2021年電工電子應(yīng)用技術(shù) 交流-直流-交流變頻電路 交流-直流-交流變頻電路教案

1、單元十三 電力電子技術(shù)基礎(chǔ)（教案）章節(jié)名稱13交流-直流-交流變頻電路學(xué)時安排2教學(xué)目標了解掌握交流-直流-交流變頻電路電路組成及工作原理。掌握整流電路、中間電路組成及工作原理。了解spwm技術(shù)在變頻中的應(yīng)用。重點難點整流電路、中間電路、逆變電路工作原理。參考資料1電子技術(shù)，呂國泰主編，北京高等教育出版社，第2版 21年電力電子技術(shù)浣喜明、姚為正 高等教育出版社，第3版21年考 核與評價1考核與評定要堅持結(jié)果評價和過程評價相結(jié)合，定量評價和定性評價相結(jié)合，教師評價和學(xué)生自評、互評相結(jié)合，使考核與評價有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，促進學(xué)生的發(fā)展。2考核與評定要根據(jù)本課程的特點，改革單一考核方式，不僅

2、關(guān)注學(xué)生對知識的理解、技能的掌握和能力的提高，還要重視規(guī)范操作、安全文明生產(chǎn)等職業(yè)素質(zhì)的形成，以及節(jié)約能源、節(jié)省原材料與愛護工具設(shè)備、保護環(huán)境等意識與觀念的樹立。備 注（正文）注表格內(nèi)黑體字格式為（黑體，小四號，25倍行距，居中）13交流-直流-交流變頻電路【教學(xué)過程】組織教學(xué)1檢查出勤情況。2檢查學(xué)生教材，習(xí)題冊是否符合要求。3宣布上課。引入新課1變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源。現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交直交方式（vvvf變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交

3、流電源以供給電動機。2通過實物演示及列舉實例，讓學(xué)生了解橋式整流電路的原理及應(yīng)用，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。講授新課13交流-直流-交流變頻電路現(xiàn)在使用的變頻器絕大多數(shù)為交-直-交變頻器，交-直-交變頻器的主電路框圖如圖13-3-1所示。由圖可見，主電路包括3個組成部分整流電路、中間電路和逆變電路。圖13-3-1 交-直-交變頻器主電路框圖11整流電路整流單元用于電網(wǎng)的三相交流電變成直流?？煞譃榭煽卣骱筒豢煽卣鲀纱箢??？煽卣饔捎诖嬖谳敵鲭妷汉休^多的諧波、輸入功率因數(shù)低、控制部分復(fù)雜、中間直流大電容造成的調(diào)壓慣性大相應(yīng)緩慢等缺點，不可控整流是目前交直交變頻器的主流形式，它有2種構(gòu)成形式，6

4、支整流二極管或6支晶閘管組成三相整流橋，分別如圖13-3-2、13-3-3所示。圖13-3-2 二極管構(gòu)成的三相橋式整流電路由6支二極管構(gòu)成的三相橋式整流電路，交流側(cè)有控制主回路通斷的接觸器。圖13-3-3 晶閘管構(gòu)成的三相橋式整流電路由6支晶閘管構(gòu)成的三相橋式整流電路，晶閘管只用于控制通斷不控制直流電壓的大小。12中間電路變頻器的中間電路有濾波電路、制動單元、驅(qū)動電路、檢測電路、控制電路等主要形式。1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，但這種電壓或電流含有頻率為電源頻率6倍的紋路，如果將其直接供給逆變電路，則逆變后的交流電壓、電流紋波很大。因此，必須對整流電路

5、的輸出經(jīng)行濾波，以減少電壓或者電流的波動。這種電路稱為濾波電路。電容濾波通常用大容量電容對整流電路輸出電壓進行濾波。由于電容量比較大，一般采用電解電容。為了得到所需的耐壓值和容量，往往需要根據(jù)變頻器容量的要求，將容量進行并聯(lián)使用。而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，故必須采用相應(yīng)措施。圖中13(a)接入交流電抗 (b)接入直流電抗 (c)串聯(lián)充電電阻圖13-3-4 抑制浪涌電流的方式電感濾波采用大容量電感對整流電路輸出電流進行濾波，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，所以輸出電流基本不受負載的影響，電源外特性類似電流源

