新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)檢修 課件 4.1認(rèn)知AC-AC變換電路

認(rèn)知AC-AC變換電路教學(xué)目標(biāo)1.掌握AC-AC變換電路的作用及在汽車上的應(yīng)用;2.掌握AC-AC變換電路的結(jié)構(gòu)組成及工作原理;3.掌握AC-AC變換電路的實(shí)驗(yàn)板制作。重點(diǎn)：AC-AC變換電路的工作原理。難點(diǎn)：AC-AC變換電路實(shí)驗(yàn)板制作。一任務(wù)描述二任務(wù)分析三信息收集四制定方案五任務(wù)實(shí)施六總結(jié)評(píng)價(jià)教學(xué)流程一、任務(wù)描述

電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是三相交流電機(jī)，其轉(zhuǎn)速的控制是通過改變交流電的頻率實(shí)現(xiàn)的，而轉(zhuǎn)矩的控制是改變交流電的大小。那么交流變換電路是如何實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的改變的呢？讓我們一起來學(xué)習(xí)吧！二、任務(wù)分析1.交流電變換的種類？2.交流電如何調(diào)頻？3.交流電如何調(diào)壓？

交流電的三要素包括幅值、頻率和相位。

AC-AC變換電路就是實(shí)現(xiàn)將一種交流波形轉(zhuǎn)換為另一種交流波形，輸出電壓幅值和頻率均可調(diào)節(jié)的電力電子裝置。但實(shí)際上，AC-AC變換電路對(duì)波形相位的變換是比較困難的。按照其對(duì)交流電波形的控制，主要可實(shí)現(xiàn)以下三種功能的基本電路。一、AC-AC變換電路概述三、收集信息1、交流調(diào)壓電路只改變輸出電壓、電流的幅值的電路三、收集信息2、交流調(diào)功電路對(duì)電路周期通斷進(jìn)行控制的電路。三、收集信息3、交流調(diào)頻電路改變交流電輸出頻率的電路。這種AC-AC直接變頻電路功能是受限的，其輸出頻率小于輸入頻率。新能源汽車上一般采用的是交-直-交間接式變頻器。三、收集信息

交流調(diào)壓電路按照調(diào)節(jié)交流電的相數(shù)不同，分為單相交流調(diào)壓電路和三相交流調(diào)壓電路。按照控制的方式不同，又可分為整周波通斷控制、相位控制和斬波控制三種。

二、交流調(diào)壓電路三、收集信息

整周波控制方式的交流調(diào)壓電路，是采用晶閘管作為開關(guān)器件，控制負(fù)載與電源周期性通斷，通過改變導(dǎo)通和斷開的比例來調(diào)節(jié)負(fù)載電壓的有效值。

相位控制的交流調(diào)壓電路是通過改變電源交流波形的觸發(fā)延遲角α，改變晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間，從而達(dá)到改變負(fù)載通電時(shí)間的方式進(jìn)行調(diào)壓。

斬波控制可采用IGBT等全控型功率開關(guān)器件，控制交流電壓周期內(nèi)多次通斷，使電壓波形形成多個(gè)脈沖，通過改變導(dǎo)通比來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。

三種控制方式中應(yīng)用較多的是相位控制交流調(diào)壓電路，相比一般的變壓器，具有體積小、效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。二、交流調(diào)壓電路三、收集信息1、單相交流調(diào)壓電路

該電路主要元件由交流電源Vs；兩個(gè)反向并聯(lián)晶閘管S1、S2；負(fù)載R。

該電路采用了半控型開關(guān)器件晶閘管，其工作特點(diǎn)為門極有正向觸發(fā)電壓時(shí)導(dǎo)通，主回路電流小于最低維持電流時(shí)關(guān)斷。三、收集信息

