DCAC變換電路無源

會計學(xué)1DCAC變換電路無源2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(yīng)用脈寬調(diào)制（PWM）基本原理第1頁/共57頁3

一變頻電路的基本概念變頻：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－交流變頻 也稱為直接變頻交－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—交電壓型PWM變頻電路第2頁/共57頁4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和無源逆變。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。第3頁/共57頁5以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)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)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1~S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。第4頁/共57頁6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為負直流電交流電

動畫演示第5頁/共57頁75.3.1

逆變電路的基本工作原理逆變電路最基本的工作原理

——改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖5-6逆變電路及其波形舉例b)tuoiot1t2電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同。負載a)S1S2S3S4iouoUd第6頁/共57頁8涉及的問題－－電感性負載感性負載時，電流不能發(fā)生突變，否則會感應(yīng)出大的瞬時電壓，損壞開關(guān)器件晶閘管兩端反并聯(lián)一續(xù)流二極管當VT1、VT4換流關(guān)斷，VT2、VT3觸發(fā)導(dǎo)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(dǎo)通。此時，從電源提供給負載反向電流。

動畫演示第7頁/共57頁9涉及的問題－－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(guān)器件采用晶閘管時，需要解決晶閘管的關(guān)斷問題。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(guān)斷：全控型器件可通過門極關(guān)斷半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷一般在晶閘管兩端施加一定時間反壓，使電流過零后關(guān)斷第8頁/共57頁105.3.2換流方式分類1)器件換流（DeviceCommutation）利用全控型器件的自關(guān)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（LineCommutation）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(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)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（LoadCommutation）4)強迫換流（ForcedCommutation）第9頁/共57頁11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（LoadCommutation）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（ForcedCommutation）附加換流電路，在換流時產(chǎn)生一個反向電壓關(guān)斷晶閘管。也稱為脈沖換流，如圖所示，利用電容電壓使導(dǎo)通的晶閘管承受反壓而關(guān)斷。第10頁/共57頁125.3.2換流方式分類--負載換流圖5-7負載換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。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第11頁/共57頁13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?，則稱為熄滅換流方式小結(jié)第12頁/共57頁14逆變電路的應(yīng)用－－中頻感應(yīng)加熱裝置感應(yīng)加熱的基本原理法拉第電磁感應(yīng)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(yīng)出電動勢，如果閉合就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。電流的熱效應(yīng)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(guān)S突然合上）或突然切斷電流（即將圖中開關(guān)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(yīng)現(xiàn)象，第二個線圈中的電流稱為感應(yīng)電流，第一個線圈稱為感應(yīng)線圈。通斷頻率越高，則感生電流將會越大。感應(yīng)電源通常需要輸出高頻大電流。第13頁/共57頁15

圖銅具焊接

1—感應(yīng)線圈2—零件1 2 1 2 圖熔煉爐1—感應(yīng)線圈2—金屬溶液 第14頁/共57頁16高頻電源利用高頻電源來加熱通常有兩種方法：①感應(yīng)加熱：利用高頻電流②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。第15頁/共57頁175.4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，或根據(jù)最靠近逆變橋的直流濾波方式不同電壓(源)型逆變電路VoltageSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電壓源電流(源)型逆變電路CurrentSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電流源第16頁/共57頁185.2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。

(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。第17頁/共57頁19電壓型逆變器－－大電容濾波，輸出電壓比較平直，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7－4圖電壓型和電流型逆變器原理圖第18頁/共57頁20主電路結(jié)構(gòu)控制器件的導(dǎo)通規(guī)律 交—直—交電壓型PWM變頻電路正弦波第19頁/共57頁21第四節(jié)脈寬調(diào)制技術(shù)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)：PWM(PulseWidthModulation)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(shù)SPWM，脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，和正弦波等效的PWM波形。第20頁/共57頁22PWM控制的基本原理理論基礎(chǔ)－－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指窄脈沖的面積效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)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圖7-4-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖第21頁/共57頁23PWM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(yīng)波形具體的實例說明“面積等效原理”a）u(t)－電壓窄脈沖，是電路的輸入。

