交直交變頻電路基礎(chǔ)解析

1、第六章第六章 交交-直直-交變頻電路基礎(chǔ)交變頻電路基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 變頻器的基本概念變頻器的基本概念第四節(jié)第四節(jié) 全控型器件逆變器全控型器件逆變器6.1 變頻器的基本概念變頻器的基本概念一一.變頻器的基本工作原理變頻器的基本工作原理1.變頻器的電路構(gòu)成整流器輸入AC濾波器逆變器DCDCAC輸出整流器整流器: :將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能, 可以是不可控的，也可以是可控的。濾波器濾波器: :將脈動的直流量濾波成平直的直流量,可以對直流電壓濾波(用電容),也可以對直流電流濾波(用電感)逆變器逆變器:將直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔?直接供給負(fù)載,它的輸出頻率和電壓均與交流輸入電源無關(guān),稱為無

2、源逆變器。它是變頻器的核心。因為逆變器的負(fù)載為異步電動機(jī)，屬于感性負(fù)載，無論電動機(jī)處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會為1，總會有無功功率的交換，要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件來緩沖。6.1 變頻器的基本概念變頻器的基本概念2.變頻器的工作原理改變對負(fù)載的供電電壓改變對負(fù)載的供電頻率對變頻器的要求：以單相橋式逆變電路為例S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。用可控開通，可控關(guān)斷的電力電子開關(guān)，切換電流方向，將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2負(fù)載6.1 變頻器的基本概念變頻器的基本概念2.變頻器的工作原理S1、S4閉合，S2、S3

3、斷開時，負(fù)載電壓uo為正S1、S4斷開，S2、S3閉合時，負(fù)載電壓uo為負(fù)6.1 變頻器的基本概念變頻器的基本概念2.變頻器的工作原理改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。電阻負(fù)載時，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時，io相位滯后于uo，波形也不同。a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2負(fù)載阻感負(fù)載工作過程分析：t1前：S1、S4通，uo和io均為正。t1時刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負(fù)，但io不能立刻反向。io從電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時刻降為零，之后io才反向并增大6.1 變頻

4、器的基本概念變頻器的基本概念2.變頻器的工作原理變頻器常用的調(diào)壓方法:可控整流器調(diào)壓：可控整流器調(diào)壓：根據(jù)負(fù)載對變頻器輸出電壓的要求，通過可控整流器 實現(xiàn)對變頻器輸出電壓的調(diào)節(jié)。直流斬波器調(diào)壓：直流斬波器調(diào)壓：采用不可控整流器，保證變頻器電源側(cè)有較高的功率 因數(shù)，在直流環(huán)節(jié)中設(shè)置直流斬波器完成電壓調(diào)節(jié)。逆變器自身調(diào)壓：逆變器自身調(diào)壓：采用不可控整流器，通過逆變器自身的電子開關(guān)進(jìn)行 斬波控制，使輸出電壓為脈沖列。改變輸出電壓脈沖 列的脈沖寬度，便可達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。這種 方法稱為脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation-PWM)根據(jù)調(diào)制波形的不同，可分為：單脈沖調(diào)制：單脈沖調(diào)

5、制：在輸出電壓波形的半周期內(nèi)只有一個脈沖。多脈沖調(diào)制：多脈沖調(diào)制：在輸出電壓波形的半周期內(nèi)有多個脈沖。正弦波脈寬調(diào)制：正弦波脈寬調(diào)制：在輸出電壓波形的半周期內(nèi)為多脈沖調(diào)制，而且每個 脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化。6.1 變頻器的基本概念變頻器的基本概念二二.變頻器中逆變器的基本類型變頻器中逆變器的基本類型1.按直流輸入端濾波器分類電壓型逆變器：電流型逆變器：中間直流環(huán)節(jié)采用大電容作為濾波器，逆變器的輸入電壓平直且電源阻抗很小，類似于電壓源。中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為濾波器，逆變器的輸入電流平直且電源阻抗很大，類似于電流源。6.1 變頻器的基本概念變頻器的基本概念2.按電子開關(guān)的開關(guān)頻率分類：導(dǎo)電型

