_DC-AC變換電路_無源部分

1、1電力電子技術電力電子技術 第五章第五章 DC-AC變換電路變換電路-無源逆變部分無源逆變部分電力電子技術2本章教學目的和要求本章教學目的和要求基本概念：逆變，變頻，兩者間的關系 脈寬調(diào)制（PWM）的基本原理 恒壓頻比控制方式學完本章之后，應能理解變頻器的基本工作原理變頻器的基本工作原理電力電子技術3本節(jié)主要內(nèi)容變頻電路基本概念 無源逆變器的基本工作原理及應用脈寬調(diào)制（PWM）基本原理電力電子技術4 一 變頻電路的基本概念變頻變頻：一種頻率的交流電另外一種頻率的交流電從變頻過程可分為：交流交流交流交流變頻也稱為直接變頻 交直交交直交變頻直流到交流的過程稱為逆變，是間接變頻的核心環(huán)節(jié)。交直交電壓

2、型PWM變頻電路電力電子技術5第一節(jié) 變頻電路的基本概念 逆變：將直流電變換成交流電；根據(jù)交流電的用途可以分為有源逆變有源逆變和無源逆變無源逆變。有源逆變：把交流電回饋電網(wǎng)；產(chǎn)生有源逆變的條件產(chǎn)生有源逆變的條件無源逆變：把交流電供給負載。例如 UPS 無源逆變就是通常說到的變頻。電力電子技術6l以單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理- - 如何實現(xiàn)如何實現(xiàn)直流到交流的變換直流到交流的變換？5.3.1 逆變電路的基本工作原理圖5-6 逆變電路及其波形舉例負載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。電力電子

3、技術7逆變電路基本工作原理逆變電路基本工作原理如何實現(xiàn)直流到交流的變換？S1、S4閉合，S2、S3斷開，uo輸出為正；反之，uo為負直流電直流電 交流電交流電電力電子技術85.3.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路最基本的工作逆變電路最基本的工作原理原理 改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖5-6 逆變電路及其波形舉例b)tuoiot1t2電阻負載電阻負載時，負載電流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感負載阻感負載時，i io o相位滯后于u uo o，波形也不同。負載a)S1S2S3S4iouoUd電力電子技術9涉及的問題電感性負載感性負載時，電流不能發(fā)生突變，否

4、則會感應出大的瞬時電壓，損壞開關器件晶閘管兩端反并聯(lián)一續(xù)流二極管續(xù)流二極管當VT1、VT4換流關斷，VT2、VT3觸發(fā)導通時，負載電流由于電感的作用，依然保持原來的方向，由A向B，通過續(xù)流二極管VD3、VD2續(xù)流。能量返送電源。直到負載電流下降到0時，VT2、VT3才能夠被觸發(fā)導通。此時，從電源提供給負載反向電流。電力電子技術10涉及的問題 換流換流換流電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱換換相相，換流實質(zhì)就是電流在不同橋臂之間的轉(zhuǎn)移。當電路中的開關器件采用晶閘管晶閘管時，需要解決晶閘管的關晶閘管的關斷斷問題問題。開通：承受正壓時，適當?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使其開通關斷：全控型器件可通過門極

5、關斷半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關斷一般在晶閘管兩端施加一定時間反壓晶閘管兩端施加一定時間反壓，使電流過零后關斷電力電子技術115.3.2 換流方式分類1) 器件換流（Device Commutation）利用全控型器件的自關斷能力進行換流。在采用IGBT 、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2) 電網(wǎng)換流（Line Commutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關斷的晶閘管上即可使其關斷。不需要器件具有門極可關斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3) 負載換流（Load Commutation）4)

6、強迫換流（Forced Commutation）電力電子技術12換流方式換流方式逆變電路的換流方式逆變電路的換流方式全控器件組成的逆變電路：器件換流器件換流晶閘管無源逆變電路常用的換流方式有以下兩種：1）負載換流負載換流（Load Commutation） 由負載提供換流電壓稱為負載換流； 這種換流，主電路不需要附加換流環(huán)節(jié)，也稱為自然換流。2）強迫換流強迫換流（Forced Commutation） 附加換流電路，在換流時產(chǎn)生一個反向電壓關斷晶閘管。 也稱為脈沖換流，如圖所示，利用電容電壓使導通的晶閘管承受反壓而關斷。電力電子技術135.3.2 換流方式分類-負載換流負載換流圖5-7 負載換

7、流電路及其工作波形 由負載提供換流電壓的換流方式。負載電流的相位超前于負載電壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流。如圖是基本的負載換流負載換流電路，4個橋臂均由晶閘管組成。整個負載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。直流側(cè)串電感，工作過程可認為id 基本沒有脈動。負載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小。所以uo接近正弦波接近正弦波。注意注意觸發(fā)VT2、VT3的時刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4電力電子技術14器件換流適用于全控型器件其余三種方式針對晶閘管器件換流和強迫換流屬

