单元十三 电力电子技术基础（教案）
章节
名称
13.3交流-直流-交流变频电路
学时
安排
2
教学
目标
了解掌握交流-直流-交流变频电路电路组成及工作原理。
掌握整流电路、中间电路组成及工作原理。
了解SPWM技术在变频中的应用。
重点
难点
整流电路、中间电路、逆变电路工作原理。
参考
资料
1．《电子技术》，吕国泰主编，北京：高等教育出版社，第2版 2001年
2.《电力电子技术》浣喜明、姚为正 高等教育出版社，第3版2001年
考 核
与评价
1．考核与评定要坚持结果评价和过程评价相结合，定量评价和定性评价相结合，教师评价和学生自评、互评相结合，使考核与评价有利于激发学生的学习热情，促进学生的发展。
2．考核与评定要根据本课程的特点，改革单一考核方式，不仅关注学生对知识的理解、技能的掌握和能力的提高，还要重视规范操作、安全文明生产等职业素质的形成，以及节约能源、节省原材料与爱护工具设备、保护环境等意识与观念的树立。
备 注
（正文）
注：表格内黑体字格式为（黑体，小四号，1.25倍行距，居中）
13.3交流-直流-交流变频电路
【教学过程】
组织教学：
1．检查出勤情况。
2．检查学生教材，习题册是否符合要求。
3．宣布上课。
引入新课：
1．变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
2．通过实物演示及列举实例，让学生了解桥式整流电路的原理及应用，从而激发他们的学习兴趣。
讲授新课：
13.3交流-直流-交流变频电路
现在使用的变频器绝大多数为交-直-交变频器，交-直-交变频器的主电路框图如图13-3-1所示。由图可见，主电路包括3个组成部分：整流电路、中间电路和逆变电路。
图13-3-1 交-直-交变频器主电路框图
13.3.1整流电路
整流单元用于电网的三相交流电变成直流。可分为可控整流和不可控整流两大类。可控整流由于存在输出电压含有较多的谐波、输入功率因数低、控制部分复杂、中间直流大电容造成的调压惯性大相应缓慢等缺点，不可控整流是目前交直交变频器的主流形式，它有2种构成形式，6支整流二极管或6支晶闸管组成三相整流桥，分别如图13-3-2、13-3-3所示。
图13-3-2 二极管构成的三相桥式整流电路
由6支二极管构成的三相桥式整流电路，交流侧有控制主回路通断的接触器。
图13-3-3 晶闸管构成的三相桥式整流电路
由6支晶闸管构成的三相桥式整流电路，晶闸管只用于控制通断不控制直流电压的大小。
13.3.2中间电路
变频器的中间电路有滤波电路、制动单元、驱动电路、检测电路、控制电路等主要形式。
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，但这种电压或电流含有频率为电源频率6倍的纹路，如果将其直接供给逆变电路，则逆变后的交流电压、电流纹波很大。因此，必须对整流电路的输出经行滤波，以减少电压或者电流的波动。这种电路称为滤波电路。
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。为了得到所需的耐压值和容量，往往需要根据变频器容量的要求，将容量进行并联使用。
而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，故必须采用相应措施。图中13
(a)接入交流电抗 (b)接入直流电抗 (c)串联充电电阻
图13-3-4 抑制浪涌电流的方式
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。
2．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。制动电路可由制动电阻或动力制动单元构成。
13.3.3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13-3-10a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13-3-10b所示的电压波形。
（a）单相桥式逆变电路 （b）工作电压波形
图13-3-10 逆变器工作原理
2．逆变电路的基本形式
（1）半桥逆变电路
电路结构及其工作原理：V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io波形随负载而异，感性负载时，图13-3-11b，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量，VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。
图13-3-11 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形
（2）全桥逆变电路
电路结构及工作情况：
图13-3-12，两个半桥电路的组合。1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180°。uo波形同图5-6b。半桥电路的uo幅值高出一倍Um=Ud，io波形和图13-3-12（b）中的io相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。
图13-3-12
13.3.4 SPWM控制技术
在异步电动机恒转矩的变频调速系统中，随着变频器输出频率的变化，必须相应的调节其输出电压。按变频器的输出的电压和频率的控制方式分为PAM和PWM。
PAM（Pulse Amplitude Modulation）脉幅调制型变频，是一种通过改变电压源的电压Ud或电流源Id的幅值，进行输出控制的方式。它在逆变器部分只控制频率，在整流电路和中间电路部分控制输出电压和电流。有于PAM存在一些固有的缺陷，目前变频器中已很少应用。
PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调制型变频，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。脉宽调制的方法很多，以调制脉冲的极性分，可分为单极性调制和双极性调制两种；以载频信号与参考信号频率之间的关系分，可分为同步调制和异步调制两种。
1．SPWM控制的基本原理
全控型电力电子器件的出现，使得性能优越的脉宽调制（PWM）逆变电路应用日益广泛。这种电路的特点主要是：可以得到相当接近正弦波的输出电压和电流，所以也称为正弦波脉宽调制SPWM。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。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
2．SPWM逆变电路的控制方式
（1）单极性方式
（2）双极性PWM控制方式
3．SPWM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。
4．SPWM波形形成的方式
（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。
（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。
13.3.5交流变频器
变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。
1．变频器元件作用
（1）交-直部分
电容C1：是吸收电容,整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波，变压器是一种常见的电气设备， 可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。
图13-3-19
压敏电阻：有三个作用,一过电压保护,二耐雷击要求,三安规测试需要.