波形圖中的α為晶閘管導(dǎo)通延遲角度。根據(jù)晶閘管工作特性，電路基本工作過程分為以下四個(gè)階段：

①在t0～t1區(qū)間。交流電源處于正半波，S1正向偏置，S2反向偏置。晶閘管沒有觸發(fā)信號(hào)，S1、S2均不導(dǎo)通，輸出電壓Vo=0，開關(guān)電壓Vsw=Vs。②在t1～t2區(qū)間。交流電源處于正半波，S1正向偏置，S2反向偏置。此時(shí)給S1觸發(fā)信號(hào)使其導(dǎo)通，S2保持關(guān)斷，輸出電壓Vo=Vs，開關(guān)電壓Vsw=0。③在t2～t3區(qū)間。交流電源處于負(fù)半波，S1反向偏置，S2正向偏置。t2時(shí)刻交流電源Vs過零，正向電流減小為0，晶閘管S1、S2均關(guān)斷，輸出電壓Vo=0，開關(guān)電壓Vsw=Vs。④在t3～t4區(qū)間。交流電源處于負(fù)半波，S1反向偏置，S2正向偏置。此時(shí)給S2觸發(fā)信號(hào)使其導(dǎo)通，S1保持關(guān)斷，輸出電壓Vo=Vs，開關(guān)電壓Vsw=0。三、收集信息

以上工作過程中，從輸入波形Vs與輸出電壓Vo波形的對(duì)比可以看出，輸出電壓Vo隨著正負(fù)半波過零點(diǎn)時(shí)延遲角α的增大而減小，從而得到調(diào)節(jié)后的電壓值，由于正負(fù)半波過零點(diǎn)后的α值相等，故輸出交流電平均值仍為0。

三、收集信息2、三相交流調(diào)壓電路

三相交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)與單相交流調(diào)壓電路類似，電路接入三相交流電源，每相互隔2π/3相位工作。

如圖所示，根據(jù)三相電路連接形式不同，常見分為以下四種：星形聯(lián)結(jié)、線路控制三角形聯(lián)結(jié)、支路控制三角形聯(lián)結(jié)、中點(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié)。三、收集信息

如圖所示為阻性負(fù)載星形聯(lián)結(jié)三相交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)示意圖。

該電路主要元件由三相交流電源Van、Vbn、Vcn；六個(gè)反向并聯(lián)晶閘管S1、S2、S3、S4、S5、S6；負(fù)載R。

三相交流調(diào)壓電路任一相導(dǎo)通時(shí)必須和另一相構(gòu)成回路，把相電壓過零定為延遲角α的起點(diǎn)。與三相橋式整流電路類似，電流流通路徑有兩個(gè)晶閘管。下面以晶閘管導(dǎo)通延遲角α=30°時(shí)A相正半周電壓Van的波形控制為例，解析電路調(diào)壓原理。如圖b所示，電路工作過程分為以下六個(gè)階段：三、收集信息①在t0～t1區(qū)間。t0時(shí)刻，A相電壓Van過零點(diǎn)，晶閘管S1無觸發(fā)信號(hào)，S1處于關(guān)斷狀態(tài)，A相輸出電壓Vao=0。此時(shí)C相電壓Vcn處于正半波，B相電壓Vbn處于負(fù)半波，晶閘管S5和S6處于兩管導(dǎo)通狀態(tài)。②在t1～t2區(qū)間。t1時(shí)刻，A相電壓Van過零點(diǎn)延遲30°相位角，晶閘管S1觸發(fā)導(dǎo)通。此時(shí)S5和S6仍然導(dǎo)通，此時(shí)電路處于三管導(dǎo)通狀態(tài)。由于三相電路輸出均衡，此時(shí)A相輸出電壓Vao=Van，即A相負(fù)載電壓等于A相相電壓。③在t2～t3區(qū)間。t2時(shí)刻，C相電壓Vcn過零點(diǎn)，晶閘管S5處于關(guān)斷狀態(tài)，S1和S6仍然導(dǎo)通，電路處于兩管導(dǎo)通狀態(tài)。由于三相只有A、B兩相導(dǎo)通，則此時(shí)A相輸出電壓為A、B兩相線電壓的一半，即Vao=Vab/2。④在t3～t4區(qū)間。T3時(shí)刻，C相電壓Vcn過零點(diǎn)延遲30°相位角，晶閘管S2觸發(fā)導(dǎo)通。此時(shí)S1和S6仍然導(dǎo)通，此時(shí)電路處于三管導(dǎo)通狀態(tài)。由于三相電路輸出均衡，此時(shí)A相輸出電壓Vao=Van。⑤