8、于自換流電網(wǎng)換流和負載換流外部換流當電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅熄滅換流方式小結(jié)換流方式小結(jié)電力電子技術15逆變電路的應用中頻感應加熱裝置感應加熱的基本原理 法拉第電磁感應定律：當電路圍繞的區(qū)域內(nèi)存在交變的磁場時，電路兩端就會感應出電動勢，如果閉合就會產(chǎn)生感應電流。 電流的熱效應可用來加熱。 在第一個線圈中突然接通直流電流（即將圖中開關S突然合上）或突然切斷電流（即將圖中開關S突然打開），此時在第二個線圈所接的電流表中可以看出有某一方向或反方向的擺動。這種現(xiàn)象稱為電磁感應現(xiàn)象，第二個線圈中的電流稱為感應電流，第一個線圈稱為感應線圈。 通斷頻率越

9、高，則感生電流將會越大。 感應電源通常需要輸出高頻大電流 。電力電子技術16 圖 銅具焊接1感應線圈 2零件 1212圖 熔煉爐1感應線圈 2金屬溶液電力電子技術17高頻電源 利用高頻電源來加熱通常有兩種方法： 感應加熱：利用高頻電流 電介質(zhì)加熱：利用高頻電壓（比如微波爐加熱等）當高頻電壓加在兩極板層上，就會在兩極之間產(chǎn)生交變的電場。需要加熱的介質(zhì)處于交變的電場中，介質(zhì)中的極分子或者離子就會隨著電場做同頻的旋轉(zhuǎn)或振動，從而產(chǎn)生熱量，達到加熱效果。電力電子技術185.4 電壓型和電流型逆變器1）逆變電路的分類 根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同，或根據(jù)最靠近逆變橋的直流濾波方式直流

10、濾波方式不同電壓(源)型逆變電路 Voltage Source Type Inverter-VSTI直流側(cè)是電壓源電壓源電流 (源)型逆變電路 Current Source Type Inverter-VSTI直流側(cè)是電流源電流源電力電子技術195.2 電壓型逆變電路2）電壓型逆變電路的特點圖5-5 電壓型全橋逆變電路 (1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動無脈動。 (2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同。 (3)阻感負載時需提供無功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。電力電子技術20電壓型逆變器大電容濾波，輸出電壓比較平直

11、，波形為交變矩形波，逆變器輸出的電流波形接近正弦波。電流型逆變器大電感濾波，電流比較平直，電壓波形接近正弦。兩者的對比可參考表74圖圖 電壓型和電流型逆變器原理圖電壓型和電流型逆變器原理圖電力電子技術21主電路結(jié)構(gòu)控制器件的導通規(guī)律交直交電壓型PWM變頻電路正弦波電力電子技術22第四節(jié) 脈寬調(diào)制技術脈沖寬度調(diào)制技術：PWM (Pulse Width Modulation) 對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)常用于電壓型逆變器，可以通過調(diào)節(jié)脈沖寬度和周期來控制輸出電壓 如直流斬波電路，斬控式調(diào)壓電路 最常用的是正弦脈寬調(diào)制技術，和正弦波等效的PWM波形。電力電子

12、技術23PWM控制的基本原理控制的基本原理理論基礎面積等效原理理論基礎面積等效原理 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同 沖量沖量指窄脈沖的面積 效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同 如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異f (t)(t)tO圖6-1a)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)圖7-4-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖電力電子技術24PWM控制的基本原理b)圖7-4-2 沖量相等的各種窄脈沖的響應波形具體的實例說明“面積等效原理面積等效原理”a）u (t)電壓窄脈沖，是電路的輸入 。 i (t)輸

13、出電流，是電路的響應。 電力電子技術25PWM控制的基本思想用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波正弦半波正弦半波N等分等分，可看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等面積（沖量）相等寬度按正弦規(guī)律變化圖 用PWM波代替正弦半波SPWM波形波形脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可電力電子技術26OutSPWM波PWM控制的基本思想Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Out電力電子技術27PWM控制的基

14、本思想若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。SPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波OutOut電力電子技術28PWM波的獲取方法波的獲取方法1）計算法 根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形。 本法較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化。電力電子技術292) 調(diào)制法調(diào)制法實際中普遍使用的是調(diào)制法。在調(diào)制法中，把所希望輸出的波形稱為調(diào)制波或參考波（Reference）ur，把接受調(diào)制的信號稱為載波（Carrier）uc，通過對載波的

