交直交變頻電路基礎(chǔ)

1、交直交變頻電路基礎(chǔ)第1頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日6.1 變頻器的基本概念一.變頻器的基本工作原理1.變頻器的電路構(gòu)成整流器: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:將脈動(dòng)的直流量濾波成平直的直流量,可以對(duì)直流電壓濾波(用電容),也可以對(duì)直流電流濾波(用電感) 因?yàn)槟孀兤鞯呢?fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載，無論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會(huì)為1，總會(huì)有無功功率的交換，要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件來緩沖。整流器輸入AC濾波器逆變器DCDCAC輸出第2頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日變頻器的電路

2、構(gòu)成逆變器: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),稱為無源逆變器。它是變頻器的核心。整流器輸入AC濾波器逆變器DCDCAC輸出第3頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日變頻器的基本工作原理2.變頻器的工作原理以單相橋式逆變電路為例S1S4是橋式電路的4個(gè)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)載改變對(duì)負(fù)載的供電電壓改變對(duì)負(fù)載的供電頻率對(duì)變頻器的要求：第4頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日變頻器

3、的工作原理S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)第5頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日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(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同。阻感負(fù)載工作過程分析：t1前：S1、S4通，uo和io均為正。t1時(shí)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(shí)刻降為零，之后io才反向并增大a)b)tS1S2S

4、3S4iouoUduoiot1t2負(fù)載第6頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日變頻器的工作原理3.變頻器常用的調(diào)壓方法:可控整流器調(diào)壓：根據(jù)負(fù)載對(duì)變頻器輸出電壓的要求，通過可控整流器 實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器輸出電壓的調(diào)節(jié)。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：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：

5、單脈沖調(diào)制：在輸出電壓波形的半周期內(nèi)只有一個(gè)脈沖。多脈沖調(diào)制：在輸出電壓波形的半周期內(nèi)有多個(gè)脈沖。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(gè)脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化。第7頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日二.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。第8頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日2.按電子開關(guān)的開關(guān)頻率分類：半周期內(nèi)星形負(fù)載

6、的等值電路為：N+V1V4V5ZZZABCE-V3V6V2u2uaubucOwtZZZABCZZZZZZ+-E+-E+-EABCABC00600001206000180120第9頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日按電子開關(guān)的開關(guān)頻率分類半周期內(nèi)星形負(fù)載的等值電路為：行。在同一組相鄰橋臂上進(jìn)個(gè)電子開關(guān)導(dǎo)通，換流任何時(shí)刻都有2N+V1V4V5ZZZABCE-V3V6V2u2uaubucOwtZZZABCZZZZZZ+-E+-E+-EABCABC00600001206000180120第10頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日三.逆變器中的電子開關(guān)1.逆變器對(duì)電

7、子開關(guān)的要求：對(duì)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(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱換相自換流型：采用全控型器件。強(qiáng)迫換流：附加強(qiáng)迫換流環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)晶閘管的關(guān)斷。負(fù)載換流：利用負(fù)載電流自然過零實(shí)現(xiàn)晶閘管的關(guān)斷。第11頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日6.4 全控型器件逆變器一.單相半橋式逆變器1.主電路2.工作過程及波形分析V1和V2柵極信號(hào)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

8、/2V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時(shí)，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。+-RLa)ttOO導(dǎo)通元件b)UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2C1C212CC電容和一方面是直流電源的分壓電路，另一方面又是直流電源的濾波環(huán)節(jié)。第12頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日二.單相全橋式逆變器1.主電路2.工作過程及波形分析V1和V4一對(duì)， V2和V3另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通

9、，兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通.uo波形同半橋電路的uo，幅值高出一倍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(shí)，V1 、 V4關(guān)斷后，由VD2、VD3提供負(fù)載續(xù)流回路，電流過零時(shí)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(shí)V1 、 V4導(dǎo)通；+-CRLa)UdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4ttOO導(dǎo)通元件b)Um-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V4V3VD3VD2VD1VD4V1V4VD3VD2VD1VD4第13頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日三. 三相橋式電壓型逆變器1.主電路結(jié)構(gòu)NN

10、+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2第14頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日三相橋式電壓型逆變器-主電路結(jié)構(gòu) 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。NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2第15頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日三相橋式電壓型逆變器-主電路結(jié)構(gòu)三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路可看成由三個(gè)半

11、橋逆變電路組成NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2第16頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日三相橋式電壓型逆變器2.控制方式NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2第17頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日180導(dǎo)電方式 每橋臂導(dǎo)電180，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120 任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流三相橋式電壓型逆變器NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2V