6、逆變器導(dǎo)電型逆變器和00120180導(dǎo)電型逆變器018000180606通導(dǎo)通，每個電子開關(guān)導(dǎo)個電子開關(guān)按順序相差當(dāng)三相逆變器的進(jìn)行。在同一相的兩個橋臂上個電子開關(guān)導(dǎo)通，換流任何時刻都有3的功率因數(shù)無關(guān)。其輸出電壓波形與負(fù)載ZZZABCZZZZZZ+-E+-E+-EABCABC00600001206000180120N+V1V4V5ZZZABCE-V3V6V2u2uaubucOt半周期內(nèi)星形負(fù)載的等值電路為：6.1 變頻器的基本概念變頻器的基本概念導(dǎo)電型逆變器012000120606通導(dǎo)通，每個電子開關(guān)導(dǎo)個電子開關(guān)按順序相差當(dāng)三相逆變器的行。在同一組相鄰橋臂上進(jìn)個電子開關(guān)導(dǎo)通，換流任何時刻都有

7、2率因數(shù)的影響。幅值和相位均受負(fù)載功其輸出電壓波形及基波ZZZABCZZZZZZ+-E+-E+-EABCABC00600001206000180120N+V1V4V5ZZZABCE-V3V6V2u2uaubucOt半周期內(nèi)星形負(fù)載的等值電路為：6.1 變頻器的基本概念變頻器的基本概念三三.逆變器中的電子開關(guān)逆變器中的電子開關(guān)1.逆變器對電子開關(guān)的要求：對正向電流既能控制開通，又能控制關(guān)斷。高開關(guān)速度和低能量損耗。有足夠的電壓和電流定額。提供滯后電流通路。采用逆導(dǎo)型電力電子開關(guān)(由單向?qū)щ婋娮娱_關(guān)與開關(guān)二極管反并聯(lián)而成)2.器件換流方式：電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱換相換相自換流型

8、：自換流型：采用全控型器件。強(qiáng)迫換流：強(qiáng)迫換流：附加強(qiáng)迫換流環(huán)節(jié)實現(xiàn)晶閘管的關(guān)斷。負(fù)載換流：負(fù)載換流：利用負(fù)載電流自然過零實現(xiàn)晶閘管的關(guān)斷。6.4 全控型器件逆變器全控型器件逆變器+-RLa)ttOO導(dǎo)通導(dǎo)通元件元件b)UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2C1C2一一.單相半橋式逆變器單相半橋式逆變器1.主電路2.工作過程及波形分析的濾波環(huán)節(jié)。另一方面又是直流電源壓電路，一方面是直流電源的分和電容21CCV1和V2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補(bǔ)，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2

9、V1或V2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。6.4 全控型器件逆變器全控型器件逆變器二二.單相全橋式逆變器單相全橋式逆變器+-CRLa)UdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4ttOO導(dǎo)通導(dǎo)通元件元件b)Um-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V4V3VD3VD2VD1VD4V1V4VD3VD2VD1VD41.主電路2.工作過程及波形分析1和4一對，2和3另一對，成對橋臂 同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180uo波形同半橋電路的uo，幅

10、值高出一倍Um=Udio波形和半橋電路的io相同，幅值增加一倍。當(dāng)負(fù)載為感性時，V1 、 V4關(guān)斷后，由VD2、VD3提供負(fù)載續(xù)流回路，電流過零時V2 、 V3導(dǎo)通；V2 、 V3關(guān)斷后，由VD1、VD4提供負(fù)載續(xù)流回路，電流過零時V1 、 V4導(dǎo)通；6.4 全控型器件逆變器全控型器件逆變器三三.三相橋式電壓型逆變器三相橋式電壓型逆變器V1V4V5ABCU-V3V6V2VD1VD3VD5VD4VD6VD2+2U2UO3M為反饋二極管為主開關(guān)元件組成由晶體管和反饋二極管個橋臂的電子開關(guān)逆變器61616VDVDVV導(dǎo)電型用，全控器件逆變器多采電型導(dǎo)也可以導(dǎo)通導(dǎo)電型導(dǎo)通，每個元件可以個元件依次相差觸

