电力电子技术 第5章变频电路

2018年9月25日
5.3.3 两种变频电路的特点
1．电压型变频电路的主要特点： ①直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路 呈现低阻抗状态。 ②由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗 角无关，而交流侧电流波形因负载阻抗角的不同而不同，其波形接近三角 波或正弦波。 ③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能量提供通道，各臂都并联了续流 二极管。 ④变频电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动， 故功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。 ⑤当变频电路的负载是电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就 必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，只能靠改变直流 电流的方向来实现，这就需要给电路再反并联一套变频桥。这将使电路变 2018年9月25日 得复杂。
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5.3.1 电压源型桥式变频电路
根据同样的思路可得其余4个时域的负载上相电压和线电压的值，如表5.1所示。
ωt 导通开关
0～ 1 π
3
1 3
π～2π
3
2 3Βιβλιοθήκη π ～ππ～4π3
4 3
π～5 π
3
5 3
π ～2π
V6 V1 V2
V1 V2 V3
V2 V3 V4
V3 V4 V5
V4 V5 V6
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5.3.1 电压源型桥式变频电路
由此等效电路可得此时负载上的线电压分别为： UAB＝0 UBC＝Ud UCA＝－Ud波形如图5.9(c)所示。 式中Ud为变频电路输入的直流电压。 负载上的相电压分别为： UAN＝Ud/3 UBN＝Ud/3 UCN＝－2Ud/3 波形如图5.9(b)所示。
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5.3.2 电流源型桥式变频电路
③π/3＜ωt≤π，此时导通的开关元件为 V2、V3。电源电流通过V3、Zb、Zc、V2构 成闭合回路。形成负载电流ib、ic为方波输 出，其中ib与图5.11所示的参考方向一致为 正，ic与图示方向相反为负。负载电流ia＝ 0。在ωt＝π时，驱动控制电路使V2关断， V4导通，进入下一个时区。
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5.2 谐振式变频电路
5.2.2 并联谐振式变频电路
采用电路理论中的并联谐振原理进行换流的变频器称为并联谐振式变频电路 图中逆变桥由四个晶闸管桥臂组 成,因工作频率较高,故采用快速 晶闸管。L1～L4为4只电感量很 小的桥臂电感，用于限制电流上 升率di/dt。感应加热线圈R、L和 并联的电容C组成负载并联谐振 电路。
5.3.1 电压源型桥式变频电路
图中的开关器件是IGBT， 其中D1～D6是与V1～V6反并联 的二极管，其作用是为感性负载 提供续流回路
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5.3.1 电压源型桥式变频电路
基本工作方式是180°导通 型。即：同一相上下两个桥臂以 180°间隔交替开通和关断，各 相开始导电的时间依次相差 120°。具体地说就是，在一个 周期内，6个管子触发导通的次 序为V1～V6，依次间隔60°， 任一时刻均有三个管子导通，在 输出端形成A、B、C三相电压。
第5章 变频电路