12、D3VD4VD5VD6Ud2Ud2第18頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日3.波形分析 負(fù)載各相到電源中點(diǎn)N的電壓：U相，1通 uUN=Ud/2， 4通，uUN=-Ud/2三相橋式電壓型逆變器NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2第19頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日三相橋式電壓型逆變器-波形分析 負(fù)載線電壓 負(fù)載相電壓NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2UVUNVNVWVNWNWUWNUN uuuuuuuuu=-=-=-UNUN NN V

13、NVN NN WNWN NN uuuuuuuuu=-=-=-第20頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日三相橋式電壓型逆變器-波形分析負(fù)載相電壓負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓 負(fù)載三相對(duì)稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是 NN UN VN WN UNVNWN11()()33uuuuuuu=+-+NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2第21頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日電壓型三相橋式逆變電路的工作波形三相橋式電壓型逆變器-波形分析NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD

14、5VD6Ud2Ud2tOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)uUNuUNuUViUuVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3第22頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日三相橋式電壓型逆變器V1V4V5ABCU-V3V6V2VD1VD3VD5VD4VD6VD2+2U2UO3M第23頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日6.5 PWM控制技術(shù)PWM (Pulse Width Modulation)：脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制技術(shù)：通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等 效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值） PWM控制的思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使得

15、實(shí)現(xiàn)PWM控制變得十分容易。 PWM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝置的性 能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。 現(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術(shù)。第24頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日一. PWM控制的基本原理方波窄脈沖三角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)理論基礎(chǔ) 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(shí)，其效果基本相同。第25頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，

16、5月20日，9點(diǎn)7分，星期日i(t )e(t) 實(shí)例以上實(shí)例說明了“面積等效原理”電路輸入：e(t)電路輸出：i(t)PWM控制的基本原理第26頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日1. 如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替正弦半波SPWM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。二.正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)OutOutOut第27頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù) 對(duì)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(gè)完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud SPWM是指按正弦波規(guī)律調(diào)制輸

17、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(duì)時(shí)間 按正弦規(guī)律變化。第28頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù) 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(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。OwtUd-Ud第29頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日調(diào)制法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM 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(shí)，結(jié)果都要變化計(jì)算法2. 正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）原理把希望輸出的波

18、形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，經(jīng)過信號(hào)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(diǎn)時(shí)刻對(duì)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(hào)波幅值的脈沖。第30頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）原理根據(jù)三角波和正弦波相對(duì)極性不同，可分為：?jiǎn)螛O性SPWM雙極性SPWM SPWM技術(shù)采用等腰三角波電壓作為載波信號(hào)，正弦波電壓作為調(diào)制信號(hào)，通過正弦波電壓與三角波電壓信號(hào)相比較的方法，確定各分段矩形脈沖的寬度。第31頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù) 結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對(duì)

19、調(diào)制法進(jìn)行說明工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)控制規(guī)律：以u(píng)o正半周為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷信號(hào)波載波圖6-4調(diào)制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc第32頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日（1）單極性PWM控制方式信號(hào)波載波圖6-4調(diào)制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc圖6-5urucuOwtOwtuouofuoUd-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(hào)crcrcrruuuuuuu=03421OcrdOcrruVuuuuVuuVVu導(dǎo)通，

20、時(shí)，導(dǎo)通，時(shí)，保持?jǐn)鄳B(tài)保持通態(tài)，正半周：=dOcrOcrruuVuuuVuuVVu導(dǎo)通，時(shí)，導(dǎo)通，時(shí)，保持通態(tài)保持?jǐn)鄳B(tài)，負(fù)半周：34210第33頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日（2）雙極性PWM控制方式信號(hào)波載波圖6-4調(diào)制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc圖6-6urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud極性有正有負(fù)負(fù)半周：極性有正有負(fù)正半周：為正弦波調(diào)制信號(hào)crcrruuuuu=導(dǎo)通和導(dǎo)通和關(guān)斷，和導(dǎo)通，和時(shí)，4141324100VDVDiVViuuVVVVuuOOdOcr=導(dǎo)通和導(dǎo)通和導(dǎo)通，和關(guān)斷，和時(shí)，3232324100VViVDVDiuuVVVVuuOOdOcr第34頁(yè)，共38頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)7分，星期日3.異步調(diào)制和同步調(diào)制載波比載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，N= fc / fr根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制(1) 異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定