第講變頻器原理及應用

變頻器原理及應用第3講1第一頁，共40頁?？偨Y功率二極管〔D〕晶閘管〔SCR〕門極可關斷晶閘管〔GTO〕電力晶體管〔GTR〕功率場效應晶體管〔P-MOSFET〕2第二頁，共40頁。2.6絕緣柵雙極晶體管〔IGBT〕2.6.1IGBT的構造a)b)c)d)圖2-24IGBT構造示意圖、電路符號和等效電路a)IGBT模塊b)IGBT構造示意圖c)電路符號d)等效電路3第三頁，共40頁。2.6.2IGBT的根本特性

1)傳輸特性2)輸出特性

傳輸特性>>集電極電流Ic-柵極-發(fā)射極電壓UGEUGE輸出特性>>集電極電流Ic-集-射極電壓UCEUCEUCE4第四頁，共40頁。2.6.3IGBT的主要參數(shù)〔P26〕1)集電極-發(fā)射極額定電壓UCES2)柵極-發(fā)射極額定電壓UGES3)額定集電極電流IC，4)集電極-發(fā)射極飽和電壓UEC(sat)5)開關頻率〔100kHz以下〕5第五頁，共40頁。2.6.4IGBT的驅(qū)動電路

1〕電壓驅(qū)動，～5V的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此IGBT對柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動電路必須很可靠，要保證有一個低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。2〕用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。IGBT開通后，柵極驅(qū)動源能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。3〕驅(qū)動電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號。4〕驅(qū)動電平+UGE的選擇必須綜合考慮。在有短路過程的設備中，由于負載短路時的IC增大，IGBT能承受短路電流的時間減少，對其平安不利，因此UGE應獲得小一些，一般為12～15V。5〕在關斷過程中，為盡快抽取PNP管的存儲電荷，應施加一負偏壓UGE，但其受IGBT的G、E間的最大反向耐壓限制，一般取-1～-10V。6〕在大電感負載下，IGBT的開關時間不能太短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓，確保IGBT的平安。7〕由于IGBT在電力電子設備中多用于高壓場合，故驅(qū)動電路與控制電路在電位上應嚴格隔離。8〕IGBT的柵極驅(qū)動電路應簡單實用，其自身帶有對IGBT的保護功能，有較強的抗干擾才能。6第六頁，共40頁。2.7集成門極換流晶閘管IGCT7第七頁，共40頁。2.8智能功率模塊(IPM)8第八頁，共40頁。本章小結根底知識重點：常用電力電子器件的根本特性電力電子器件簡介常用電力電子器件的根本特性不控器件：DIODE半控器件：SCR，全控器件：GTO，復合器件：IGBT，IGCT功率集成電路：IPM9第九頁，共40頁。第三章

交-直-交變頻技術

圖3-1交-直-交變頻器的主電路框圖交-直-交變頻器：主電路包括三個組成部分：整流電路中間電路逆變電路10第十頁，共40頁。3.1整流電路

3.1.1不可控整流電路

不可控整流電路使用的元件：功率二極管，不可控整流電路按輸入交流電源的相數(shù)不同分：單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路。

1.組成：三相橋式整流電路共有六只整流二極管，其中VD1、VD3、VD5三管子的陰極連接在一起，稱為共陰極組；VD4、VD6、VD2三只管子的陽極連接在一起，稱為共陽極組11第十一頁，共40頁。三相不可控整流電路分析2.原理：共陰極組三只二極管VD1、VD3、D5在t1、t3、t5換流導通；共陽極組三只二極管VD2、VD4、VD6在t2、t4、t6換流導通。一個周期內(nèi)，每只二極管導通1／3周期，即導通角為120°。通過計算可得到負載電阻

