交-直-交变频器介绍
交交变频与交直交变频的对比
交直交变频定义
交直交变频是一种将直流电转换为交流电的电力电子技术。
它首先将直流电通过电力电子器件转换成交流电，然后通过 滤波和调节控制，输出所需频率和电压的交流电。
工作原理概述
交交变频器通常由两组反并联的晶闸管组成，通过控制晶闸管的导通角来改变输 入交流电的相位角，从而实现频率的变换。
交直交变频器则是由整流器和逆变器组成，通过控制逆变器的开关状态来改变输 出交流电的频率和电压。
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交交变频与交直交变 频的对比
目录
• 定义与原理 • 电路结构与特点 • 应用场景与优缺点 • 性能参数比较 • 发展趋势与展望
01
定义与原理
交交变频定义
交交变频是一种将工频交流电转换为 另一种频率交流电的电力电子技术。
它通过改变输入交流电的频率，输出 不同频率的交流电，以满足各种电机 调速和控制系统对电源的要求。
交直交变频应用场景
01
新能源领域
在风力发电和太阳能发电等新能源领域，交直交变频器用于控制风力发
电机和太阳能逆变器的运行，实现最大功率点跟踪和并网发电。
02
电动汽车驱动
在电动汽车和混合动力汽车中，交直交变频器用于驱动电动机，实现车
辆的加速、减速和制动等功能。
03
工业传动领域
在工业传动领域，交直交变频器用于控制各种电动机的速度和转矩，实
交交变频和交直交变频技术的不断创新和发展， 将推动电力传动技术的进步和发展。
促进节能减排
推广变频器在各领域的应用，有助于实现节能减 排和绿色发展目标。
ABCD
提高能源利用效率
通过应用变频器技术，实现对电机的高效控制和 精确调速，提高能源的利用效率。
交-交变频器和交直交变频器的工作原理_理论说明
交-交变频器和交直交变频器的工作原理理论说明1. 引言1.1 概述交流变频器和交直交变频器作为电力调节装置在现代工业领域具有广泛的应用。
它们通过控制电压和频率来实现对电动机转速的调节，从而满足不同工况下的需求。
本文将深入探讨这两种变频器的工作原理及其理论说明。
1.2 文章结构本文将分为五个部分进行阐述。
第一部分为引言，介绍文章的背景和目标；第二部分将详细阐述交流变频器的工作原理，包括基本原理、输入输出特性以及控制策略；第三部分将重点讲解交直交变频器的工作原理，包括脉宽调制技术、桥式整流器以及逆变器设计；第四部分将通过建立数学模型并进行系统特性分析，展示这些变频器工作原理的模拟与分析过程；最后一部分是结论，总结文章要点并展望这些变频器在未来的研究意义与发展前景。
1.3 目的本文旨在全面了解和揭示交流变频器和交直交变频器的工作原理，并通过数学模型建立与系统特性分析来更好地理解其原理与工作机制。
通过本文的阅读，读者将能够深入了解交流变频器和交直交变频器在工业领域中的应用以及其对电动机的调节控制效果，为相关技术的研究和实践提供有益参考。
这样会清晰重点说明引言部分的内容。
2. 交流变频器的工作原理:2.1 基本原理：交流变频器是一种电力调节设备，用于将固定频率和振幅的交流电转换为可调节频率和振幅的交流电。
其基本原理是通过控制电压和频率来实现对电机转速的调节。
在交流变频器中，主要由三个部分组成：整流器、逆变器和中间直流环节。
整流器将交流电源转换为直流，并通过逆变器将直流电源再次转换为可调节的交流电源。
2.2 输入输出特性：交流变频器通常具有宽输入电压范围和高输出功率因数。
可以接受不同工作条件下的输入，如不同的供应电压、负载波动等，并产生稳定且可调节的输出。
其中，输入特性包括输入相位角、输入功率因数等；输出特性包括额定输出功率、容量因数、效率等。
这些特性决定了交流变频器在工业应用中的适用性以及对于不同负载情况下的响应能力。
变频器的基础知识
变频器在长时间运行过程中保持性能 稳定的能力，包括温度稳定性、电气 性能稳定性等。
04 变频器的应用领域
工业自动化
电机控制
01
变频器在工业自动化领域中广泛应用于电机控制，通过调节电
源频率来改变电机转速，实现生产线的自动化和高效化。
过程控制
02
变频器能够精确控制工业生产过程中的各种参数，如流量、压
直接转矩控制
通过控制电机的磁通和转矩来直接控制电机的输 出转矩和速度，具有快速响应和良好的动态性能。
调速性能指标
调速范围
变频器能够调节的电机转速范围，通常 以最高转速与最低转速的比值来表示。
动态响应时间
从设定值变化到实际输出值所需的时 间，要求快速响应以减小对机械系统
的冲击。
调速精度
调速过程中实际转速与设定转速的偏 差，一般要求精度在±5%以内。