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本
章
学
习
内
容
5.1 无源逆变电路
5.2 谐振式变频电路 5.3 三相桥式变频电路 5.4 交-交变频电路
5.5 PWM型变频电路
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5.1 无源逆变电路
5.1.1无源逆变电路的基本概念
为负载提供可变频率的交流电源装置称为变频器。 无源逆变电路称为变频电路。 通常将无源逆变器称为变频器。 变频器以变频过程分可以分为交—交变频器和交—直—交变频 器两大类。 交—交变频器是将50Hz的工频电源直接转变成所需频率的交流 电源，也称直接变频； 交—直—交变频器是把工频电源经整流器变为直流电，再将直 流电能逆变成所需频率的交流电源，也称间接变频。逆变输 出的交流电与电网交流电无关，可以得到所需的任意频率和 电压的交流电，单独向负载供电，故称其为无源逆变。 2018年9月25日
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5.3.2 电流源型桥式变频电路
下面分析各相负载电流的波形，设负载 为星形联接，三相负载对称，中性点为N， 图5.12给出了电流源型三相桥式变频电路的 输出电流波形，为了分析方便，将一个工作 周期分为6个区域，每个区域的电角度为π/3。 ①0＜ωt≤π/3，已控制导通开关元件V1、 V6，此时电源电流通过V1、Za、Zb、V6构成 闭合回路。负载上分别有电流ia、ib流过，由 于电路的直流侧串入了大电感Ld，使负载电 流波形基本无脉动，因此电流ia、ib为方波输 出，其中ia与图5.11所示的参考方向一致为正 ，ib与图示方向相反为负。负载电流ic＝0。在 ωt＝π/3时，驱动控制电路使V6关断，V2导通 ，进入下一个时区。
5.2 谐振式变频电路
若第一个线圈中通以交流电流，则第二个线圈中也感应出交流电流。 不论第二个线圈的匝数为多少，即使只有一匝也会感应出电流。如果第 二个线圈的直径略小于第一个线圈的直径，并将它置于第一个线圈之内， 则这种电磁感应现象更为明显，因为这时两个线圈耦合得更为紧密。如 果在一个钢管上绕了感应线圈，钢管可以看作有一匝直接短接的第二线 圈。当感应线圈内通以交流电流时，在钢管中将感应出电流，从而产生 交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。平常在50Hz 的交流电流下，这种感生电流较小，所产生的热量使钢管温度略有升高， 不足以使钢管加热到热加工所需温度（常为1200℃左右）。如果增大电 流和提高频率（相当于提高了开关S的通断频率）都可以增加发热效果， 则钢管温度就会升高。控制感应线圈内电流的大小和频率，可以将钢管 加热到所需温度进行各种热加工。
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5.3.2 电流源型桥式变频电路
②π/3＜ωt≤2π/3，此时导通的开关元 件为V1、V2。电源电流通过V1、Za、Zc 、V2构成闭合回路。形成负载电流ia、ic 为方波输出，其中ia与图5.11所示的参考 方向一致为正，ic与图示方向相反为负 。负载电流ib＝0。在ωt＝2π/3时，驱动 控制电路使V1关断，V3导通，进入下一 个时区。
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5.3.1 电压源型桥式变频电路
在ωt＝π/3时，关断V1，控制导通V4，即在π/3＜ ωt≤π2/3区域，有V2、V3、V4同时导通，此时AC两点 通过导通的V4、V2相当于同时接在电源的负极，而B 点通过导通的V3接于电源的正极，所以该时区变频桥 的等效电路如图5.10(b)所示。由此可得此时负载上的 线电压为： UAB＝－Ud UBC＝Ud UCA＝0波形如图5.9(c)所示。 负载的相电压为：
V5 V6 V1
负载等 效电路
输 出 相 电 压 输 出 线 电 压
uAN uBN uCN uAB uBC
1 3 1 3

