交直交變頻電路基礎

1、交直交變頻電路基礎第1頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日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) 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。整流器輸入AC濾波器逆變器DCDCAC輸出第2頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日變頻器的電路

2、構成逆變器: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,稱為無源逆變器。它是變頻器的核心。整流器輸入AC濾波器逆變器DCDCAC輸出第3頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日變頻器的基本工作原理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，可控關斷的電力電子開關，切換電流方向，將直流電能轉換成交流電能。a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2負載改變對負載的供電電壓改變對負載的供電頻率對變頻器的要求：第4頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日變頻器

3、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為負第5頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日變頻器的工作原理改變兩組開關切換頻率，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a)b)tS1S2S

4、3S4iouoUduoiot1t2負載第6頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日變頻器的工作原理3.變頻器常用的調壓方法:可控整流器調壓：根據負載對變頻器輸出電壓的要求，通過可控整流器 實現對變頻器輸出電壓的調節(jié)。直流斬波器調壓：采用不可控整流器，保證變頻器電源側有較高的功率 因數，在直流環(huán)節(jié)中設置直流斬波器完成電壓調節(jié)。逆變器自身調壓：采用不可控整流器，通過逆變器自身的電子開關進行 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，便可達到調節(jié)輸出電壓的目的。這種 方法稱為脈寬調制(Pulse Width Modulation-PWM)根據調制波形的不同，可分為：

5、單脈沖調制：在輸出電壓波形的半周期內只有一個脈沖。多脈沖調制：在輸出電壓波形的半周期內有多個脈沖。正弦波脈寬調制：在輸出電壓波形的半周期內為多脈沖調制，而且每 個脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化。第7頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日二.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。第8頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日2.按電子開關的開關頻率分類：半周期內星形負載

6、的等值電路為：N+V1V4V5ZZZABCE-V3V6V2u2uaubucOwtZZZABCZZZZZZ+-E+-E+-EABCABC00600001206000180120第9頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日按電子開關的開關頻率分類半周期內星形負載的等值電路為：行。在同一組相鄰橋臂上進個電子開關導通，換流任何時刻都有2N+V1V4V5ZZZABCE-V3V6V2u2uaubucOwtZZZABCZZZZZZ+-E+-E+-EABCABC00600001206000180120第10頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日三.逆變器中的電子開關1.逆變器對電

7、子開關的要求：對正向電流既能控制開通，又能控制關斷。高開關速度和低能量損耗。有足夠的電壓和電流定額。提供滯后電流通路。采用逆導型電力電子開關(由單向導電電子開關與開關二極管反并聯而成)2.器件換流方式：電流從一個支路向另一個支路轉移的過程，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)實現晶閘管的關斷。負載換流：利用負載電流自然過零實現晶閘管的關斷。第11頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日6.4 全控型器件逆變器一.單相半橋式逆變器1.主電路2.工作過程及波形分析V1和V2柵極信號在一周期內各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud

8、/2V1或V2通時，io和uo同方向，直流側向負載提供能量；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。+-RLa)ttOO導通元件b)UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2C1C212CC電容和一方面是直流電源的分壓電路，另一方面又是直流電源的濾波環(huán)節(jié)。第12頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日二.單相全橋式逆變器1.主電路2.工作過程及波形分析V1和V4一對， V2和V3另一對，成對橋臂同時導通

9、，兩對橋臂交替導通.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。當負載為感性時，V1 、 V4關斷后，由VD2、VD3提供負載續(xù)流回路，電流過零時V2 、 V3導通；V2 、 V3關斷后，由VD1、VD4提供負載續(xù)流回路，電流過零時V1 、 V4導通；+-CRLa)UdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4ttOO導通元件b)Um-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V4V3VD3VD2VD1VD4V1V4VD3VD2VD1VD4第13頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日三. 三相橋式電壓型逆變器1.主電路結構NN

10、+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2第14頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日三相橋式電壓型逆變器-主電路結構 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，在主開關元件關斷后，同一相另一橋臂上的反饋二極管導通，為負載續(xù)流。NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2第15頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日三相橋式電壓型逆變器-主電路結構三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路應用最廣的是三相橋式逆變電路可看成由三個半