15、調(diào)制可以得到所希望的脈沖寬度調(diào)制波形?；蛴胾S、uT表示。結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進行說明圖圖7-4-3 三角波調(diào)制的三角波調(diào)制的PWM波原理圖波原理圖動畫演示動畫演示電力電子技術30uur正半周正半周，V1保持通通，V2保持斷斷。 當uruc時使V4通，V3斷，uo=Ud 。 當uruc時時，給V1和V4導通信號，給V2和V3關斷信號。 如如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=Ud 。 當當uruc時時，給V2和V3導通信號，給V1和V4關斷信號。 如如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud 。圖7-28 雙極性PWM控制方式波形在ur和uc的交點時刻

16、控制IGBT的通斷。電力電子技術322.3） PWM主要參數(shù)主要參數(shù)1) 調(diào)制比M2) 載波比KrmcmUMUcrfKf電力電子技術33SPWM波生成的基本方法波生成的基本方法1) 采用模擬電路生成采用模擬電路生成SPWM波形波形按照SPWM產(chǎn)生的原理，是用分立的模擬或數(shù)字電路來構(gòu)成正弦信號發(fā)生器、三角波發(fā)生器生成調(diào)制波和載波，再通過比較器自動完成兩者交點的確定，即可在比較器的輸出端直接輸出SPWM矩形波。這種方法的實時性好，但其電路復雜、可靠性低，靈活性差，輸出波形優(yōu)化困難。為增加該方法的靈活性和可靠性，也有利用單片機的計算與存儲功能和D/A轉(zhuǎn)換器參與三角波和正弦波的生成或直接生成SPWM波

17、形。電力電子技術342) 直接采用集成電路產(chǎn)生直接采用集成電路產(chǎn)生SPWM波波采用集成電路產(chǎn)生SPWM波的方法簡單可靠，方便易行。3) 采用微處理器的采用微處理器的SPWM控制控制近年來微處理器的發(fā)展特別迅速，許多廠商開發(fā)了專門用于電機控制的微處理器或數(shù)字信號處理器(DSP)。這些微處理器有專用的輸出端口，可在軟件支持下產(chǎn)生SPWM波形。電力電子技術35電力電子技術36第五節(jié) 交流變頻調(diào)速原理1調(diào)速原理調(diào)速原理 同步電機和異步電機轉(zhuǎn)速表達式：p：電機極對數(shù)f：定子電源頻率s：轉(zhuǎn)差率其中改變頻率 f 的調(diào)速方式最為理想。60/60 (1)/nfpnfsp電力電子技術37第五節(jié) 交流變頻調(diào)速原理2

18、調(diào)速控制方式恒壓頻比控制調(diào)速控制方式恒壓頻比控制 ( U/f )由電機學可知，為了使電機鐵磁材料得到充分利用，一般都使其磁通保持在額定磁通狀態(tài)磁通保持在額定磁通狀態(tài)。異步電機定子繞組感應電動勢E 為：U：定子每相輸入電壓有效值f：定子頻率(Hz)N：定子每相繞組匝數(shù)Kw：繞組系數(shù)：每極氣隙磁通(Wb)為避免電動機因頻率變化導致磁飽和而造成勵磁電流增大，引起功率因數(shù)和效率的降低，需對變頻器的電壓和頻率的比率進行控制，使該比率保持恒定，即恒壓頻比控制，以維持氣隙磁通為額定值。VVVF( Variable Voltage Variable Frequency ) 變壓變頻4.44WUEfNK電力電子

19、技術38第五節(jié) 交流變頻調(diào)速原理2調(diào)速控制方式恒壓頻比控制調(diào)速控制方式恒壓頻比控制 ( U/f )由電機學可知，為了使電機鐵磁材料得到充分利用，一般都使其磁通保持在額定磁通狀態(tài)磁通保持在額定磁通狀態(tài)。異步電機 電動勢的表達式為：為避免電動機因頻率變化導致磁飽和而造成勵磁電流增大，引起功率因數(shù)和效率的降低，需對變頻器的電壓和頻率的比率進行控制，使該比率保持恒定，即恒壓頻比控制，以維持氣隙磁通為額定值。恒壓頻比控制是比較簡單，被廣泛采用的控制方式。該方式被用于轉(zhuǎn)速開環(huán)的交流調(diào)速系統(tǒng)，適用于生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能要求不高的場合。VVVF( Variable Voltage Variable

20、 Frequency ) 變壓變頻4.44WUEfNK電力電子技術39變頻器的優(yōu)缺點優(yōu)點：交流電動機的調(diào)速節(jié)能，如風機、泵類負載，負荷低時降低轉(zhuǎn)速缺點輸出波形為高頻脈沖信號，基波分量為正弦波，但高次諧波會對電動機造成不良影響 變頻電機高次諧波會帶來電磁干擾電力電子技術403. 交交變頻電路交交變頻電路本節(jié)講述：晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)交交變頻電路把電網(wǎng)固定頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電，屬于直接變頻電路廣泛用于大功率交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)，實用的主要是三相輸出交交變頻電路電力電子技術41交交變頻電路1電路構(gòu)成和基本工作原理電路構(gòu)成 如圖7-30，由P