其他领域
楼宇自动化
变频器在楼宇自动化领域中用于控制 空调系统、电梯和照明等设备的运行 ，提高楼宇的能源效率和舒适度。
医疗器械
变频器在医疗器械中用于控制设备的 运行速度和精度，如呼吸机、输液泵 等，保障患者的安全和治疗质量。
05 变频器的选型与使用注意 事项
选型原则
根据电机功率选择合适的变频器
在选择变频器时，应确保其能够满足电机的功率需求，同时 留有一定的余量。
保护电路
在变频器出现异常时，及时切断主电 路和控制电路的电源，保护变频器和 电机不受损坏。
保护电路
过流保护
检测主电路的电流，当电流超过设定值时， 保护电路动作，切断电源。
欠压保护
检测直流母线的电压，当电压低于设定值时， 保护电路动作，切断电源。
过压保护
交直交电流型变频器主电路的组成及各部分的作用
交直交电流型变频器主电路的组成及各部分的作用导语：交-直-交电流型变频器是指在逆变器的直流侧串联平波电抗器，使得直流电平直，形成电流源，可以方便地实现负载能量向电网回馈，可以快速、频繁地实现四象限运行，同时可以实现电流的闭环控制，提高了装置的可靠性。
交直交变频器的主电路包括哪些组成：1、主电路;2、控制电路;3、外接端子;4、操作面板四部分组成。
1、主电路：是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感，包括：(1)整流电路：用来把三相交流电整流成直流电;(2)滤波电路：用来把整流后的脉动的直流通过储能元件，变为较为平滑的的直流。
，滤波电路还可以提高功率因数;(3)逆变电路：用来把直流电逆变为交流电，最常见的是用6个逆变模块组件组成三相桥式逆变电路，由CPU来控制逆变器的通断，可以得到任意频率的三相交流电的输出;2、控制电路：有运算电路、检测电路、控制信号的输入输出和驱动电路等构成;3、外接端子：主电路的三相电源接线端子、电动机端子、直流电抗器接线端子、制动单元和制动电阻接线端子;4、操作面板：操作面板用来设定变频器的控制功能、参数和频率设定等。
交-直-交电流型变频器是指在逆变器的直流侧串联平波电抗器，使得直流电平直，形成电流源，可以方便地实现负载能量向电网回馈，可以快速、频繁地实现四象限运行，同时可以实现电流的闭环控制，提高了装置的可靠性。
适用于单机快速调速系统。
顺变器的作用是将定压定频的交流电变换为可调直流电，通过电压型或电流型滤波器为逆变器提供直流电源。
逆变器将直流电源变为可调频率的交流电。
第1章通用变频器的基本工作原理1.1交直交变频器的基本
套三相桥式无环流反并联的可逆装置。正、反向两组晶 阐管按一定周期相互切换。正向组工作时，反向组关断， 在负载上得到正向电压；反向组工作时，正向组关断， 在负载上得到反向电压。工作晶阐管的关断通过交流电 源的自然换相来实现。这样，在负载上就获得了交变的 输出电压uo。
有的交一交变压变频装置用电抗器将输出电流强 制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，它 也是电流源型变频器。
注意几点：从主电路上看，电压源型变频器和电 流源型变频器的区别仅在于中间直流环节滤波器 的形式不同，但是这样一来，却造成两类变频器 在性能上相当大的差异，主要表现如下：
(1) 无功能量的缓冲 对于变压变频调速系统来说，变频器的负载是异
3、逆变电路——直－交部分
逆变电路是交－直－交变频器的核心部分，其中6个三 极管按其导通顺序分别用 VT1～VT6表示，与三极管反向并 联的二极管起续流作用。
按每个三极管的导通电角度又分为120°导通型和 180°导通型两种类型。
逆变电路的输出电压为阶梯波，虽然不是正弦波，却是 彼此相差120°的交流电压，即实现了从直流电到交流电的 逆变。输出电压的频率取决于逆变器开关器件的切换频率， 达到了变频的目的。
交－交变频器主要用于大容量交流电动机调速，几乎没 有采用单相输入的，主要采用三相输入。主回路有三脉波零 式电路（有18个晶闸管）、三脉波带中点三角形负载电路 （有12个晶闸管）、三脉波环路电路（有9个晶闸管）、六脉 波桥式电路（有36个晶闸管）、十二脉波桥式电路等多种。
用的最多的是六脉波桥式电路，又分为分离负载桥式电 路和输出负载Y联结两种型式。
U
额定电压
L n P 基频 f
图1.1.11 电压与频率之间的关系
交--交变频器与交--直--交变频器有什么区别
