《無源逆變和變頻》PPT課件.ppt

7-1,第七章.無源逆變和變頻,71.概述 7.1.1.逆變與變頻的含義 逆變：將直流電變換為交流電。 有源逆變：將直流電逆變成與交流電網(wǎng)同頻率的交流電輸送給電網(wǎng)。例如，可控整流電路供給直流電動機負載時，就可能處于有源逆變狀態(tài)。 無源逆變：如果逆變輸出的交流電與電網(wǎng)無聯(lián)系，或者說，交流電僅供給具體用電設(shè)備，則這種逆變稱為無源逆變。,7-2,變頻：將一種頻率的電源變換為另一種頻率的電源。 直交變頻：將直流電變換為所要求的頻率或頻率可調(diào)的交流電； 交交變頻：將固定頻率的交流電直接變換為頻率可調(diào)的交流電。 只有無源逆變能用于變頻；有源逆變不能變頻。但是，無源逆變不等于變頻，它可以恒頻，也可以變頻。 有源逆變和交交變頻均與交流電網(wǎng)相連，可以利用電網(wǎng)換流； 無源逆變和直交變頻，必須用負載換流或強迫換流。,7-3,本章如不注明，所提逆變和變頻都是指無源逆變和直交變頻。逆變器的工作原理如圖：,7-4,7.1.2.逆變和變頻的兩種類型,1）.電壓源型和電流源型逆變器,在直流側(cè)并聯(lián)大電容C來緩沖無功功率稱為電壓源型（亦稱恒壓源型或電壓型）逆變器和變頻器，如圖52（a）所示。,它因用電容濾波，直流電壓基本無脈動，直流回路呈低阻抗，屬于電壓強制方式。,7-5,逆變器輸出交流電壓波形接近于矩形波，輸出動態(tài)阻抗小。所有電壓源型的逆變器，由于直流側(cè)電壓極性不允許改變，回饋無功能量時，只能改變電流通路，為此必須設(shè)有反饋二極管為感性負載滯后的電流iO提供通路。,在直流回路中串以大電感儲存無功功率，稱為電流源型（亦稱恒流源型或電流型）逆變器和變頻器。,7-6,7.2.負載換流逆變器,7.2.1.晶閘管的換流 1）.換流（commutation）：亦稱換向或換相，就是指電流按要求的時刻和次序從一個晶閘管器件轉(zhuǎn)移到另一個晶閘管器件的過程。,7-7,2）常有兩種方法：一是在陽極回路加進大的阻抗，另一是在晶閘管陽陰極間施以反向電壓。后者是通常使用的方法。,7-8,a）.電網(wǎng)換流或電源換流：由交流電源供電的晶閘管變流器中，由于電源電壓作正負交替變化，只要合理安排觸發(fā)脈沖，就可使導通的晶閘管承受反壓而關(guān)斷，這種換流方式稱為電網(wǎng)換流或電源換流。,7-9,b）.負載換流或強迫換流：在由直流電源供電的晶閘管變流器中，例如斬波器和直交變頻器由于晶閘管始終承受正向電壓，導通后便無法關(guān)斷，不可能實行電網(wǎng)換流，這時必須用負載換流或強迫換流。 凡是具有電流過零或提供一定超前電流的負載，均能使變流器自然換流。 由于大多數(shù)負載都具電感性，為了實現(xiàn)負載換流，可以串以或并以電容，使之成為容性阻抗，電流超前電壓，則當電流降為零時，負載電壓不為零，該電壓對晶閘管形成反壓，只要反壓時間大于關(guān)斷時間，便可將晶閘管關(guān)斷，此為負載換流。,7-10,強迫（或強制）換流需要專門的換流環(huán)節(jié)或電路，它可使晶閘管在任何需要的時刻關(guān)斷。 換流環(huán)節(jié)的作用是利用儲能元件（一般用電客器）中的能量或者用電感電容組成的諧振回路，對原來導通的晶閘管強行施加反向電壓，使之電流迅速下降為零。,7-11,在這種換流方式中，電容器只用來關(guān)斷晶間管元件而不像負載換流中用來補償滯后的無功電流（后者由直流回路中的儲能元件提供），所以電容值較小。 電網(wǎng)換流和負載換流都是利用外部能量來關(guān)斷晶閘管，所以又稱為自然換流。 強迫換流則要借助于變流器內(nèi)部儲藏的能量或手段來關(guān)斷晶閘管。為了尋求換流的可靠性和高效率，人們已研制出各種形式的強迫換流電路和方法。,7-12,晶閘管斬波器的換流,圖（b）中換流電路由VT2、L、C和VD1、VD2等構(gòu)成。,7-13,電容C上充好圖示極性電壓。當欲關(guān)斷主晶閘管VT1時，觸發(fā)導通輔助晶閘管VT2，C和電感L便形成諧振回路，半個諧振周期后，諧振電流iL過零反向，VT2自然關(guān)斷，iC經(jīng)二極管VT2和VT1形成回路，它對VT1是反向電流。當諧振電流ic達到負載電流Id時，VT1關(guān)斷。ic超過Id的時間就是VT1承受反壓的時間，這時電流ic經(jīng)由二極管VD1流過。,7-14,逆導晶閘管,在斬波器電路和下章要講的電壓型逆變電路中，晶閘管需要反并聯(lián)一個二極管。逆導晶閘管正是根據(jù)這一應(yīng)用要求而發(fā)展的一種派生器件。,7-15,負載換流逆變器是指利用負載電流相位超前電壓或有超前功率因數(shù)的特性來實現(xiàn)晶閘管的換流，而不用附加專門的換流電路。,7.2.2.RLC串聯(lián)諧振逆變器,對功率因數(shù)很低的感性負載如串聯(lián)電容進行補償，則可構(gòu)成諧振逆變器。 其中R、L為負載的等效阻抗，C為補償電容。 為了使RLC串聯(lián)諧振能在一個周期內(nèi)持續(xù)進行這里加了二極管VD1VD4與晶閘管VTI VT4反向并聯(lián)構(gòu)成諧振通路。