交直交变频技术

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。

交-直-交变频器的主电路框图如图所示。主电路包括三个组成部分：整流电路、中间

电路和逆变电路。

一、整流电路

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

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R L上的平均电压为U o = 2.34U2

三相桥式电路的电压波形

1.2可控整流电路

三相桥式全控整流电路，如图所示。

三相桥式可控整流电路

可控整流电路工作原理

三相交流电源电压u R、u S、u T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u d波形如图3-5b所示的由三相电源线电压u RS、u RT、u ST、u SR、u TR和u RS的正半波所组成的包络线。

三相桥式全控电路电压波

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u d波形是由电源线电压u RS、u RT、u ST、u SR、u TR和u RS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。

二、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。

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。

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-抑制浪涌电流的方式

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

电压型变频器的电路框图电压型变频器的电压和电流波形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-1所示为电流型变频器的电路框图。图-2所示为电流型变频器输出电压及电流波形。

电流型变频器的电路框图电流型变频器输出电压及电流波形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V B、二极管VD B和制动电阻R B。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R EB。

图为制动电路的原理图

三、逆变电路的工作原理及基本形式

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

2 逆变电路的基本型式

1.半桥逆变电路

图a 为半桥逆变电路原理图，直流电压U d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U d/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)半桥逆变电路

b)工作波形

2.全桥逆变电路

电路原理如图a所示。直流电压U d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i o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i o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i o降至零时，VD2、VD3截止，V2、V3导通，i o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，i o方向不能突变，由VD1、VD4导通续流。t5时刻i o降至零时，VD1、VD4截止，V1、V4导通，i o反向，如此反复循环，两对交替各导通180°。其输出电压u O和负载电流i O见图b 所示。

a)全桥逆变电路

b) 工作波形

4 、SPWM控制技术

4.1 概述

PAM (Pulse Amplitude Modulation)脉幅调制型，是一种改变电压源的电压U d或电流源I d的幅值，进行输出控制的方式。

PWM (Pulse Width Modulation) 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（Sinusoidal PWM）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。

4.2 SPWM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--冲量相等形状不同的三种窄脉冲

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。如图所示。

4.3 PWM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，载波u c在调制信号波u r的正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波。

2.双极性控制方式

双极性控制方式波形见图3-24，在u r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。

双极性控制方式波

4.4 SPWM逆变器的调制方式

在SPWM逆变器中，三角波电压频率f t与调制波电压频率(即逆变器的输出频率) f r之比N＝f t／f r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。

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。

(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f r时保持三角波频率f t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。

(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。

4.5 SPWM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。T C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，T C= t1+ t2+ t3。

自然采样法

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。