1交直交电压型变频器，此类变频器价格比较贵，另外技术上存在二大问题，一是存在中间整流滤波环节，故效率比较低，二是当电动机处于发电状态能量返回电网困难，通常是接通电阻回路把能量消耗掉，这样一方面增大设备的体积，另一方面能量未得到利用，是极大的浪费，为了使能量能得到利用，可增加有源逆变电路，但这又增加成本和电路的复杂性。
交交变频器其工作原理是将三相工频电源经过几组相控开关控制直接产生所需要变压变频电源，其优点是效率高，能量可以方便返回电网，其最大的缺点输出的最高频率必须小于输入电源频率1/3或1/2，否则输出波形太差，电机产生抖动，不能工作。
故交交变频器至今局限低转速调速场合，因而大大限制了它的使用范围。
2交- 交变频技术交-交变频器采用晶闸管自然换流方式，工作稳定，可靠，适合作为双馈电机转子绕组的变频器电源，交交变频的最高输出频率是电网频率的1/3-1/2，在大功率低频范围有很大的优势。
交交变频没有直流环节，变频效率高，主回路简单，不含直流电路及滤波部分，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈容易。
虽然交交变频双馈系统得到了普遍的应用，但因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄，使用元件数量多使之应用受到了一定的限制。
矩阵式变频器是一种交交直接变频器，由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成。
矩阵变换器没有中间直流环节，输出由三个电平组成，谐波含量比较小；其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压；矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作。
虽然矩阵变换器有很多优点，但是在其换流过程中不允许存在两个开关同时导通的或者关断的现象，实现起来比较困难。
矩阵变换器最大输出电压能力低，器件承受电压高也是此类变换器一个很大缺点。
应用在风力发电中，由于矩阵变换器的输入输出不解耦，即无论是负载还是电源侧的不对称都会影响到另一侧。
另外，矩阵变换器的输入端必须接滤波电容，虽然其电容的容量比交直交的中间储能电容小，但由于它们是交流电容，要承受开关频率的交流电流，其体积并不小。
变频器基本知识
概述变频器就是利用电力半导体器件的通断作用将固定电压、频率的交流电变换为频率、电压都连续可调的交流电的装置，主要用于对异步电动机的调速控制，它与电动机之间连接框图如图1-1所示。
按变频器的电路组成分类:从变频器的电路组成来看，变频器可分为交-交变频器和交-直-交变频器。
1.交-交变频器它是将频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源，其主要优点是没有中间环节，变换效率高。
但其连续可调的频率范围窄，所采用的器件多，其应用收到很大限制。
2、交-直-交变频器先将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过逆变电路，把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电，由于把直流电逆变成交流电较易控制，因此在频率的调节范围，以及变频后电动机特性改善等方面，都具有明显优势，目前使用最多的变频器均属于交-直-交变频器。
根据直流环节的储能方式来分，交-直-交变频器又可分为电压型和交流电源变频器电动机负载电流型两种。
1）电压型整流后若是靠电容来滤波，这种交-直-交变频器称为电压型变频器,而现在使用的变频器大部分为电压型。
2）电流型整流后若是靠电感来滤波，这种交-直-交变频器称为电流型变频器，这种型式的变频器较为少见。
根据调压方式的不同，交-直-交变频器又可分为脉幅调制（PAM）和脉宽调制（PWM）两种。
3）脉幅调制（PAM）变频器输出电压的大小是通过改变直流电压（UD）来实现的，这种方法现在已经很少采用。
4）脉宽调制（PWM）变频器输出电压的大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的。
目前使用最多的是占空比按正弦规律变化的正弦波脉宽调制，即SPWM方式。
按变频器的控制方式分类按不同的控制方式，变频器可分为U/f控制、矢量控制（VC）和直接转矩控制三种类型。
按变频器的用途分类根据用途的不同变频器可分为通用变频器和专用变频器。
