，但面积相同（假如都等于1）。当它们分别加在同一个惯性环节上时，其输出响应基本相同。且脉冲越窄，其输出差异越小。

图3-20冲量相等形状不同的三种窄脉冲《变频器原理与应用(第3版）》第3章

根据上述理论，正弦波可用一系列等幅不等宽的脉冲来代替。如图3-21所示。图3-21《变频器原理与应用(第3版）》第3章3.4.3PWM逆变电路的控制方式

1.单极性方式

单极性控制方式波形见图3-23，载波uc在调制信号波ur的正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波。

图3-23单极性控制方式波形《变频器原理与应用(第3版）》第3章

2.双极性控制方式

双极性控制方式波形见图3-24，在ur的半个周期内，三角波载波是在正负两个方向变化的，所得到的PWM波形也是在两个方向变化的。

图3-24双极性控制方式波形《变频器原理与应用(第3版）》第3章3.4.4SPWM逆变器的调制方式

在SPWM逆变器中，三角波电压频率ft与调制波电压频率(即逆变器的输出频率)fr之比N＝ft／fr称为载波比，也称为调制比。根据载波比的变化与否，PWM调制方式可分为同步式、异步式和分段同步式。《变频器原理与应用(第3版）》第3章1.同步调制方式载波比N等于常数时称同步调制方式。同步调制方式在逆变器输出电压每个周期内所采用的三角波电压数目是固定的，因而所产生的SPWM脉冲数是一定的。其优点是在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有120°相位移的对称关系。缺点是当逆变器输出频率很低时，每个周期内的SPWM脉冲数过少，低频谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。《变频器原理与应用(第3版）》第3章

(2)异步调制方式

在逆变器的整个变频范围内，载渡比N不是一个常数。一般在改变调制波频率fr时保持三角波频率ft不变，因而提高了低频时的载波比，这样逆变器输出电压每个周期内PWM脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了调速系统的低频工作特性。但异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点。当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数．势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。《变频器原理与应用(第3版）》第3章

(3)分段同步调制方式

实际应用中，多采用分段同步调制方式，它集同步和异步调制方式之所长，而克服了两者的不足。在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点，在低频运行时，使载波比有级地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。具体地说，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N值取大些。采用分段同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路，从而增加控制电路的复杂性。《变频器原理与应用(第3版）》第3章3.4.5SPWM波形成的方法

1.自然采样法

自然采样法即计算正弦信号波和三角载波的交点，从而求出相应的脉宽和间歇时间，生成SPWM波形。图3-25表示截取一段正弦与三角波相交的实时状况。检测出交点A是发出脉冲的初始时刻，B点是脉冲结束时刻。TC为三角波的周期；t2为AB之间的脉宽时间，t1和t3为间歇时间。显然，TC=t1+t2+t3。

图3-21自然采样法《变频器原理与应用(第3版）》第3章2.数字控制法数字控制法，是由微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出，由微机的输出接口输出。

3.采用SPWM专用集成芯片

用微机产生SPWM波，其效果受到指令功能、运算速度、存储容量等限制，有时难以有很好的实时性，因此，完全依靠软件生成SPWM波实际上很难适应高频变频器的要求。随着微电子技术的发展，已开发出一批用于发生SPWM信号的集成电路芯片。目前已投入市场的SPWM芯片进口的有HEF4725、SLE4520，国产的有THP4725、ZPS--101等。有些单片机本身就带有SPWM端口，如8098、80C196MC等。

《变频器原理与应用(第3版）》第3章本章小结

交-直-交变频器的主电路包括三个组成部分：整流电路、中间电路和逆变电路。整流电路把电源提供的交流电压变换为直流电压，电路型式分为不可控整流电路和可控整流电路。中间电路分为滤波电路和制动电路等不同的形式，滤波电路是对整流电路的输出进行电压或电流滤波，经大电容滤波的直流电提供给逆变器的称为电压型逆变器，经大电感滤波的直流电提供给逆变器的称为电流型逆变器；制动电路是利用设置在直流回路中的制动电阻或制动单元吸收电动机的再生电能实现动力制动。逆变电路是将直流电变换为频率和幅值可调节的交流电，对逆变电路中功率器件的开关控制一般采用SPWM控制方式。《变频器原理与应用(第3版）》第3章

谢谢！《变频器原理与应用(第3版）》第3章第4章

交-交变频技术

4.1单相输出交-交变频电路

4.1.1电路组成及基本工作原理图4-1是单相输出交-交变频电路的原理框图，电路由P（正）组和N（负）组反并联的晶闸管变流电路构成，两组变流电路接在同一个交流电源，Z为负载。交-交变频器输出的方波如图4－2所示。图4-1单相输出交-交变频电路的原理框图图4-2输出的方波《变频器原理与应用(第3版）》第4章

为了使输出电压的波形接近正弦波，可以按正弦规律对控制角α进行调制，即可得到如图4-3所示的波形。调制方法是，在半个周期内让变流器的控制角α按正弦规律从90°逐渐减小到0°或某个值，然后再逐渐增大到90°。