RL上的平均電壓為：UoU2

12第十二頁，共40頁。3.1.2可控整流電路三相橋式全控整流電路，如圖3-4所示。

圖3-4三相橋式可控整流電路1.組成：三相橋式整流電路共有六只晶閘管，其中VT1、VT3、VT5三管子的陰極連接在一起，稱為共陰極組；VT4、VT6、VT2三只管子的陽極連接在一起，稱為共陽極組13第十三頁，共40頁。2.電路工作原理

三相交流電源電壓uR、uS、uT正半波的自然換相點為1、3、5，負半波的自然換相點為2、4、6。當α＝0°時，讓觸發(fā)電路先后向各自所控制的6只晶閘管的門極(對應自然換相點)送出觸發(fā)脈沖，即在三相電源電壓正半波的1、3、5點向共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5輸出觸發(fā)脈沖；在三相電源電壓負半波的2、4、6點向陽極組晶閘管VT2、VT4、VT6輸出觸發(fā)脈沖，負載上所得到的整流輸出電壓ud波形如圖3-5b

所示的由三相電源線電壓uRS、uRT、uST、

uSR、uTR和uRS的正半波所組成的包絡線。圖3-5b三相橋式全控電路電壓波形

14第十四頁，共40頁。3.可控整流電路控制原那么1)三相全控橋整流電路任一時刻必須有兩只晶閘管同時導通，才能形成負載電流，其中一只在共陽極組，另一只在共陰極組。2)整流輸出電壓ud波形是由電源線電壓uRS、uRT、uST、uSR、uTR和uRS的輪流輸出所組成的。晶閘管的導通順序為：〔VT6和VT1〕→〔VT1和VT2〕→〔VT2和VT3〕→〔VT3和VT4〕→〔VT4和VT5〕→〔VT5和VT6〕。3)六只晶閘管中每管導通120°，每間隔60°有一只晶閘管換流。1〕采用單寬脈沖觸發(fā)，2〕采用雙窄脈沖觸發(fā)。4.對觸發(fā)脈沖的要求15第十五頁，共40頁。

5.不同控制角時輸出電壓波形

α＝60°時的電壓波形

圖3-6α＝60°時的電壓波形

三相橋式可控整流電路輸出電壓平均值計算三相橋式可控整流電路所帶負載為電感性時，輸出電壓平均值可用下式計算

UdU2cosα16第十六頁，共40頁。3.2中間電路

變頻器的中間電路有濾波電路和制動電路等不同的形式。

濾波電路雖然利用整流電路可以從電網(wǎng)的交流電源得到直流電壓或直流電流，但是這種電壓或電流含有頻率為電源頻率6倍的紋波，那么逆變后的交流電壓、電流也產(chǎn)生紋波。因此，必須對整流電路的輸出進展濾波，以減少電壓或電流的波動。這種電路稱為濾波電路。17第十七頁，共40頁。1.電容濾波

通常用大容量電容對整流電路輸出電壓進展濾波。由于電容量比較大，一般采用電解電容。二極管整流器在電源接通時，電容中將流過較大的充電電流(亦稱浪涌電流)，有可能燒壞二極管，必須采取相應措施。圖3-7給出幾種抑制浪涌電流的方式。a)接入交流電抗b)接入直流電抗c)串聯(lián)充電電阻圖3-7抑制浪涌電流的方式18第十八頁，共40頁。采用大電容濾波后再送給逆變器，這樣可使加于負載上的電壓值不受負載變動的影響，根本保持恒定。該變頻電源類似于電壓源，因此稱為電壓型變頻器。電壓型變頻器的電路框圖如圖3-8所示。電壓型變頻器逆變電壓波形為方波，而電流的波形經(jīng)電動機負載的濾波后接近于正弦波，如圖3-9所示。

圖3-8電壓型變頻器的電路框圖圖3-9電壓型變頻器的電壓和電流波形

19第十九頁，共40頁。2.電感濾波

采用大容量電感對整流電路輸出電流進展濾波，稱為電感濾波。由于經(jīng)電感濾波后加于逆變器的電流值穩(wěn)定不變，所以輸出電流根本不受負載的影響，電源外特性類似電流源，因此稱為電流型變頻器。圖3-10所示為電流型變頻器的電路框圖。圖3-11所示為電流型變頻器輸出電壓及電流波形。圖3-10電流型變頻器的電路框圖圖3-11電流型變頻器輸出電壓及電流波形