目前变频器技术主要发展方向为：1、高水平的控制2、网络智能化3、结构小型化4、高集成化5、专门化6、开发清洁电能的变频器图2-2 交-直-交电压型变频器典型主电路整流器由VD1～VD6组成三相整流桥，它们将三相380V工频交流电整流成直流，设电源的线电压有效值为UL，那么三相全波整流后的平均直流电压UD大小是：UD=1.35UL=513V整流管VD1～VD6通常采用可以承受高电压大电流具有较大耗散功率的电力二极管，中间电路中间电路包括滤波电路、限流电路和制动电路三部分。
交-直-交
比N是变化的。
在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较 高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。
2.同步调制
载波比N等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调 制方式称为同步调制。在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载 波比N不变。调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是 固定的。
（1）自然取样法
此方法与采用模拟电路由硬件自然确定SPWM脉冲宽度的方法很相似， 故称为自然取样法。然而微机是采用计算的办法，寻找三角载波uΔ与参考 正弦波uR的交点，从而确定SPWM脉冲宽度的。
（二）规则取样法
规则取样法就是用UR和UΔ 近似交点A和B代替实际的交点Aˊ和Bˊ。用以确定 SPWM脉冲信号的。这种方法虽然有一定的误差，但却大大减小了计算工作量。由下 图可很容易地求出规则取样法的计算公式。
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第3章 交-直-交变频技术
本章要点 交—直—交变频的基本电路
脉冲调制型变频 谐振型变频
1-1变频电路的基本概念
一、交流变频电源的用途 1、标准50Hz电源： 2、不间断电源UPS 3、中频装置：冶金、感应加热、淬火 4、变频调速 二、变频器的分类及组成 1、变频器的分类 （1）交——交变频器 （2）交—直—交变频器 2、交—直—交变频器的组成 （1）电压型变频器 （2）电流型变频器
脉宽调制（简称PWM）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，所以脉冲调制方法对PWM型变频的性能具有根本 性的影响。
（2）电压调节方式 ①PAM调节方式:电压调节在直流侧完成，逆变器只变频
A、采用可控整流器整流，通过对触发脉冲的相位控 制直接得到可调直流电压。电路简单，但电网侧功率因数 低，特别是低电压时，更为严重。
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3. 输出电流波形
图5-6 三相变换器△接阻抗负载电压电流波形
5.2.2 电流型变换器
1. 电路结构
• 电流型变换器的电路原理图如图5-7所示，电流型变换 器的特点是直流电源接有很大的电感，从逆变器向直 流电源看过去电源内阻为很大的电流源，保证直流电 流基本无脉动。
2．工作原理
• 电流型变换器的基本工作方式是120º 导通方式，即每 个开关管导通 120º，按 VT1 到 VT6 的顺序每隔 60º依次 导通。其变换器输出电流波形如图5-8所示。 • 在电流型变换器中，为吸收换相时负载电感中的能量， 如图5-7所示，在交流输出侧加入了电容器。在换相时， 由于负载电感中的能量给电容充电，从而变换器的输 出电压出现电压尖峰。
• 图5-11
形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
• 图5-12画出了一正弦波的正半波，并将其划分为k等分 (图中k＝7)。将每一等分中的正弦曲线与横轴所包围的 面积都用一个与此面积相等的等高矩形波所替代，从 而得到一组等效于正弦波的一组等幅不等宽的矩形脉 冲的方法称为逆变器的正弦脉宽调制(SPWM)。
第5章 交-直-交变换器
• 主要内容：
• 电压型和电流型变换器原理；
• SPWM型变换器。
5.1 简
介
• 交-直-交变换器就是把工频交流电先通过整流器整流成直 流，而后再通过变换器，把直流电逆变成为频率可调的交 流电。 • 交-直-交变换器可分为电压型和电流型。SPWM型变换器 是给逆变器固定的直流电压，通过开关元件有规律的导通 和关断，得到由宽度不同的脉冲组成的电压波形，削弱和 消除某些高次谐波，得到具有较大基波分量的正弦输出电 压。