11、橋逆變電路組成NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2第16頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日三相橋式電壓型逆變器2.控制方式NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2第17頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日180導電方式 每橋臂導電180，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120 任一瞬間有三個橋臂同時導通 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流三相橋式電壓型逆變器NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2V

12、D3VD4VD5VD6Ud2Ud2第18頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日3.波形分析 負載各相到電源中點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NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2第19頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日三相橋式電壓型逆變器-波形分析 負載線電壓 負載相電壓NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2UVUNVNVWVNWNWUWNUN uuuuuuuuu=-=-=-UNUN NN V

13、NVN NN WNWN NN uuuuuuuuu=-=-=-第20頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日三相橋式電壓型逆變器-波形分析負載相電壓負載中點和電源中點間電壓 負載三相對稱時有uUN+uVN+uWN=0，于是 NN UN VN WN UNVNWN11()()33uuuuuuu=+-+NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2第21頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日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NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD

14、5VD6Ud2Ud2tOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)uUNuUNuUViUuVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3第22頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日三相橋式電壓型逆變器V1V4V5ABCU-V3V6V2VD1VD3VD5VD4VD6VD2+2U2UO3M第23頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日6.5 PWM控制技術PWM (Pulse Width Modulation)：脈寬調制脈寬調制技術：通過對一系列脈沖的寬度進行調制，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，全控型器件的發(fā)展使得

15、實現PWM控制變得十分容易。 PWM技術的應用十分廣泛，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的發(fā)展史上占有十分重要的地位。 現在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術。第24頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日一. 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)的輸出響應波形基本相同PWM控制技術理論基礎 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有 慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。第25頁，共38頁，2022年，

16、5月20日，9點7分，星期日i(t )e(t) 實例以上實例說明了“面積等效原理”電路輸入：e(t)電路輸出：i(t)PWM控制的基本原理第26頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日1. 如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替正弦半波SPWM波若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。二.正弦波脈寬調制（SPWM）技術OutOutOut第27頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日正弦波脈寬調制（SPWM）技術 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 SPWM是指按正弦波規(guī)律調制輸

17、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的平均值對時間 按正弦規(guī)律變化。第28頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日正弦波脈寬調制（SPWM）技術 根據面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM 波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。OwtUd-Ud第29頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日調制法根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算PWM 波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路開關器件的通 斷，就可得到所需PWM波形本法較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化 時，結果都要變化計算法2. 正弦波脈寬調制（SPWM）原理把希望輸出的波

18、形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，經過信號波的調制得到所期望的PWM波形。在載波與調制波的交點時刻對電路中開關器件的通斷進行控制，得到寬度正比于調制信號波幅值的脈沖。第30頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日正弦波脈寬調制（SPWM）原理根據三角波和正弦波相對極性不同，可分為：單極性SPWM雙極性SPWM SPWM技術采用等腰三角波電壓作為載波信號，正弦波電壓作為調制信號，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。第31頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日正弦波脈寬調制（SPWM）技術 結合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對

19、調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：以uo正半周為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷信號波載波圖6-4調制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc第32頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日（1）單極性PWM控制方式信號波載波圖6-4調制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc圖6-5urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud保持相同極性與即為負極性三角波負半周：為正極性三角波正半周：為正弦波調制信號crcrcrruuuuuuu=03421OcrdOcrruVuuuuVuuVVu導通，

20、時，導通，時，保持斷態(tài)保持通態(tài)，正半周：=dOcrOcrruuVuuuVuuVVu導通，時，導通，時，保持通態(tài)保持斷態(tài)，負半周：34210第33頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日（2）雙極性PWM控制方式信號波載波圖6-4調制電路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc圖6-6urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud極性有正有負負半周：極性有正有負正半周：為正弦波調制信號crcrruuuuu=導通和導通和關斷，和導通，和時，4141324100VDVDiVViuuVVVVuuOOdOcr=導通和導通和導通，和關斷，和時，3232324100VViVDVDiuuVVVVuuOOdOcr第34頁，共38頁，2022年，5月20日，9點7分，星期日3.異步調制和同步調制載波比載波頻率fc與調制信號頻率fr之比，N= fc / fr根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式分為異步調制和同步調制(1) 異步調制載波信號和調制信號不同步的調制方式通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的在信號波的半周期內，PWM波的脈沖個數不固定，相位也不固定