,7-16,由電路分析可知，如果滿足：,則RLC串聯(lián)電路便形成諧振過程。一個振蕩周期的電流通路和波形如圖所示。,7-17,7-18,+,-,7-19,(2).G=O ,即：諧振周期TO=TG ，則兩諧振過程電流正好銜接，這是電流由斷續(xù)到連續(xù)的臨界情況。 雖然這時每一周期的輸出功率并沒有增加，但由于輸出頻率較前增加了，使總的輸出功率有所增加。,+,-,7-20,（3）.GO ,即：諧振周期TGTO ，則前一周期尚未結(jié)束，后一諧振周期就已開始。,+,-,7-21,7.3.強迫換流電壓型逆變器,強迫換流逆變器，一般包括逆變電路和換流電路兩部分。 由普通晶閘管構(gòu)成的逆變器中，換流電路是關(guān)鍵部分，它對逆變或變頻裝置的性能指標、工作可靠性以及裝置的造價、體積等方面起著決定性的作用； 也正是由于換流電路不同而有多種形式的逆變器。所以逆變器往往根據(jù)所采用的換流電路形式來命名。 電壓型逆變器主要有：串聯(lián)電感式、串聯(lián)二極管式以及輔助晶閘管換流、集中換流等幾種，每種類型又各有許多派生電路。,7-22,7.3.1.串聯(lián)電感式逆變器,1）.單相橋式串聯(lián)電感式逆變器 其主電路如圖所示：,7-23,7.3.2.串聯(lián)二極管式逆變器,由相鄰相的跨接電容換流，任一瞬時只有二只晶閘管導通,7-24,為了不使換流電容對負載放電（這樣便可選擇較小的電容），以及防止與負載回路引起RLC諧振的可能性，在主回路中串入隔離二極管，將換流電容與負載隔離，使電容器上保持穩(wěn)定電壓，保證了換流能力。 VD1VD6為反饋二極管，L1、L2為換流電感。 每隔60O依次給VT1VT6發(fā)觸發(fā)脈沖，由于是依靠相鄰相的跨接電容來換流，所以每一晶閘管只導通120O ，或者說，任一瞬時只有二只晶閘管（共陽極組和共阻極組各一只）導通。 這種逆變器又稱為120O導電型逆變器。,7-25,7.3.3.具有輔助換流晶閘管的逆變器,前面電路都是通過通斷晶閘管之間的互相換流，換流能力與電容上的電壓也即直流電源電壓有關(guān)；換流時有環(huán)流存在，損耗較大。帶輔助晶閘管電路則是專設(shè)晶閘管來進行換流。,7-26,7.4.強迫換流電流型逆變器,7.4.1.串聯(lián)二極管逆變器,1）.單相電路,1導通時，C1同時充電；觸發(fā)3時，C1上的電壓使1關(guān)斷。,7-27,2）.三相電路,由于任何時刻輸入電流都保持不變，晶閘管僅僅是按規(guī)律控制各相電流，保特三相電流互差120O的基本關(guān)系。,三相逆變器中，晶閘管16依次相隔60O觸發(fā)導通，每一時刻有兩只晶閘管同時導電，故每管的導電角度為120O，也屬120O導電型逆變器。,7-28,7.5.2.輸出電壓的調(diào)節(jié),7-29,2）. 逆變器輸出電壓的調(diào)節(jié)也可在逆變器本身上進行，通常也有兩種方法，如圖5.32所示。,7-30,圖中有兩套完全一樣的逆變器，每個逆變器輸出電壓的幅值恒定，只是相位不同（相差為2），然后通過變壓器疊加輸出。只要改變就能調(diào)節(jié)合成相量即輸出電壓的幅值。這種方法稱為多重化。為了調(diào)壓，它需要兩套逆變器。圖5.32（b）中的逆變器采用脈寬調(diào)制（PWM），只要改變逆變器的輸出脈沖寬度，就能改變輸出電壓的基波幅值。,7-31,3）.簡單的交流脈寬調(diào)制逆變器,只有當1、2和34兩橋臂交替通斷，逆變器才能輸出交流電壓?？刂扑膫€開關(guān)器件1、2、3、4的通斷時刻，便能得到寬度為的輸出電壓波形。,7-32,7.5.3.逆變器的多重化,這里所說多重化，就是用幾個逆變器，使它們輸出相同頻率的矩形波在相位上移開一定的角度進行疊加，以減小諧波，從而獲得接近正弦的階梯波形。,7-33,7.6.1.正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理及優(yōu)點,l）.SPWM原理,7-34,圖示正弦波，如將其每半周劃分為N等份（圖中N=6），每一等份的正弦電壓與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖所代替，且使矩形脈沖的中點與相應(yīng)正弦等份的中點重合，則各脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化。按照采樣控制理論中沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上，其效果基本相同的結(jié)論，由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形便與正弦波等效。,7-35,7.7. PWM控制技術(shù),7.7.1.調(diào)制法 1）.同步調(diào)制和異步調(diào)制 在SPWM逆變器中，定義載波頻率f與調(diào)制頻率f之比為載波比N： N= f/ f 根據(jù)調(diào)制波與載波的頻率之比