20第二十頁，共40頁。3.制動電路利用設置在直流回路中的制動電阻吸收電動機的再生電能的方式稱為動力制動或再生制動。圖3-12為制動電路的原理圖。制動電路介于整流器和逆變器之間，圖中的制動單元包括晶體管VB、二極管VDB和制動電阻RB。假如回饋能量較大或要求強迫動，還可以選用接于H、G兩點上的外接制動電阻REB。圖3-12為制動電路的原理圖21第二十一頁，共40頁。3.3逆變電路的工作原理及根本形式3.3.1逆變電路的工作原理逆變電路也簡稱為逆變器，圖3-13a所示為單相橋式逆變器，四個橋臂由開關構成，輸入直流電壓E，逆變器負載是電阻R。當將開關S1、S4閉合，S2、S3斷開時，電阻上得到左正右負的電壓；間隔一段時間后將開關S1、S4翻開，S2、S3閉合，電阻上得到右正左負的電壓。我們以頻率f交替切換S1、S4和S2、S3，在電阻上就可以得到圖3-13b所示的電壓波形。a)單相橋式逆變電路b)工作電壓波形圖3-13逆變器工作原理

22第二十二頁，共40頁。3.3.2逆變電路的根本型式

1.半橋逆變電路

圖3-14a為半橋逆變電路原理圖，直流電壓Ud加在兩個串聯(lián)的足夠大的電容兩端，并使得兩個電容的連接點為直流電源的中點，即每個電容上的電壓為Ud/2。由兩個導電臂交替工作使負載得到交變電壓和電流，每個導電臂由一個功率晶體管與一個反并聯(lián)二極管所組成。

a)半橋逆變電路b)工作波形圖3-14半橋逆變電路及工作波形23第二十三頁，共40頁。2.全橋逆變電路

電路原理如圖3-15a所示。直流電壓Ud接有大電容C，電路中的四個橋臂，橋臂1、4和橋臂2、3組成兩對，工作時，設t2時刻之前V1、V4導通，負載上的電壓極性為左正右負，負載電流io由左向右。t2時刻給V1、V4關斷信號，給V2、V3導通信號，那么V1、V4關斷，但感性負載中的電流io方向不能突變，于是VD2、VD3導通續(xù)流，負載兩端電壓的極性為右正左負。當t3時刻io降至零時，VD2-、VD3截止，V2、V3導通，io開場反向。同樣在t4時刻給V2、V3關斷信號，給V1、V4導通信號后，V2、V3關斷，io方向不能突變，由VD1、VD4導通續(xù)流。t5時刻io降至零時，VD1、VD4截止，V1、V4導通，io反向，如此反復循環(huán)，兩對交替各導通180°。其輸出電壓uO和負載電流iO見圖3-15b所示。

a)全橋逆變電路b)工作波形24第二十四頁，共40頁。第4章

交-交變頻技術

4.1單相輸出交-交變頻電路4.1.1電路組成及根本工作原理圖4-1是單相輸出交-交變頻電路的原理框圖，電路由P〔正〕組和N〔負〕組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構成，兩組變流電路接在同一個交流電源，Z為負載。交-交變頻器輸出的方波如圖4－2所示。圖4-1單相輸出交-交變頻電路的原理框圖圖4-2輸出的方波25第二十五頁，共40頁。

為了使輸出電壓的波形接近正弦波，可以按正弦規(guī)律對控制角α進展調(diào)制，即可得到如圖4-3所示的波形。調(diào)制方法是，在半個周期內(nèi)讓變流器的控制角α按正弦規(guī)律從90°逐漸減小到0°或某個值，然后再逐漸增大到90°。圖4-3單相輸出交-交變頻電路輸出交流電壓波形26第二十六頁，共40頁。4.1.2感阻性負載時的相控調(diào)制假如把交-交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時輸出電壓的脈動分量，就可以把電路等效為圖4-4a所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)。其中交流電源表示變流電路可輸出交流正弦電壓，二極管表達了變流電路只允許電流單方向流過。