6、，因而稱為電流型變頻器。2制動電路利用設(shè)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。制動電路可由制動電阻或動力制動單元構(gòu)成。13逆變電路的工作原理及基本形式1逆變電路的工作原理逆變電路也簡稱為逆變器，圖13-3-1a所示為單相橋式逆變器，四個橋臂由開關(guān)構(gòu)成，輸入直流電壓e，逆變器負載是電阻r。當(dāng)將開關(guān)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(guān)s1、s4打開，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13-3-1b所示的電壓波形。（a）單相橋式逆變電路 （b）工作電

7、壓波形圖13-3-1 逆變器工作原理2逆變電路的基本形式（1）半橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)及其工作原理v1和v2柵極信號各半周正偏、半周反偏，互補。uo為矩形波，幅值為um=ud/2，io波形隨負載而異，感性負載時，圖13-3-11b，v1或v2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負載提供能量，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，還使io連續(xù)，又稱續(xù)流二極管。圖13-3-11 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形（2）全橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)及工作情況圖13-3-12，兩個半橋電路的組合。1和4一對，2和3另一對，成對橋臂同時導(dǎo)通，交替各導(dǎo)通18。uo波形同

8、圖5-6b。半橋電路的uo幅值高出一倍um=ud，io波形和圖13-3-12（b）中的io相同，幅值增加一倍，單相逆變電路中應(yīng)用最多的。圖13-3-1214 spwm控制技術(shù)在異步電動機恒轉(zhuǎn)矩的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，隨著變頻器輸出頻率的變化，必須相應(yīng)的調(diào)節(jié)其輸出電壓。按變頻器的輸出的電壓和頻率的控制方式分為pam和pwm。pam（pulse amplitude modulation）脈幅調(diào)制型變頻，是一種通過改變電壓源的電壓ud或電流源id的幅值，進行輸出控制的方式。它在逆變器部分只控制頻率，在整流電路和中間電路部分控制輸出電壓和電流。有于pam存在一些固有的缺陷，目前變頻器中已很少應(yīng)用。pwm（p

9、ulse width modulation）脈寬調(diào)制型變頻，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變調(diào)制周期來控制其輸出頻率。脈寬調(diào)制的方法很多，以調(diào)制脈沖的極性分，可分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種；以載頻信號與參考信號頻率之間的關(guān)系分，可分為同步調(diào)制和異步調(diào)制兩種。1spwm控制的基本原理全控型電力電子器件的出現(xiàn)，使得性能優(yōu)越的脈寬調(diào)制（pwm）逆變電路應(yīng)用日益廣泛。這種電路的特點主要是可以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓和電流，所以也稱為正弦波脈寬調(diào)制spwm。spwm控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波所需要的波形。

10、按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。2spwm逆變電路的控制方式（1）單極性方式（2）雙極性pwm控制方式3spwm逆變器的調(diào)制方式在spwm逆變器中，三角波電壓頻率ft與調(diào)制波電壓頻率(即逆變器的輸出頻率) fr之比nftfr稱為載波比，也稱為調(diào)制比。根據(jù)載波比的變化與否，pwm調(diào)制方式可分為同步式、異步式和分段同步式。4spwm波形形成的方式（1）自然采樣法自然采樣法即計算正弦信號波和三角載波的交點，從而求出相應(yīng)的脈寬和間歇時間，生成spwm波形。（2）數(shù)字控制法數(shù)字控制法，是由微機存儲預(yù)先計算好的spwm數(shù)據(jù)表格，控制時根據(jù)指令調(diào)出，由微

11、機的輸出接口輸出。（3）采用spwm專用集成芯片用微機產(chǎn)生spwm波，其效果受到指令功能、運算速度、存儲容量等限制，有時難以有很好的實時性，因此，完全依靠軟件生成spwm波實際上很難適應(yīng)高頻變頻器的要求。15交流變頻器變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源。1變頻器元件作用（1）交-直部分電容c1是吸收電容,整流電路輸出是脈動的直流電壓，必須加以濾波，變壓器是一種常見的電氣設(shè)備， 可用來把某種數(shù)值的交變電壓變換為同頻率的另一數(shù)值的交變電壓，也可以改變交流電的數(shù)值及變換阻抗或改變相位。圖13-3-19壓敏電阻有三個作用,一過電壓保護,二耐雷

12、擊要求,三安規(guī)測試需要.熱敏電阻過熱保護霍爾:安裝在uvw的其中二相,用于檢測輸出電流值。選用時額定電流約為電機額定電流的2倍左右。充電電阻作用是防止開機上電瞬間電容對地短路，燒壞儲能電容。開機前電容二端的電壓為 v；所以在上電（開機）的瞬間電容對地為短路狀態(tài)。如果不加充電電阻在整流橋與電解電容之間，則相當(dāng)于38v電源直接對地短路，瞬間整流橋通過無窮大的電流導(dǎo)致整流橋毀壞。一般而言變頻器的功率越大，充電電阻越小。充電電阻的選擇范圍一般為1-3。儲能電容又叫電解電容，在充電電路中主要作用為儲能和濾波。pn端的電壓電壓工作范圍一般在 43vdc7vdc 之間，而一般的高壓電容都在 4vdc左右，為

