交直交變頻電路基礎(chǔ)

1、交-直-交變頻電路基礎(chǔ)第一節(jié) 變頻器的基本概念第四節(jié) 全控型器件逆變器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)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(wú)關(guān),稱為無(wú)源逆變器。它是變頻器的核心。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(wú)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(wú)功功率的交換，要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件來(lái)緩沖

2、。6.1 變頻器的基本概念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。6.1 變頻器的基本概念2.變頻器的工作原理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)6.1 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(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(guò)程分析：t1前：S1、S4通，uo和io均為正。t1時(shí)

3、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6.1 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：根據(jù)負(fù)載對(duì)變頻器輸出電壓的要求，通過(guò)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(guò)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

4、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：?jiǎn)蚊}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。6.1 變頻器的基本概念二.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。6.1 變頻器的基本概念

5、2.按電子開關(guān)的開關(guān)頻率分類：半周期內(nèi)星形負(fù)載的等值電路為：6.1 變頻器的基本概念半周期內(nèi)星形負(fù)載的等值電路為：6.1 變頻器的基本概念三.逆變器中的電子開關(guān)1.逆變器對(duì)電子開關(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(guò)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(guò)零實(shí)現(xiàn)晶閘管的關(guān)斷。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

6、作過(guò)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/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。6.4 全控型器件逆變器二.單相全橋式逆變器1.主電路2.工作過(guò)程及波形分析1和4一對(duì)，2和3另一對(duì)，成對(duì)橋臂 同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通180uo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

7、供負(fù)載續(xù)流回路，電流過(guò)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(guò)零時(shí)V1 、 V4導(dǎo)通；6.4 全控型器件逆變器三.三相橋式電壓型逆變器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 全控型器件逆變器三.三相橋式電壓型逆變器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(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)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)展使得實(shí)現(xiàn)P

8、WM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。PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位?，F(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術(shù)。PWM控制技術(shù)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)一.PWM控制的基本原理如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波SPWM波若

9、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。PWM控制技術(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 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PWM控制技術(shù)把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，經(jīng)過(guò)信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。在

10、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。PWM控制技術(shù)SPWMSPWM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(duì)時(shí)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(hào)，正弦波電壓作為調(diào)制信號(hào)，通過(guò)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。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(guò)三角波幅值的光滑曲線與三角波相交時(shí)，都會(huì)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(hào)作為調(diào)制信號(hào)時(shí)，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(duì)極性不同，可分為單極性SPWM和雙極性SPWM。PWM控制技術(shù) 結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對(duì)調(diào)制法進(jìn)行說(shuō)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：負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，uo等于UdV4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)V1和VD3續(xù)流，uo=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(shí)際上io從VD1和VD4 流過(guò)， 仍有uo=UdV4關(guān)斷V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0uo總