图4-3

单相输出交-交变频电路输出交流电压波形《变频器原理与应用(第3版）》第4章4.1.2感阻性负载时的相控调制

如果把交-交变频电路理想化，忽略变流电路换相时输出电压的脉动分量，就可以把电路等效为图4-4a所示的正弦波交流电源和二极管的串联。其中交流电源表示变流电路可输出交流正弦电压，二极管体现了变流电路只允许电流单方向流过。

图4-4a理想化交-交变频电路《变频器原理与应用(第3版）》第4章4.1.2感阻性负载时的相控调制

图4-4b给出了一个周期内负载电压、电流波形及正负两组变流电路的电压、电流波形。

图4-4b整流与逆变状态波形

《变频器原理与应用(第3版）》第4章

图4-5是单相输出交-交变频电路输出电压和电流的波形图。

图4-5单相输出交-交变频电路输出电压和电流的波形图《变频器原理与应用(第3版）》第4章4.1.3输入输出特性

1．输出上限频率就常用的6脉波三相桥式电路而言，一般认为，输出上限频率不高于电网频率的1/3～1/2。电网为50Hz时，交-交变频电路的输出上限频率约为20Hz。

2.输入功率因数交-交变频电路采用的是相位控制方式，因此其输入电流的相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。从图4-3可以看出，在输出电压的一个周期内，α角是以90°为中心而前后变化的。输出电压比越小，半周期内α的平均值越靠近90°，位移因数越低。另外，负载的功率因数越低，输入功率因数也越低。《变频器原理与应用(第3版）》第4章交-交变频器的特点1)因为是直接变换，没有中间环节，所以比一般的变频器效率要高。

2)由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交流电源的频率低得多，输出波形较好。

3)由于变频器按电网电压过零自然换相，故可采用普通晶闸管。

4)由于输出上限频率不高于电网频率的1/3～1/2，因受电网频率限制，通常输出电压的频率较低。

5)交-交变频电路采用的是相位控制方式，因此其输入电流的相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。功率因数较低，特别是在低速运行时更低，需要适当补偿。

《变频器原理与应用(第3版）》第4章4.2三相输出交-交变频电路

三相输出交-交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，三相输出交-交变频电路是由三组输出电压相位各差120°的单相交-交变频电路组成的，所以其控制原理与单相交-交变频电路相同。下面简单介绍一下三相交-交变频电路接线方式。

4.2.1公共交流母线进线方式图4-6公共交流母线进线方式的三相交-交变频电路简图《变频器原理与应用(第3版）》第4章4.2.2输出星形联结方式

图4-7输出星形联结方式的三相交-交变频电路原理图《变频器原理与应用(第3版）》第4章本章小结

交-交变频就是把电网频率的交流电变换成可调频率的交流电，此类变频器能量转换效率较高，多应用于大功率的三相异步电动机和同步电动机的低速变频调速。但由于交-交变频输出频率低（一般为电网频率的1/3～1/2）和功率因数低，使其应用受到限制。

《变频器原理与应用(第3版）》第4章

谢谢！《变频器原理与应用(第3版）》第4章第5章高（中）压变频器

5.1高（中）压变频器概述

5.1.1高（中）压变频器的分类高（中）压变频器按主电路的结构方式分为交-交方式和交-直-交方式。

5.1.2高（中）压变频调速系统的基本形式

（1）直接高-高型直接高-高型（也有的称为直接中-中型）变频调速系统的电路结构如图5-2所示。

图5-2直接高-高型变频调速系统《变频器原理与应用(第3版）》第5章

（2）高-中型高-中型变频调速系统的电路结构如图5-3所示。

图5-3高-中型变频调速系统（3）高-低-高型高-低-高型（有的也称为中-低-中型）变频调速系统的电路结构如图5-4所示。

图5-4高-低-高型变频调速系统《变频器原理与应用(第3版）》第5章5.1.3高（中）压变频器的应用

1．拖动风机或水泵

2．压缩机、鼓风机、轧机或其它工作机械

(1)可精确地调节速度或流量，保证工艺质量。

(2)可直接与工作机械耦合，省去减速机等中间机械环节，减少投资和中间费用。

(3)可接受计算机或PLC的模拟或数字信号，进行实时控制，且控制性能优越。

3．要求起动性能好的机械实现“软”起动。电机速度从零开始起动：可使电机电流限制在规定值以下(一般在额定电流的1.5～2倍以内)，以选定的加速度平稳升速，直到指定速度。

《变频器原理与应用(第3版）》第5章5.1.4高（中）压变频器的技术要求

1.可靠性要求高

2.对电网的电压波动容忍度大

3.降低谐波对电网的影响

4.改善功率因数

5.抑制输出谐波成分

6.抑制共模电压和du／dt的影响《变频器原理与应用(第3版）》第5章5.2高（中）压变频器的主电路结构

5.2.1晶闸管电流型变频器

图5-5所示为晶闸管电流型变频器的主电路。图5-5晶闸管电流型变频器的主电路

《变频器原理与应用(第3版）》第5章

晶闸管电流型变频器采用晶闸管三相桥式整流电路将交流变为直流，然后再经晶闸管三相桥式逆变电路将直流变为频率可调的交流，将其输出以控制电机运行和调速。由于在它的直流母线上串联有平波电抗器，因此该变频器称为电流型变频器。《变频器原理与应用(第3版）》第5章5.2.2GTO电流型变频器