圖4-4a理想化交-交變頻電路27第二十七頁，共40頁。4.1.2感阻性負載時的相控調(diào)制圖4-4b給出了一個周期內(nèi)負載電壓、電流波形及正負兩組變流電路的電壓、電流波形。

圖4-4b整流與逆變狀態(tài)波形28第二十八頁，共40頁。

圖4-5單相輸出交-交變頻電路輸出電壓和電流的波形圖負組逆變正組整流正組逆變負組整流29第二十九頁，共40頁。4.1.3輸入輸出特性

1．輸出上限頻率就常用的6脈波三相橋式電路而言，一般認為，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/3～1/2。電網(wǎng)為50Hz時，交-交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。

2.輸入功率因數(shù)交-交變頻電路采用的是相位控制方式，因此其輸入電流的相位總是滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率。從圖4-3可以看出，在輸出電壓的一個周期內(nèi)，α角是以90°為中心而前后變化的。輸出電壓比越小，半周期內(nèi)α的平均值越靠近90°，位移因數(shù)越低。另外，負載的功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。30第三十頁，共40頁。交-交變頻器的特點1)因為是直接變換，沒有中間環(huán)節(jié)，所以比一般的變頻器效率要高。2)由于其交流輸出電壓是直接由交流輸入電壓波的某些部分包絡所構成，因此其輸出頻率比輸入交流電源的頻率低得多，輸出波形較好。3)由于變頻器按電網(wǎng)電壓過零自然換相，故可采用普通晶閘管。4)由于輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/3～1/2，因受電網(wǎng)頻率限制，通常輸出電壓的頻率較低。5)交-交變頻電路采用的是相位控制方式，因此其輸入電流的相位總是滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率。功率因數(shù)較低，特別是在低速運行時更低，需要適當補償。31第三十一頁，共40頁。4.2三相輸出交-交變頻電路三相輸出交-交變頻電路主要應用于大功率交流電機調(diào)速系統(tǒng)，三相輸出交-交變頻電路是由三組輸出電壓相位各差120°的單相交-交變頻電路組成的，所以其控制原理與單相交-交變頻電路一樣。下面簡單介紹一下三相交-交變頻電路接線方式。4.2.1公共交流母線進線方式圖4-6公共交流母線進線方式的三相交-交變頻電路簡圖32第三十二頁，共40頁。4.2.2輸出星形聯(lián)結方式圖4-7輸出星形聯(lián)結方式的三相交-交變頻電路原理圖優(yōu)點：效率高接近正弦波缺點：接線復雜輸出頻率低功率因數(shù)低輸入電流諧波大應用：大容量低速33第三十三頁，共40頁。本章小結交-交變頻就是把電網(wǎng)頻率的交流電變換成可調(diào)頻率的交流電，此類變頻器能量轉換效率較高，多應用于大功率的三相異步電動機和同步電動機的低速變頻調(diào)速。但由于交-交變頻輸出頻率低〔一般為電網(wǎng)頻率的1/3～1/2〕和功率因數(shù)低，使其應用受到限制。34第三十四頁，共40頁?？紤]題P32-1P44-1P52-4交作業(yè)時間：3月20日35第三十五頁，共40頁。第5章高〔中〕壓變頻器5.1高〔中〕壓變頻器概述

5.1.1高〔中〕壓變頻器的分類高〔中〕壓變頻器按主電路的構造方式分為交-交方式和交-直-交方式。5.1.2高〔中〕壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的根本形式〔1〕直接高-高型直接高-高型〔也有的稱為直接中-中型〕變頻調(diào)速系統(tǒng)的電路構造如圖5-2所示