• 状态1，0°~60°期间，开关元件5、6、1导通，相当于5、 6、 1开关闭合。输出端 U、 W 接到电源正极， V端接电源负 极，线电压 UUV=Ud ， UVW= -Ud ， UWU=0 ， UUN=UWN=+Ud/3 ， UVN= -Ud/3。依次类推其他 5个状态内 UUN。 UVN和 UWN波形 与UUN一样，只是时间上滞后120°和240°。 • 综上所述，交-直-交变频原理为频率不变的交流电源经整流 器变为直流电，再经逆变器，在其开关元件有规律的导通和 关断，即每隔60°导通一个，导通180°后关断，一个周期 中变换器输出的线电压为方形波，相电压为六阶梯波的交流 电。改变元件导通与关断的频率快和慢，就能改变输出交流 电频率高和低，改变直流环节电压高和低，就能调节交流输 出电压幅值大与小。
• 图 51 5 三 相 S P W M 波 形
3．SPWM的优点
• 图 53 三 相 变 换 器 输 出 电 压 波 形
•
三相线电压为 120°宽交变方波。图 5-3(a) 、 (b) 、 (c) 中电压波形幅值为Ud/2的矩形波。 • 线电压的有效值：
UL 1
(U AB ) d (ωt )
2
2 3 0
1
2 2 3 U d d (ωt ) 0
2 U d 0.816U d (5-4) 3
• 线电压基波分量有效值：
U1L
6
ud 0.78ud
(5-5)
• 这种变换器向对称的星形连接的负载供电，输出线对 中点的电压即相电压波形，在每个周期中有六个不同 状态，故称六阶梯波，如图5-4所示。
• 图5-4 三相变换 电压型与电流型变换器
5.2.1 电压型变换器
1．电路结构
•
电压型变换器的特点是直流电源接有很大 的滤波电容，从逆变器向直流电源看过去 电源内阻为很小的电压源，保证直流电压 稳定。
2. 输出电压波形
• 开关元件每隔60°电角度按标号1、2、3、4、 5、6的次序导通，每个元件导通180°就关断， 即同一支臂的两个元件一个导通，另一个关断， 经过360°完成输出电压波形的一个周期。
• 三相桥式逆变器
• 在双极性SPWM控制方式中，同一相上、下两个 臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上、 下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断 信号后，再延迟时间，才给另一个臂施加导通信 号。延迟时间的长短主要由功率开关器件的关断 时间决定。这个延迟时间将会给输出的SPWM波 形带来影响，使其偏离正弦波。
2．单极性调制
3．双极性调制
• 一般将正弦调制波的幅值与三角载波的峰值之 比定义为调制度M(亦称调制比或调制系数。 • 在SPWM变换器中，使用最多的是三相桥式逆 变器。三相桥式逆变器一般都采用双极性控制 方式。U、V和W三相的SPWM的控制通常公 用一个三角波载波信号，用三个相位互差 120°的正弦波作为调制信号，以获得三相对 称输出。U、V和W各相功率开关器件的控制规 律相同。
5.4.1 正弦脉宽调制原理及其优点
• 1．SPWM原理
• 根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲作 用于惯性系统上时，其输出响应基本相同，且脉冲越 窄，输出的差异越小。它表明，惯性系统的输出响应 主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉 冲的形状无关. • 图5-11给出了几种典型的形状不同而冲量相同的窄脉 冲。他们的面积(冲量)均相同。当它们分别作用在同一 个的惯性系统上时，其输出响应波形基本相同。当窄 脉冲变为图5-11 (d)所示的单位脉冲函数时，系统的响 应则变为脉冲过渡函数。
图5-8 电流型变换器输出电流波形
• 由电压型变换器的波形分析可类推得电流型变换器的 输出基波电流有效值为 6 I U1 I d 0.78I d (5-6)
5.3 电压型变换器与电流型 变换器的比较
5.4 脉宽调制(SPWM)变换器
• 功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型 晶体管(BJT、MOSFET、IGBT)是自关断器件。 用它们作开关元件构成的SPWM变换器，可使装 置的体积小、斩波频率高、控制灵活、调节性能 好、成本低。SPWM变换器，简单地说，是控制 逆变器开关器件的通断顺序和时间分配规律，在 变换器输出端获得等幅、宽度可调的矩形波。这 样的波形可以有多种方法获得。