整流、逆變、斬波、交交變換四種功率變換器.doc

論述整流、逆變、斬波、交交變換四種功率變換器的工作原理,包含電路結(jié)構(gòu),控制思想,工作波形,輸入輸出關(guān)系,諧波分析等方面內(nèi)容。整流、逆變、斬波、交交功率變換器是能將電力從交流轉(zhuǎn)換為直流、直流轉(zhuǎn)換為直流 、 直流轉(zhuǎn)換為交流、交流轉(zhuǎn)換為交流（交流控制器），變頻率交流 轉(zhuǎn)換為交流（周波變換器）的四種類型的電力電子變換器。變換器被廣泛用 于加熱和燈光控制，交流和直流電源，電化學(xué)過程，直流和交流電極驅(qū)動(dòng)，靜態(tài)無 功補(bǔ)償，有源諧波濾波等等。一、整流功率變換器的工作原理整流器的主要應(yīng)用是把交流電源轉(zhuǎn)為直流電源。常見的有二極管整流變換器和晶閘管整流變換器。二極管整流器不提供任何一種控制輸出電流和電壓數(shù)值的手段。為了適用于工業(yè)過程，輸出值必須在一定范圍內(nèi)可以控制。通過應(yīng)用機(jī)械的所謂有載抽頭變換器可以完成這種控制。作為典型情況，有載抽頭變換器在整流變壓器的原邊控制輸入的交流電壓，因此也就能夠在一定范圍內(nèi)控制輸出的直流值。通常有載抽頭變換器與串聯(lián)在整流器輸出電路中的飽和電抗器結(jié)合使用。通過在電抗器中引入直流電流，使線路中產(chǎn)生一個(gè)可變的阻抗。因此，通過控制電抗器兩端的電壓降，輸出值可以在比較窄的范圍內(nèi)控制。其原理圖1如下。晶閘管(Thyristor)是晶體閘整流管的簡稱，又稱作可控硅整流器(Silicon Controlled RectifierSCR)，以前被簡稱為可控硅。由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地位?？煽毓枋撬膶尤私Y(jié)構(gòu)元件，共有三個(gè)PN結(jié)，其等效圖解如圖2所示當(dāng)陽極A加上正向電壓時(shí)，BG1和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時(shí)，如果從控制極G輸入一個(gè)正向觸發(fā)信號，BG2便有基流ib2流過，經(jīng)BG2放大，其集電極電流ic2=2ib2。因?yàn)锽G2的集電極直接與BG1的基極相連，所以ib1=ic2。此時(shí)，電流ic2再經(jīng)BG1放大，于是BG1的集電極電流ic1=1ib1=12ib2。這個(gè)電流又流回到BG2的基極，表成正反饋，使ib2不斷增大，如此正向饋循環(huán)的結(jié)果，兩個(gè)管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋?zhàn)饔?，所以一旦可控硅?dǎo)通后，即使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號只起觸發(fā)作用，沒有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。二、逆變功率變換器的工作原理:逆變功率變換器的基本作用是將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源。其原理是逆變電路中由六個(gè)開關(guān)組成了一個(gè)三相橋式電路。交替打開和關(guān)斷這六個(gè)開關(guān)，就可以在輸出端得到相位上各相差120（電氣角）的三相交流電源。該交流電源的頻率由開關(guān)頻率決定，而幅值則等于直流電源的幅值。為了改變該交流電源的相序從而達(dá)到改變異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的目的，只要改變各個(gè)開關(guān)打開和關(guān)斷的順序即可。 在圖3給出的逆變電路的原理圖中，當(dāng)位于同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)處于開通狀態(tài)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀換流器件。所以在實(shí)際的逆變功率變換器中還設(shè)有各種相應(yīng)的輔助電路，以保證逆變電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時(shí)對換流器件進(jìn)行保護(hù)。 在由逆變功率變換器所完成的將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源的過程中，在實(shí)際的逆變電路中采用半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件。半導(dǎo)體開關(guān)器件的種類很多，如晶閘管、晶體管、GTO、IGBT等。三、斬波功率變換器的工作原理：斬波變換器是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為DC/DC變換。其原理是利用功率組件對固定電壓的電源做適當(dāng)切割以達(dá)成負(fù)載端電壓改變目的。若其輸出電壓較輸入電源電壓低，稱為降壓式(Buck )直流斬波器，若其輸出電壓較輸入電源電壓高，則稱為升壓式(Boost)直流斬波器;如圖4(a)所示為直流斬波器基本電路圖，圖4(b)所示為負(fù)載電壓波形，可看出當(dāng)直流斬波器導(dǎo)通(Ton)時(shí)，負(fù)載端之電壓Vo等于電源電壓Vs，當(dāng)直流斬波器截止(Toff)時(shí)，負(fù)載端之電壓Vo為0，適當(dāng)?shù)目刂浦绷鲾夭ㄆ骺墒怪绷麟娫磾嗬m(xù)的出現(xiàn)在負(fù)載側(cè)，只要控制直流斬波器的導(dǎo)通時(shí)間，即可改變負(fù)載的平均電壓。 常見改變方式為1.周期T固定，導(dǎo)通時(shí)間Ton改變，稱脈波寬度調(diào)變(Pulse-width Modulation PWM)。2.導(dǎo)通時(shí)間Ton固定，周期T改變，稱頻率調(diào)變(Frequency Modulation FM)。 3.周期T及導(dǎo)通時(shí)間Ton 同時(shí)改變，即波寬調(diào)變及頻率調(diào)變混合使用。在實(shí)際應(yīng)用中，因直流斬波器常需在負(fù)載端接上濾波電感及濾波電容，若頻率改變過大對電感及電容影響大，因此多數(shù)采用脈波寬度調(diào)變。 用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(2030)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源)， 同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。四、交交變換器的工作原理交-交變換器是把電網(wǎng)固定頻率的交流電，經(jīng)過功率半導(dǎo)體電路變換成另一種頻率和電壓的交流電的變換。通過電力電子變換裝置把一種交流電直接變成另一種同頻率不同電壓交流電的變換稱之為交流調(diào)壓 。交流調(diào)壓器的控制方式有三種： a) 整周波通斷控制 b) 相位控制 c) 斬波控制相位控制交流調(diào)壓又稱相控調(diào)壓，是交流調(diào)壓中的基本控制方式，應(yīng)用最廣。交流調(diào)壓器的輸出仍是同頻率的交流電，原則上可應(yīng)用于一切需要調(diào)壓的交流負(fù)載上，也可通過變壓器再調(diào)壓。交流調(diào)壓器是通過改變電壓波形來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的，因此輸出的電壓波形不再是完整的正弦波，諧波分量較大。從調(diào)壓器輸入端所觀察到的調(diào)壓器及其負(fù)載的總體功率因數(shù)也隨著輸出電壓的降低而降低。但這種交流調(diào)壓器控制方便、體積小、投資省，因此廣泛應(yīng)用于需調(diào)溫的工頻加熱、燈光調(diào)節(jié)及風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的異步電機(jī)調(diào)速等場合。通過電力電子變換裝置把一種交流電直接變換成另一種不同頻率交流電的變換稱之為交-交變頻，也有稱之為周波變換器、周期變換器。其原理由兩組三相可控整流電路反并聯(lián)組成的可逆電路，其輸出電壓和電流的方向及大小是可以任意改變的。若使其輸出的電壓或電流以一定的頻率正負(fù)交替變化，這就得到了一個(gè)單相交-交變頻器。若以這樣的三個(gè)單相交-交變頻器互差1