热敏电阻：过热保护
霍尔:安装在UVW的其中二相,用于检测输出电流值。选用时额定电流约为电机额定电流的2倍左右。
充电电阻：作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容。开机前电容二端的电压为 0V；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥毁坏。一般而言变频器的功率越大，充电电阻越小。充电电阻的选择范围一般为：10-300Ω。
储能电容：又叫电解电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。PN端的电压电压工作范围一般在 430VDC～700VDC 之间，而一般的高压电容都在 400VDC左右，为了满足耐压需要就必须是二个400VDC的电容串起来作800VDC。容量选择≥60uf/A
均压电阻：防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容；因为二个电解电容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏 。
C2电容：吸收电容,主要作用为吸收IGBT的过流与过压能量。
（2）直-交部分
VT1-VT6逆变管（IGBT绝缘栅双极型功率管）：构成逆变电路的主要器件，也是变频器的核心元件。把直流电逆变频率，幅值都可调的交流电。
VT1-VT6是续流二极：作用是把在电动机在制动过程中将再生电流返回直流电提供通道并为逆变管VT1-VT6在交替导通和截止的换相过程中，提供通道。
（3）控制部分:电源板、驱动板、控制板（CPU板）
电源板：开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路、检测电路及风扇等提供低压电源，开关电源提供的低压电源有：±5V、±15V 、±24V向CPU及其附属电路、控制电路、显示面板等提供电源。
驱动板：主要是将CPU生成的PWM脉冲经驱动电路产生符合要求的驱动信号激励IGBT输出电压。
控制板（CPU板）：也叫CPU板相当人的大脑，处理各种信号以及控制程序等部分。
（4）保护电路
当变频器出现异常时，为了使变频器因异常造成的损失减少到最小，甚至减少到零。每个品牌的变频器都很重视保护功能，都设法增加保护功能，提高保护功能的有效性。在变频器保护功能的领域，厂商可谓使尽解数，作好文章。这样，也就形成了变频器保护电路的多样性和复杂性。有常规的检测保护电路，软件综合保护功能。有些变频器的驱动电路模块、智能功率模块、整流逆变组合模块等，内部都具有保护功能。
【教学方法】
课堂教学采用板书和多媒体教学手段相结合的方法，其多媒体使用率在 60％以上。并辅助之以课堂讨论、习题分析以及实验教学。用于基本概念、理论、方法及应用的课堂讲授约占总学时的70％的时间。习题课、实验操作约占总学时的30％的时间。本课程安排的实验课，以便学生掌握基本实验技能。
1．在开始阅读某一章教材之前，先阅读大纲中有关这一章的考核知识点及考核目标，对知识点能力层次即：识记、理解、应用的要求，做到有的放矢。
2．阅读教材，要逐段细读，逐句推敲，集中精力，吃透每个知识点。对基本概念——深刻理解，对基本原理——彻底弄清，对基本方法——牢固掌握。
3．在学习过程中，要边思考问题，边做好阅读笔记，把教材中的基本概念、原理、方法等加以整理，从中加深对问题的认识、理解和记忆，以利于突出重点，并涵盖全面，不断提高自学能力。
4．做每一章的练习题，能及时理解、消化和巩固所学知识，培养分析问题、解决问题的能力。
【教学总结】
1．这一节概念新，理论抽象，应采用模型或挂图配合讲解，有经验的教师一般不用挂图，边讲边画。
2．讲半导体的一般概念，要注意“少而精”的原则，紧扣教材，不要轻易扩展内容，着重讲透变频器的工作原理，适时地中间电路、逆变电路、SPWM技术等电路工作原理。
3．这一节是教学重点，首先要简述变频器工作原理的概念，让学生建立起变频的初步形象，其次指出了解SPWM的工作原理、掌握SPWM在变频电路中的重要性，从而引起学生的重视。
4．掌握桥式变频电路的工作原理是本节的中心目的，通过分析变频电路的基本组成结构及各部分功能作用。
【教学时间分配】
一、组织教学（2分钟）
二、复习旧课（6分钟）
三、导入新课（2分钟）
四、讲授课题（70分钟）
五、课题总结（6分钟）
六、课后作业（4分钟）
（讲解）
（讲解）
观看PPT：单相桥式整流)
（提问：变频器中间电路的组成及各组成单元的作用）
(观看PPT：逆变电路)
(观看PPT：SPWM控制技术)
(观看PPT：交流变频器)