Ud Ud Ud

1 3
Ud Ud Ud

2 3
Ud

1 3 1 3
Ud Ud Ud

1 3
2 3
Ud Ud Ud
2 3
1 3 1 3
Ud Ud Ud
2 3
1 3
1 3 1 3
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5.2 谐振式变频电路
5.2.1 谐振式变频电路应用----感应加热炉的介绍
2．感应加热与变频技术 由感应加热的原理可知，感应加热线圈中通以不同频率的交流电就可 以进行加热。这和变频器的输出的交流电特性一样。目前应用较多的中频 感应加热电源主要由可控或不可控整流电路、滤波器、变频器和一些控制 保护电路组成。工作时，三相工频（50Hz）交流电经整流器变成脉动直流 电，再经滤波器变成平滑的直流电送到变频器。变频器把直流电转变成频 率较高的交流电流送给负载。 由于感应加热线圈中通过的电流较大，考虑到设备生产的成本和可靠 性，变频器中的开关元件一般选用晶闸管器件。从上述可知，变频器的负 载是感应加热线圈。由于是感性负载，电流会滞后于电压，这样变频器中 晶闸管元件的换流问题，也即导通的晶闸管如何关断的问题成了这个电路 实现变频功能的关键所在。
5.1.2 变频电路的基本工作原理
当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时的半个周期 内，负载上的电压极性为左正右负。当开关S1、S4 断开，S2、S3闭合时，负载上得到极性相反的电压， 数值上与前半周期相同，均为Ud。当以频率f交替 切换开关S1、S4和S2、S3时，在负载电阻性R上可 得到如图5.1(b)所示的交变方波电压波形，其周期 T=1/f，这样就将直流电压Ud变换成了交流电。改 变两组开关的切换频率，就可以改变输出交流电的 频率；改变输入直流电源电压大小，就可以改变输 出交流电的幅值。
5.1 无源逆变电路
5.1.1无源逆变电路的基本概念
两大类变频器又可细分如下类型：
按直流电源类型分 电压型 电流型
负载谐振换流 交—直—交 变频器 变频器 （单相、三相） 按换流方式分 强迫换流 方波 按输出波形分 交—交变 按输出波形分 频器
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方波 正弦波
脉宽调制（PWM）
5.1 无源逆变电路
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5.3.1 电压源型桥式变频电路
下面分析各相负载相电压和线电压波形。设负 载为星形联接，三相负载对称，中性点为N。图5.9 给出了电压源型三相桥式变频电路的工作波形。为 了分析方便，将一个工作周期分成6个区域。 在0＜ωt≤π/3区域，给开关管V1、V2、V3加有 控制脉冲，即ug1＞0，ug2＞0，ug3＞0，使V1、V2、 V3同时导通，此时AB两点通过导通的V1、V3相当 于同时直接接在电源的正极，而C点通过导通的V2 接于电源的负极，所以该时区的等效电路如图 5.10(a)所示。
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5.2.2 并联谐振式变频电路
图5.4所示为变频电路的换流工作过程，图5.5为变频电路的工作波形。
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5.2 谐振式变频电路
5.2.3 串联谐振式变频电路
如果让换流电容器与感应加热线圈串联，就组成了串联谐振 式变频器的主电路，如图5.6所示。
图中变频电路输入端并联 滤波电容Cd，输入端电压视为恒 定，因而属于电压型变频电路。 为了使串联谐振能在一个周期内 持续进行，在每一个开关器件的 两端分别反向并联了二极管D1～ D4进行续流。
Ud Ud

2 3
2 3
1 3

0
－Ud Ud
0
－Ud
0
0
Ud －Ud
0
Ud
0
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uCA
Ud
－Ud Ud
－Ud
Ud
－Ud
5.3 三相桥式变频电路
5.3.2 电流源型桥式变频电路
电流源型三相桥式变频电路的基本工 作方式是1200导通方式，每个可控元件均 导通1200，与三相桥式整流电路相似，任 意瞬间只有两个桥臂导通。导通顺序为 V1～V6，依次相隔600，每个桥臂导通 1200，这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂 组中都各有一个臂导通，换流时，是在上 桥臂组或下桥臂组内依次换流，称为横向 换流，所以即使出现换流失败，即出现上 桥臂（或下桥臂）两个IGBT同时导通时 刻，也不会发生将直流电源短路的现象， 上下桥臂的驱动信号之间不必存在死区。
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5.2 谐振式变频电路
串联变频器起动和关断较容易，但 对负载的适应性较差。因此，串联变频 器适用于负载性质变化不大，需要频繁 起动和工作频率较高的场合，如热锻、 弯管等。
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5.3 三相桥式变频电路
根据变频电路中直流侧电源性质的不同，变频电路又可分为直流侧是电压 源的电压型变频电路，又称为电压源型变频电路；直流侧是电流源的称为电流 型变频电路，又称为电流源型变频电路。
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5.2 谐振式变频电路
5.2.1 谐振式变频电路应用----感应加热炉的介绍
在金属热处理中，广泛使用感应加热炉对工件进行于淬火、透热、熔炼、 钎焊等。感应加热炉就是利用变频技术进行工作的一个具体实例。
1．感应加热的基本原理
2018年9月25日
图5.2中两个线圈相互耦合在一起，在第 一个线圈中突然接通直流电流（即将图 中开关S突然合上）或突然切断电流（即 将图中开关S突然打开），此时在第二个 线圈所接的电流表中可以看出有某一方 向或反方向的摆动。这种现象称为电磁 感应现象，第二个线圈中的电流称为感 应电流，第二个线圈称为感应线圈。若 第一个线圈的开关S不断地接通和断开， 则在第二个线圈中也将不断地感应出电 流。每秒内通断次数越多（即通断频率 越高），则感应电流将会越大。