13、了滿足耐壓需要就必須是二個4vdc的電容串起來作8vdc。容量選擇6uf/a均壓電阻防止由于儲能電容電壓的不均燒壞儲能電容；因為二個電解電容不可能做成完全一致，這樣每個電容上所承受的電壓就可能不同，承受電壓高的發(fā)熱嚴重（電容里面有等效串聯(lián)電阻）或超過耐壓值而損壞 。c2電容吸收電容,主要作用為吸收igbt的過流與過壓能量。（2）直-交部分vt1-vt6逆變管（igbt絕緣柵雙極型功率管）構(gòu)成逆變電路的主要器件，也是變頻器的核心元件。把直流電逆變頻率，幅值都可調(diào)的交流電。vt1-vt6是續(xù)流二極作用是把在電動機在制動過程中將再生電流返回直流電提供通道并為逆變管vt1-vt6在交替導(dǎo)通和截止的換相

14、過程中，提供通道。（3）控制部分:電源板、驅(qū)動板、控制板（cpu板）電源板開關(guān)電源電路向操作面板、主控板、驅(qū)動電路、檢測電路及風(fēng)扇等提供低壓電源，開關(guān)電源提供的低壓電源有5v、15v 、24v向cpu及其附屬電路、控制電路、顯示面板等提供電源。驅(qū)動板主要是將cpu生成的pwm脈沖經(jīng)驅(qū)動電路產(chǎn)生符合要求的驅(qū)動信號激勵igbt輸出電壓?？刂瓢澹╟pu板）也叫cpu板相當(dāng)人的大腦，處理各種信號以及控制程序等部分。（4）保護電路當(dāng)變頻器出現(xiàn)異常時，為了使變頻器因異常造成的損失減少到最小，甚至減少到零。每個品牌的變頻器都很重視保護功能，都設(shè)法增加保護功能，提高保護功能的有效性。在變頻器保護功能的領(lǐng)域，廠

15、商可謂使盡解數(shù)，作好文章。這樣，也就形成了變頻器保護電路的多樣性和復(fù)雜性。有常規(guī)的檢測保護電路，軟件綜合保護功能。有些變頻器的驅(qū)動電路模塊、智能功率模塊、整流逆變組合模塊等，內(nèi)部都具有保護功能?！窘虒W(xué)方法】課堂教學(xué)采用板書和多媒體教學(xué)手段相結(jié)合的方法，其多媒體使用率在 6以上。并輔助之以課堂討論、習(xí)題分析以及實驗教學(xué)。用于基本概念、理論、方法及應(yīng)用的課堂講授約占總學(xué)時的7的時間。習(xí)題課、實驗操作約占總學(xué)時的3的時間。本課程安排的實驗課，以便學(xué)生掌握基本實驗技能。1在開始閱讀某一章教材之前，先閱讀大綱中有關(guān)這一章的考核知識點及考核目標，對知識點能力層次即識記、理解、應(yīng)用的要求，做到有的放矢。2閱

16、讀教材，要逐段細讀，逐句推敲，集中精力，吃透每個知識點。對基本概念深刻理解，對基本原理徹底弄清，對基本方法牢固掌握。3在學(xué)習(xí)過程中，要邊思考問題，邊做好閱讀筆記，把教材中的基本概念、原理、方法等加以整理，從中加深對問題的認識、理解和記憶，以利于突出重點，并涵蓋全面，不斷提高自學(xué)能力。4做每一章的練習(xí)題，能及時理解、消化和鞏固所學(xué)知識，培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力?！窘虒W(xué)總結(jié)】1這一節(jié)概念新，理論抽象，應(yīng)采用模型或掛圖配合講解，有經(jīng)驗的教師一般不用掛圖，邊講邊畫。2講半導(dǎo)體的一般概念，要注意“少而精”的原則，緊扣教材，不要輕易擴展內(nèi)容，著重講透變頻器的工作原理，適時地中間電路、逆變電路、spwm技術(shù)等電路工作原理。3這一節(jié)是教學(xué)重點，首先要簡述變頻器工作原理的概念，讓學(xué)生建立起變頻的初步形象，其次指出