交直交變頻電路基礎(chǔ)課件

第六章交-直-交變頻電路基礎(chǔ)6.1變頻器的基本概念6.4全控型器件逆變器6.5PWM控制技術(shù)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(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。變頻器的電路構(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(wú)關(guān),稱(chēng)為無(wú)源逆變器。它是變頻器的核心。變頻器的工作原理S1、S4閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)變頻器的工作原理改變兩組開(kāi)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)刻斷開(kāi)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(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(kāi)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(chēng)為脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation--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。2.按電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率分類(lèi)：半周期內(nèi)星形負(fù)載的等值電路為：40按電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率分類(lèi)半周期內(nèi)星形負(fù)載的等值電路為：三.逆變器中的電子開(kāi)關(guān)1.逆變器對(duì)電子開(kāi)關(guān)的要求：對(duì)正向電流既能控制開(kāi)通，又能控制關(guān)斷。高開(kāi)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(kāi)關(guān)(由單向?qū)щ婋娮娱_(kāi)關(guān)與開(kāi)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(chēng)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。二.單相全橋式逆變器1.主電路2.工作過(guò)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，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(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；三.三相橋式電壓型逆變器1.主電路結(jié)構(gòu)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(kāi)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。三相橋式電壓型逆變器2.控制方式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(kāi)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(chēng)為縱向換流三相橋式電壓型逆變器403.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(chēng)時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是

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

三相橋式電壓型逆變器6.5PWM控制技術(shù)PWM(PulseWidthModulation)：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)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)。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)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。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(kāi)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。在載波與調(diào)制波的交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)電路中開(kāi)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。40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(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。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)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：以u(píng)o正半周為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷（1）單極性PWM控制方式（2）雙極性PWM控制方式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，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱(chēng)，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱(chēng)當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的不利影響都較小當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱(chēng)的影響就變大(2)同步調(diào)制——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時(shí)使載波與信號(hào)波保持同步，即N等于常數(shù)。同步調(diào)制三相PWM波形(N=9)異步調(diào)制和同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制分段同步調(diào)制方式舉例

分段同步調(diào)制——異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用討論：把整個(gè)fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段的