交直交变频电路基础

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第六章交-直-交变频电路基础6.1变频器的基本概念6.4全控型器件逆变器6.5PWM控制技术 6.1变频器的基本概念一.变频器的基本工作原理1.变频器的电路构成整流器:将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能,可以是不可控的，也可以是可控的。滤波器:将脉动的直流量滤波成平直的直流量,可以对直流电压滤波(用电容),也可以对直流电流滤波(用电感)因为逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1，总会有无功功率的交换，要靠中间直流环节的储能元件来缓冲。 变频器的电路构成逆变器:将直流电能逆变为交流电能,直接供给负载,它的输出频率和电压均与交流输入电源无关,称为无源逆变器。它是变频器的核心。 变频器的基本工作原理2.变频器的工作原理以单相桥式逆变电路为例S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。用可控开通，可控关断的电力电子开关，切换电流方向，将直流电能转换成交流电能。 变频器的工作原理S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负 变频器的工作原理改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。阻感负载工作过程分析：t1前：S1、S4通，uo和io均为正。t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向。io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大 变频器的工作原理3.变频器常用的调压方法:可控整流器调压：根据负载对变频器输出电压的要求，通过可控整流器实现对变频器输出电压的调节。直流斩波器调压：采用不可控整流器，保证变频器电源侧有较高的功率因数，在直流环节中设置直流斩波器完成电压调节。逆变器自身调压：采用不可控整流器，通过逆变器自身的电子开关进行斩波控制，使输出电压为脉冲列。改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，便可达到调节输出电压的目的。这种方法称为脉宽调制(PulseWidthModulation--PWM)根据调制波形的不同，可分为：单脉冲调制：在输出电压波形的半周期内只有一个脉冲。多脉冲调制：在输出电压波形的半周期内有多个脉冲。正弦波脉宽调制：在输出电压波形的半周期内为多脉冲调制，而且每个脉冲的宽度按正弦规律变化。 二.变频器中逆变器的基本类型1.按直流输入端滤波器分类电压型逆变器：电流型逆变器：中间直流环节采用大电容作为滤波器，逆变器的输入电压平直且电源阻抗很小，类似于电压源。中间直流环节采用大电感作为滤波器，逆变器的输入电流平直且电源阻抗很大，类似于电流源。 2.按电子开关的开关频率分类：半周期内星形负载的等值电路为：40 按电子开关的开关频率分类半周期内星形负载的等值电路为： 三.逆变器中的电子开关1.逆变器对电子开关的要求：对正向电流既能控制开通，又能控制关断。高开关速度和低能量损耗。有足够的电压和电流定额。提供滞后电流通路。采用逆导型电力电子开关(由单向导电电子开关与开关二极管反并联而成)2.器件换流方式：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相自换流型：采用全控型器件。强迫换流：附加强迫换流环节实现晶闸管的关断。负载换流：利用负载电流自然过零实现晶闸管的关断。 6.4全控型器件逆变器一.单相半桥式逆变器1.主电路2.工作过程及波形分析V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。 二.单相全桥式逆变器1.主电路2.工作过程及波形分析V1和V4一对，V2和V3另一对，成对桥臂同时导通，两对桥臂交替导通.uo波形同半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Udio波形和半桥电路的io相同，幅值增加一倍。当负载为感性时，V1、V4关断后，由VD2、VD3提供负载续流回路，电流过零时V2、V3导通；V2、V3关断后，由VD1、VD4提供负载续流回路，电流过零时V1、V4导通； 三.三相桥式电压型逆变器1.主电路结构 三相桥式电压型逆变器--主电路结构反馈二极管用于提供负载滞后电流通路，可向电源反馈能量。反馈二极管与晶体管配合工作，在主开关元件关断后，同一相另一桥臂上的反馈二极管导通，为负载续流。 三相桥式电压型逆变器--主电路结构三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成 三相桥式电压型逆变器2.控制方式 180°导电方式每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°任一瞬间有三个桥臂同时导通每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流三相桥式电压型逆变器40 3.波形分析负载各相到电源中点N’的电压：U相，1通uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2三相桥式电压型逆变器 三相桥式电压型逆变器--波形分析负载线电压负载相电压 三相桥式电压型逆变器--波形分析负载相电压负载中点和电源中点间电压负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是 电压型三相桥式逆变电路的工作波形三相桥式电压型逆变器--波形分析 三相桥式电压型逆变器 6.5PWM控制技术PWM(PulseWidthModulation)：脉宽调制脉宽调制技术：通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。 一.PWM控制的基本原理方波窄脉冲三角波窄脉冲单位冲击函数正弦半波窄脉冲f(t)d(t)tOa)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)图形状不同而冲量相同的各种窄脉冲冲量指窄脉冲的面积指环节的输出响应波形基本相同PWM控制技术 i(t)e(t)实例“面积等效原理”电路输入：e(t)电路输出：i(t)PWM控制的基本原理PWM控制技术的重要理论基础 1.如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替正弦半波SPWM波若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。二.正弦波脉宽调制（SPWM）技术 正弦波脉宽调制（SPWM）技术对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-UdSPWM是指按正弦波规律调制输出脉冲列电压中的各脉冲宽度，使输出脉冲列电压在斩控周期内的平均值对时间按正弦规律变化。 正弦波脉宽调制（SPWM）技术根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。OwtUd-Ud 调制法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化计算法2.正弦波脉宽调制（SPWM）原理把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，经过信号波的调制得到所期望的PWM波形。在载波与调制波的交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，得到宽度正比于调制信号波幅值的脉冲。40 正弦波脉宽调制（SPWM）原理根据三角波和正弦波相对极性不同，可分为：单极性SPWM双极性SPWMSPWM技术采用等腰三角波电压作为载波信号，正弦波电压作为调制信号，通过正弦波电压与三角波电压信号相比较的方法，确定各分段矩形脉冲的宽度。 正弦波脉宽调制（SPWM）技术结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补控制规律：以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断 （1）单极性PWM控制方式 （2）双极性PWM控制方式 3.异步调制和同步调制载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制(1)异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大 (2)同步调制——载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。同步调制三相PWM波形(N=9)异步调制和同步调制 异步调制和同步调制 分段同步调制方式举例分段同步调制——异步调制和同步调制的综合应用讨论：把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法结论：同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近异步调制和同步调制 918 30