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:將脈動的直流量濾波成平直的直流量,可以對直流電壓濾波(用電容),也可以對直流電流濾波(用電感)逆變器:將直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔?直接供給負載,它的輸出頻率和電壓均與交流輸入電源無關(guān),稱為無源逆變器。它是變頻器的核心。因為逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載，無論電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會為1，總會有無功功率的交換，要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件來緩沖

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，負載電壓uo為正S1、S4斷開，S2、S3閉合時，負載電壓uo為負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。阻感負載工作過程分析：t1前：S1、S4通，uo和io均為正。t1時

3、刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負，但io不能立刻反向。io從電源負極流出，經(jīng)S2、負載和S3流回正極，負載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時刻降為零，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)負載對變頻器輸出電壓的要求，通過可控整流器 實現(xiàn)對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，通過逆變器自身的電子開關(guān)進行 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：單脈沖調(diào)制：在輸出電壓波形的半周期內(nèi)只有一個脈沖。多脈沖調(diào)制：在輸出電壓波形的半周期內(nèi)有多個脈沖。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 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.逆變器對電子開關(guān)的要求：對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：電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱換相自換流型：采用全控型器件。強迫換流：附加強迫換流環(huán)節(jié)實現(xiàn)晶閘管的關(guān)斷。負載換流：利用負載電流自然過零實現(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、作過程及波形分析V1和V2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2V1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,它又起著使負載電流連續(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.工作過程及波形分析1和4一對，2和3另一對，成對橋臂 同時導(dǎo)通，兩對交替各導(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)負載為感性時，V1 、 V4關(guān)斷后，由VD2、VD3提

7、供負載續(xù)流回路，電流過零時V2 、 V3導(dǎo)通；V2 、 V3關(guān)斷后，由VD1、VD4提供負載續(xù)流回路，電流過零時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）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代替一個正弦半波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) 對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效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，結(jié)果都要變化計算法PWM控制技術(shù)把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，經(jīng)過信號波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。在

10、載波與調(diào)制波的交點時刻對電路中開關(guān)器件的通斷進行控制，得到寬度正比于調(diào)制信號波幅值的脈沖。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)的平均值對時間按正弦規(guī)律變化。SPWM技術(shù)采用等腰三角波電壓作為載波信號，正弦波電壓作為調(diào)制信號，通過正弦波電壓與三角波電壓信號相比較的方法，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)任一條不超過三角波幅值的光滑曲線與三角波相交時，都會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作為調(diào)制信號時，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調(diào)制法進行說明工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補控制規(guī)律：負載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時，uo等于UdV4關(guān)斷時，負載電流通過V1和VD3續(xù)流，uo=0負載電流為負的區(qū)間， V1和V4仍導(dǎo)通，io為負，實際上io從VD1和VD4 流過， 仍有uo=UdV4關(guān)斷V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0uo總