21、組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和直流電動機可逆調(diào)速用的四象限變流電路完全相同 變流器P和N都是相控整流電路ZPN輸出電壓平均輸出電壓圖4-18OuouoP=0P=2P=2t圖7-30 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形電力電子技術42交交變頻電路工作原理工作原理P組工作時，負載電流io為正N組工作時，io為負兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率o改變變流電路的控制角，就可以改變交流輸出電壓的幅值電力電子技術43交交變頻電路為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對角進行調(diào)制在半個周期內(nèi)讓P組角按正弦規(guī)律從90減到0或某個值，再增

22、加到90，每個控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零。另外半個周期可對N組進行同樣的控制uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波電力電子技術441OO23456圖4-20uoiott圖7-30 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形考慮無環(huán)流工作方式下io過零的死區(qū)時間，一周期可分為6段第1段io 0，反組逆變第2段電流過零，為無環(huán)流死區(qū)第3段io 0， uo 0，正組整流電力電子技術45第4段io 0， uo 0，正組逆變第5段又是無環(huán)流死區(qū)第6段io 0， uo 0，為反組整流uo和io的相位差小于90時，一周期內(nèi)電網(wǎng)向

23、負載提供能量的平均值為正，電動機工作在電動狀態(tài)當二者相位差大于90時，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負載提供能量的平均值為負，電網(wǎng)吸收能量，電動機為發(fā)電狀態(tài)電力電子技術46小結(jié)掌握變頻相關的基本概念和PWM基本原理電力電子技術47第二節(jié)第二節(jié) 諧振型逆變電路諧振型逆變電路一、并聯(lián)諧振型逆變電路一、并聯(lián)諧振型逆變電路（1）電路結(jié)構(gòu)）電路結(jié)構(gòu)電路原理圖如圖7-4所示：也稱為單相電流型逆變電路，一般用于中頻加熱電源。 VT1VT4以1k5kHz的中頻輪流導通，可以在負載得到中頻交變電流。利用金屬在交變磁場中產(chǎn)生磁滯和渦流效應，使金屬熔化。橋臂串入4個電感器，用來限制晶閘管開通時的電流上升率di/dt。電力電子技術4

24、8負載電路負載電路負載一般是電磁感應線圈，用來加熱線圈的導電材料。等效為R、L串聯(lián)電路。并聯(lián)電容C，和R、L可以構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，因此，這種電路叫并聯(lián)諧振式逆變電路。同時，電容C可以提高功率因數(shù)。直流側(cè)串入大電感Ld， id基本沒有脈動電力電子技術49（2）工作原理）工作原理輸出的電流波形接近矩形波，含有基波和高次諧波，且諧波的幅值小于基波的幅值。波形如圖7-6所示?；l率接近負載諧振的頻率，負載對基波呈高阻抗。對諧波呈低阻抗，諧波在負載的壓降很小。因此，負載的電壓波形接近于正弦波。一個周期中，有兩個導通階段和兩個換流階段。電力電子技術50（2 2）工作原理）工作原理t1t2階段VT1，VT

25、4穩(wěn)定導通階段，io=Id；t2時刻以前在電容C建立左正右負的電壓。電力電子技術51（2 2）工作原理）工作原理t2t4：t2時刻觸發(fā)VT2，VT3，進入換流階段。LT使VT1，VT4不能立即關斷，電流有一個減小的過程。VT2，VT3的電流有一個增大的過程。相當于4個晶閘管全部導通。負載電容電壓經(jīng)過兩個并聯(lián)的放電回路放電。LT1VT1VT3LT3C，另一條：LT2VT2VT4LT4C。電力電子技術52（2 2）工作原理）工作原理t=t4時刻，VT1，VT4的電流減小到零而關斷，換流過程結(jié)束。t4t2稱為換流時間。由于容性負載，電流為0時，晶閘管承受反向電壓，可以使晶閘管VT1、VT4順利關斷。電力電子技術53為了可靠關斷可靠關斷晶閘管，不導致逆變失敗，晶閘管需要一段時間才能恢復阻斷能力，換流結(jié)束以后，還要讓讓VT1，VT4承受一段時間承受一段時間的反向電壓的反向電壓。這個時間稱為t=t5-t4，t應該大于晶閘管的關斷時間tq。為了保證可靠換流。應該在電壓uo過零前t=t5-t2觸發(fā)VT2，VT3。t稱為觸發(fā)引前時間， t=t+t，電流i0超前電壓U0的時間為：t=t+0.5 t。電力電子技術54二、串聯(lián)諧振逆變器換流電容與