在t4～t5區(qū)間。T4時(shí)刻，B相電壓Vbn過零點(diǎn)，晶閘管S6處于關(guān)斷狀態(tài)，S1和S2仍然導(dǎo)通，電路處于兩管導(dǎo)通狀態(tài)。由于三相只有A、B兩相導(dǎo)通，則此時(shí)A相輸出電壓為A、C兩相線電壓的一半，即Vao=Vac/2。⑥在t5～t6區(qū)間。T5時(shí)刻，B相電壓Vbn過零點(diǎn)延遲30°相位角，晶閘管S3觸發(fā)導(dǎo)通。此時(shí)S1和S2仍然導(dǎo)通，此時(shí)電路處于三管導(dǎo)通狀態(tài)。由于三相電路輸出均衡，此時(shí)A相輸出電壓Vao=Van。三、收集信息

通過以上的電路工作過程分析，結(jié)合圖c可知，A相負(fù)半周電壓波形輸出情況與A相正半周軸對(duì)稱，B相和C相輸出波形與A相相似。

相位控制的三相交流調(diào)壓電路，通過改變導(dǎo)通延遲角α的值，可以減小電路交流輸出電壓值，實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓的目的。下圖為導(dǎo)通延遲角α等于30°、60°、90°和120°時(shí)，電路A相輸出電壓Vao的波形。從圖中可知，隨著α值的增大，輸出電壓Vao越低。值得注意的是，當(dāng)α=90°時(shí)，電路開始出現(xiàn)斷流的情況，α=150°時(shí)電路將不能工作。三、收集信息

AC-AC直接變頻電路只能把一種交流電的頻率往下調(diào)，而不能往上調(diào)，這是由AC-AC調(diào)頻電路的原理所決定的。這種直接變頻電路并不能滿足電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能要求，因此在電動(dòng)汽車電機(jī)控制器中，普遍采用了交-直-交型的間接變頻器，以滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率輸出的控制。AC-AC變頻電路根據(jù)工作原理不同分為：采用傳統(tǒng)相位控制的周波變換器和采用斬波控制的矩陣變換器。下面主要以周波變換器為例進(jìn)行介紹。

三、交流調(diào)頻電路三、收集信息1、單相AC-AC變換電路（1）電路結(jié)構(gòu)及工作原理

如下圖a所示為相位控制的調(diào)頻電路結(jié)構(gòu)示意圖。電路輸入三相交流電源，由三相半波相控整流電路，共兩組且反向并聯(lián)構(gòu)成。

一組半波整流器為正組P，另一組半波整流器為反組N，Load為負(fù)載。其中，正組P與反組N內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致，如下圖b所示。三、收集信息

當(dāng)正組P工作時(shí)，反組N被封鎖，負(fù)載電流為正。當(dāng)反組N工作時(shí)，正組P被封鎖，負(fù)載電流為負(fù)。讓兩組半波整流器按一定的頻率（低于三相電源頻率）交替工作，即可在負(fù)載兩端得到該頻率的交變輸出電壓。由于正組P與反組N采用相控整流電路，根據(jù)觸發(fā)延遲角α的不同，輸出波形可以是方波或正弦波。①方波型：若正、反組工作期間觸發(fā)延遲角α不變，則輸出電壓波形為方波。頻率的調(diào)節(jié)只需要保證三相電源同時(shí)改變相同的觸發(fā)延遲角α，就可以得到降低頻率的脈沖方波。這種控制方式簡單，但方波中諧波成分比較大，對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作很不利。電路具有電流單相導(dǎo)通的特點(diǎn)，負(fù)載電流為正時(shí)，正組工作，負(fù)載電流為負(fù)時(shí)，則反組工作。②正弦波型：若正、反組工作期間觸發(fā)延遲角α不是固定不變的，而是按照一定的規(guī)律變化，比如按照正弦規(guī)律改變?chǔ)两牵瑒t可在負(fù)載兩端得到符合正弦變化規(guī)律的交變輸出電壓。正弦波的諧波成分小，電路同樣符合電流單相導(dǎo)通的特點(diǎn)。三、收集信息