11、發(fā)，的順序按000654321180)180(2),120(366TTTVVVVVV反饋二極管用于提供負(fù)載滯后電流通路，可向電源反饋能量。反饋二極管與晶體管配合工作，在主開關(guān)元件關(guān)斷后，同一相另一橋臂上的反饋二極管導(dǎo)通，為負(fù)載續(xù)流。6.4 全控型器件逆變器全控型器件逆變器三三.三相橋式電壓型逆變器三相橋式電壓型逆變器V1V4V5ABCU-V3V6V2VD1VD3VD5VD4VD6VD2+2U2UO3M的電壓。對電源中點是的電壓，進(jìn)線端對繞組中點為電動機(jī)三相繞組OOuOuuuOCBA,頻率就可以改變輸出電壓的控制信號的周期，改變61 VVPWM控制技術(shù)控制技術(shù)PWM控制技術(shù)控制技術(shù)方波窄脈沖三角

12、波窄脈沖單位沖擊函數(shù)正弦半波窄脈沖f (t)d (t)tOa)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖沖量沖量指窄脈沖的面積指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同PWM控制技術(shù)控制技術(shù)Ou tSPWM波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。Ou tOu tOu tPWM控制技術(shù)控制技術(shù) 對于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OtUd-Ud 根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應(yīng)用中更為廣泛。OtUd-Ud根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計算P

13、WM 波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通 斷，就可得到所需PWM波形本法較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化 時，結(jié)果都要變化計算法計算法PWM控制技術(shù)控制技術(shù)把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，經(jīng)過信號波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。在載波與調(diào)制波的交點時刻對電路中開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，得到寬度正比于調(diào)制信號波幅值的脈沖。PWM控制技術(shù)控制技術(shù)SPWMSPWMSPWM是指按正弦波規(guī)律調(diào)制輸出脈沖列電壓中的各脈沖寬度，使輸出脈沖列電壓在斬控周期內(nèi)的平均值對時間按正弦規(guī)律變化。SPWM技術(shù)采用等腰三角波電壓作為載波信號，正弦波電壓作為調(diào)制信號，通過正弦波

14、電壓與三角波電壓信號相比較的方法，確定各分段矩形脈沖的寬度。由于三角波兩腰間的寬度隨其高度線性變化，當(dāng)任一條不超過三角波幅值的光滑曲線與三角波相交時，都會得到脈沖寬度正比于該曲線值的一組等幅，等距的矩形脈沖列。故用正弦波電壓信號作為調(diào)制信號時，可獲得脈寬正比于正弦值等幅等距的矩形脈沖列。根據(jù)三角波和正弦波相對極性不同，可分為單極性SPWM和雙極性SPWM。PWM控制技術(shù)控制技術(shù) 結(jié)合結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進(jìn)行說明單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進(jìn)行說明信 號 波載 波圖 6-4調(diào) 制電 路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc工作時V1和V2通斷互補(bǔ)，

15、V3和V4通斷也互補(bǔ)u控制規(guī)律：控制規(guī)律：負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時，uo等于UdV4關(guān)斷時，負(fù)載電流通過V1和VD3續(xù)流，uo=0=0負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間， V1和V4仍導(dǎo)通，io為負(fù)，實際上io從VD1和VD4 流過， 仍有uo=UdV4關(guān)斷V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0=0uo總可得到Ud和零兩種電平uo負(fù)半周，讓V2保持通，V1保持?jǐn)?，V3和V4交替通斷，uo可得- -U Ud d和零兩種電平以uo正半周為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。1.1.單極性單極性PWMPWM控制方式控制方式圖6-

16、5urucuOtOtuouofuoUd- Ud保持相同極性與即為負(fù)極性三角波負(fù)半周：為正極性三角波正半周：為正弦波調(diào)制信號crcrcrruuuuuuu信 號 波載 波圖 6-4調(diào) 制電 路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc03421OcrdOcrruVuuuuVuuVVu導(dǎo)通，時，導(dǎo)通，時，保持?jǐn)鄳B(tài)保持通態(tài)，正半周：dOcrOcrruuVuuuVuuVVu導(dǎo)通，時，導(dǎo)通，時，保持通態(tài)保持?jǐn)鄳B(tài)，負(fù)半周：342102.2.雙極性雙極性PWMPWM控制方式控制方式信 號 波載 波圖 6-4調(diào) 制電 路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc極性有正有負(fù)負(fù)半周：極性有正有負(fù)正半周：為正弦波