GTO电流型变频器的主电路如图5-6所示。

图5-6GTO电流型变频器的主电路《变频器原理与应用(第3版）》第5章

图5-6电路中，变压器二次绕组采用Y和Δ不同联结组别，是为了获得互差60°的六相电压，既可以减少整流后的电压纹波，也可以降低电网的谐波。整流部分采用SCR器件，逆变部分采用了可关断晶闸管GTO，开关频率为180Hz。电路可以说是电流源和PWM技术的结合(简称“CSI-PWM技术”)。由于采用脉宽调制方式，输出谐波降低，滤波器可大大减小，但不能省去。实际使用中常加电容滤波器，为防止电容与电动机的电感在换向过程中产生谐振，其数值需仔细选择。《变频器原理与应用(第3版）》第5章5.2.31GBT并联多重化PWM电压型变频器图5-7所示为并联多重化PWM电压型变频器电路图。

图5-7并联多重化PWM电压型变频器主电路《变频器原理与应用(第3版）》第5章

图5-7采用二极管构成二组三相桥式整流电路，按12脉波组态，输出为二重式，每组由六个IGBT构成一个桥式逆变单元。输出滤波器用来去除PWM的调制波中的高频成分并减少du／dt、di／dt的影响，由于频率高，滤波器的体积很小。《变频器原理与应用(第3版）》第5章5.2.4三电平高（中）压变频器

IGBT三电平高压变频器的主电路如图5-8所示。图5-8IGBT三电平高（中）压变频器的主电路

《变频器原理与应用(第3版）》第5章

图5-8中，变频器的整流部分由两个三相桥电路串联，输出12脉波的直流电压，大大减少了电网侧的谐波成分。同时，直流侧采用两个相同的电解电容串联滤波，在中间的连接处引出一条线与逆变电路中的钳位二极管相接，若将该节点视为参考点（电压为零），则加到逆变器的电平有三个：Ud、0、-Ud。所以逆变器部分是由IGBT和箝位二极管组成的三电平电压型逆变器。《变频器原理与应用(第3版）》第5章

《变频器原理与应用(第3版）》第5章

图5-10所示为三电平变频器输出相电压、相电流波形。图中阶梯形PWM波为电压波形，近似正弦波为电流波形(Ud为峰值电压)。这种变频器输出的线电压有5个电平，输出谐波小，du/dt小，使电动机电流波形的失真度从17%降低为2%左右。

图5-10三电平变频器输出电压、电流波形《变频器原理与应用(第3版）》第5章5.2.5五电平高（中）压变频器

图5-11为五电平逆变器主电路，其工作原理与三电平逆变器相似.

图5-11五电平逆变器主电路

《变频器原理与应用(第3版）》第5章

这种结构的优点是：在器件耐压相同的条件下，能输出更高的交流电压，适合制造更高电压等级的变频器。缺点是：用单个逆变器难以控制有功功率传递，存在电容电压均压问题。

《变频器原理与应用(第3版）》第5章5.3风光JD-BP37/38系列高压变频器简介5.3.1风光JD-BP37/38系列高压变频器系统结构如图5-13所示。

图5-13风光JD-BP37系列高压变频器的系统结构

《变频器原理与应用(第3版）》第5章

风光JD-BP37/38系列高压变频器采用多功率单元串联的方法解决了用低电压的IGBT实现高压变频的困难，由图5-13可见，JD-BP37/38系列高压变频器采用6级小功率低电压IGBT的PWM变频单元，分别进行整流、滤波、逆变，将其串联叠加起来得到高压三相变频输出。《变频器原理与应用(第3版）》第5章

图5-14所示为功率单元电路图，每个功率单元结构上完全一致，可以互换，这不但调试、维修方便，而且备份也十分经济图5-14为功率单元电路《变频器原理与应用(第3版）》第5章

图5-15所示为电压叠加的原理图。例如，对于额定输出电压为6kV的变频器，每相由6个低压为580V的IGBT功率单元串联而成，则叠加后输出相电压最高可达3,480V，线电压为3,480V=6,000V左右。图5-15电压叠加的原理《变频器原理与应用(第3版）》第5章5.3.2JD-BP37/38系列高压变频器的柜体结构

图5-17所示为风光JD-BP37/38系列高压变频器的柜体结构，主要由开关柜、变压器柜、功率单元柜和控制柜等组成图5-17风光JD-BP37/38系列高压变频器的柜体结构《变频器原理与应用(第3版）》第5章5.3.3高压变频器的运行操作方式

当高压变频器处于保养或检修时，就需要将电动机投入工频电网运行，以保证生产的连续性.图5-18a所示为变频工