i(t)－輸出電流，是電路的響應(yīng)。

第22頁/共57頁24PWM控制的基本思想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N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）相等寬度按正弦規(guī)律變化圖用PWM波代替正弦半波SPWM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第23頁/共57頁25Ouωt>SPWM波PWM控制的基本思想Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>第24頁/共57頁26PWM控制的基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Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>Ouωt>第25頁/共57頁27PWM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(guān)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。第26頁/共57頁282)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7-4-3三角波調(diào)制的PWM波原理圖動畫演示第27頁/共57頁29ur正半周，V1保持通，V2保持斷。當ur>uc時使V4通，V3斷，uo=Ud。當ur<uc時使V4斷，V3通，uo=0。ur負半周，分析方法相同。圖6-5單極性PWM控制方式波形在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷。2.1）單極性PWM控制方式表示uo的基波分量動畫演示三相電路演示第28頁/共57頁302.2）雙極性PWM控制方式在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負，其幅值只有±Ud兩種電平。在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制器件的通斷。ur正負半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當ur>uc時，給V1和V4導(dǎo)通信號，給V2和V3關(guān)斷信號。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud。當ur<uc時，給V2和V3導(dǎo)通信號，給V1和V4關(guān)斷信號。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud。圖7-28雙極性PWM控制方式波形在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷。第29頁/共57頁312.3）PWM主要參數(shù)1)調(diào)制比M2)載波比K第30頁/共57頁32SPWM波生成的基本方法1)采用模擬電路生成SPWM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(fù)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波形。第31頁/共57頁332)直接采用集成電路產(chǎn)生SPWM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SPWM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。第32頁/共57頁34第33頁/共57頁35第五節(jié)交流變頻調(diào)速原理1．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。第34頁/共57頁36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(U/f)由電機學(xué)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)。異步電機定子繞組感應(yīng)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)

Φ：每極氣隙磁通(Wb)為避免電動機因頻率變化導(dǎo)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(VariableVoltageVariableFrequency)變壓變頻第35頁/共57頁37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(U/f)由電機學(xué)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)。異步電機電動勢的表達式為：為避免電動機因頻率變化導(dǎo)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(VariableVoltageVariableFrequency)變壓變頻第36頁/共57頁38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(fēng)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第37頁/共57頁393.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第38頁/共57頁40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都是相控整流電路圖7-30單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形第39頁/共57頁41交交變頻電路工作原理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wo改變變流電路的控制角a，就可以改變交流輸出電壓的幅值第40頁/共57頁42交交變頻電路為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a角進行調(diào)制在半個周期內(nèi)讓P組a角按正弦規(guī)律從90°減到0°或某個值，再增加到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第41頁/共57頁43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，uo>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，正組整流第42頁/共57頁44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)第43頁/共57頁45小結(jié)掌握變頻相關(guān)的基本概念和PWM基本原理第44頁/共57頁46第二節(jié)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。VT1～VT4以1k～5kHz的中頻輪流導(dǎo)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(yīng)，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。第45頁/共57頁47負載電路負載一般是電磁感應(yīng)線圈，用來加熱線圈的導(dǎo)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基本沒有脈動第46頁/共57頁48（2）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(dǎo)通階段和兩個換流階段。第47頁/共57頁49（2）工作原理t1～t2階段VT1，VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，io=Id；t2時刻以前在電容C建立左正右負的電壓。第48頁/共57頁50（2）工作原理t2～t4：t2時刻觸發(fā)VT2，VT3，進入換流階段。LT使VT1，VT4不能立即關(guān)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(dǎo)通。負載電容電壓經(jīng)過兩個并聯(lián)的放電回路放電。LT1～VT1～VT3～LT3～C，另一條：LT2～VT2～VT4～LT4～C。第49頁/共57頁51（2）工作原理t=t4時刻，VT1，VT4的電流減小到零而關(guān)斷，換流過程結(jié)束。t4～t2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(guān)斷。第50頁/共57頁52為了可靠關(guān)斷晶閘管，不導(dǎo)致逆變失敗，晶閘管需要一段時間才能恢復(fù)阻斷能力，換流結(jié)束以后，還要讓VT1，VT4承受一段時間的反向電壓。這個時間稱為tβ=t5-t4，tβ應(yīng)該大于晶閘管的關(guān)斷時間tq。為了保證可靠換流。應(yīng)該在電壓uo過零前tδ=t5-t2觸發(fā)VT2，VT3。tδ稱為觸發(fā)引前時間，

tδ=tβ+tγ，電流i0超前電壓U0的時間為：tφ=tβ+