如下圖所示為三相半波整流電路（正半周）輸出波形示意圖。通過改變?nèi)嘟涣麟娒肯嗟挠|發(fā)延遲角α值，就可以改變輸出電壓的幅值。在正組P工作的半個(gè)波形周期內(nèi)，如果控制α的角度符合正弦變化的規(guī)律，從α=90°（輸出電壓為0）開始，逐漸減小為α=0°（輸出電壓最大），再逐漸增大為α=90°。負(fù)載上的輸出電壓經(jīng)過簡單的濾波后，就得到了一個(gè)正弦交流電壓的正半周波形。從下圖中我們可以得知，輸出電壓并不平滑，是由每個(gè)周期內(nèi)A、B、C三相交流電的拼接組合而成的正弦波形，在正組工作期間其輸出平均值為交流正弦電壓。一個(gè)正半周的正弦波形需要由若干個(gè)周期內(nèi)的三相交流電波形構(gòu)成。因此，其輸出頻率的調(diào)節(jié)只能下調(diào)而不能升高。反組N的工作情況與正組P相似，當(dāng)反組N工作時(shí)，產(chǎn)生負(fù)半波的電壓輸出波形。以上分析可知，采用相控方式的AC-AC變頻電路不僅可以調(diào)頻，還可以調(diào)壓。三、收集信息1、單相AC-AC變換電路（2）電路工作過程分析周波變換器的負(fù)載可以是阻性負(fù)載、阻感性負(fù)載或阻容性負(fù)載以及電動(dòng)機(jī)負(fù)載。以下用阻感性負(fù)載來分析周波變換器電路的整流和逆變工作狀態(tài)。

如左圖a所示為經(jīng)過理想化處理后的周波變換電路，忽略相電壓的脈動(dòng)，等效為正弦交流電源與二級(jí)管的串聯(lián)電路。電路帶阻感性負(fù)載，故負(fù)載電流滯后于電壓的角度為φ。

如左圖b所示為電路在無環(huán)流模式下工作輸出的電壓及電流波形，電流的方向決定了正反組開始工作的時(shí)刻。其主要工作狀態(tài)分以下兩個(gè)階段：三、收集信息①在t0～t2區(qū)間，負(fù)載電流為正半波，正組工作，反組封鎖。在t0～t1區(qū)間，輸出電壓和輸出電流為正，正組處于整流工作狀態(tài)，輸出功率為正；在t1～t2區(qū)間，輸出電壓為負(fù)，輸出電流為正，正組處于逆變工作狀態(tài)，輸出功率為負(fù)。②在t2～t4區(qū)間，負(fù)載電流為負(fù)半波，反組工作，正組封鎖。在t2～t3區(qū)間，輸出電壓和輸出電流為負(fù)，反組處于整流工作狀態(tài)，輸出功率為正；在t3～t4區(qū)間，輸出電壓為正，輸出電流為負(fù)正，反組處于逆變工作狀態(tài)，輸出功率為負(fù)。

從以上階段可以得出，正反組工作時(shí)刻是由電流過零點(diǎn)換向時(shí)刻決定的，而電壓和電流同向是整流階段，反向是逆變階段。三、收集信息以上是基于一個(gè)理想化模型進(jìn)行的分析，在實(shí)際電路應(yīng)用中，還要考慮實(shí)現(xiàn)無環(huán)流工作模式下的死區(qū)時(shí)間間隔。如下圖所示為周波變換電路一個(gè)周期內(nèi)輸出電壓及電流波形示意圖，由于電路是阻感性負(fù)載，則電流相當(dāng)于進(jìn)行了一階濾波。電路具體工作過程可分為以下六個(gè)階段：三、收集信息①區(qū)間1：電流為負(fù)，電壓為正，此時(shí)反組整流器工作，正組封鎖，反組處于逆變狀態(tài)。②區(qū)間2：電流在0附近波動(dòng)，正組和反組均不工作，此階段為無環(huán)流死區(qū)。③區(qū)間3：電流為正，電壓為正，此時(shí)正組整流器工作，反組封鎖，正組處于整流狀態(tài)。④區(qū)間4：電流為正，電壓為負(fù)，此時(shí)正組整流器工作，反組封鎖，正組處于逆變狀態(tài)。⑤區(qū)間5：電流在0附近波動(dòng)，正組和反組均不工作，此階段為無環(huán)流死區(qū)。⑥區(qū)間6：電流為負(fù)，電壓為負(fù)，此時(shí)反組整流器工作，正組封鎖，反組處于整流狀態(tài)。三、收集信息2、三相AC-AC變換電路

在實(shí)際使用的交流調(diào)速系統(tǒng)中，特別是低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩輸出的設(shè)備中運(yùn)用較多的是三相AC-AC變換電路。三相AC-AC變換電路由三組互隔120°的單相AC-AC變換電路組成。主要應(yīng)用的形式有兩種：