交-直-交變頻電路基礎(chǔ).ppt

第六章 交-直-交變頻電路基礎(chǔ),6.1 變頻器的基本概念,6.4 全控型器件逆變器,6.5 PWM控制技術(shù),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(dòng)的直流量濾波成平直的直流量,可以對(duì)直流電壓濾波(用電容),也可以對(duì)直流電流濾波(用電感),因?yàn)槟孀兤鞯呢?fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載，無(wú)論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會(huì)為1，總會(huì)有無(wú)功功率的交換，要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件來(lái)緩沖。,變頻器的電路構(gòu)成,逆變器:將直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔?直接供給負(fù)載,它的輸出頻率和電壓均與交流輸入電源無(wú)關(guān),稱為無(wú)源逆變器。它是變頻器的核心。,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(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。,用可控開(kāi)通，可控關(guān)斷的電力電子開(kāi)關(guān)，切換電流方向，將 直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。,變頻器的工作原理,S1、S4閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正,S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù),變頻器的工作原理,改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。,電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。,阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同。,阻感負(fù)載工作過(guò)程分析：,t1前：S1、S4通，uo和io均為正。,t1時(shí)刻斷開(kāi)S1、S4，合上S2、S3，uo變負(fù)，但io不能立刻反向。,io從電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時(shí)刻降為零，之后io才反向并增大,變頻器的工作原理,3.變頻器常用的調(diào)壓方法:,可控整流器調(diào)壓：根據(jù)負(fù)載對(duì)變頻器輸出電壓的要求，通過(guò)可控整流器 實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)逆變器自身的電子開(kāi)關(guān)進(jìn)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(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。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(gè)脈沖。,多脈沖調(diào)制：在輸出電壓波形的半周期內(nèi)有多個(gè)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(gè)脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化。,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。,2.按電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率分類：,半周期內(nèi)星形負(fù)載的等值電路為：,按電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率分類,半周期內(nèi)星形負(fù)載的等值電路為：,三.逆變器中的電子開(kāi)關(guān),1.逆變器對(duì)電子開(kāi)關(guān)的要求：,對(duì)正向電流既能控制開(kāi)通，又能控制關(guān)斷。,高開(kāi)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(kāi)關(guān)(由單向?qū)щ婋娮娱_(kāi)關(guān)與開(kāi)關(guān)二極管反并聯(lián)而成),2.器件換流方式：,電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱換相,自換流型：采用全控型器件。,強(qiáng)迫換流：附加強(qiáng)迫換流環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)晶閘管的關(guān)斷。,負(fù)載換流：利用負(fù)載電流自然過(guò)零實(shí)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.工作過(guò)程及波形分析,V1和V2柵極信號(hào)在一周期內(nèi)各半周正偏、 半周反偏，兩者互補(bǔ)，輸出電壓uo為矩形波， 幅值為Um=Ud/2,V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載 提供能量； VD1或VD2通時(shí)，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(fù)載 電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。,二.單相全橋式逆變器,1.主電路,2.工作過(guò)程及波形分析,V1和V4一對(duì)， V2和V3另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通.,uo波形同半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Ud,io波形和半橋電路的io相同，幅值增加一倍。,當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，V1 、 V4關(guān)斷后，由 VD2、VD3提供負(fù)載續(xù)流回路，電流過(guò)零 時(shí)V2 、 V3導(dǎo)通；,V2 、 V3關(guān)斷后，由VD1、VD4提供負(fù)載 續(xù)流回路，電流過(guò)零時(shí)V1 、 V4導(dǎo)通；,三. 三相橋式電壓型逆變器,1.主電路結(jié)構(gòu),三相橋式電壓型逆變器-主電路結(jié)構(gòu),反饋二極管用于提供負(fù)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(kāi)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(fù)載續(xù)流。,三相橋式電壓型逆變器-主電路結(jié)構(gòu),三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路 應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路 可看成由三個(gè)半橋逆變電路組成,三相橋式電壓型逆變器,2.控制方式,180導(dǎo)電方式 每橋臂導(dǎo)電180，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度差120 任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流,三相橋式電壓型逆變器,3.波形分析,負(fù)載各相到電源中點(diǎn)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,三相橋式電壓型逆變器-波形分析,負(fù)載線電壓,負(fù)載相電壓,三相橋式電壓型逆變器-波形分析,負(fù)載相電壓,負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓,負(fù)載三相對(duì)稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是,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,三相橋式電壓型逆變器,6.5 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(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)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(shí)現(xiàn)PWM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。,現(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術(shù)。,一. PWM控制的基本原理,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),實(shí)例,以上實(shí)例說(shuō)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,1. 如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)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(diào)制（SPWM）技術(shù),正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù),對(duì)于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波 形，因此正弦波一個(gè)完整周期的等效PWM波為：,O,w,t,U,d,-U,d,SPWM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(duì)時(shí)間 按正弦規(guī)律變化。,正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù),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(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。,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(jì)算PWM 波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開(kāi)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(shí)，結(jié)果都要變化,計(jì)算法,2. 正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）原理,把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為 載波，經(jīng)過(guò)信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。,在載波與調(diào)制波的交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行 控制，得到寬度正比于調(diào)制信號(hào)波幅值的脈沖。,正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）原理,根據(jù)三角波和正弦波相對(duì)極性不同，可分為： 單極性SPWM 雙極性SPWM,SPWM技術(shù)采用等腰三角波電壓作為載波信號(hào)，正弦波電壓作為調(diào)制信號(hào)，通過(guò)正弦波電壓與三角波電壓信號(hào)相比較的方法，確定各分段矩形脈沖的寬度。,正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù),結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對(duì)調(diào)制法進(jìn)行說(shuō)明,工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)， V3和V4通斷也互補(bǔ),控制規(guī)律：,以u(píng)o正半周為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷,（1）單極性PWM控制方式,（2）雙極性PWM控制方式,3.異步調(diào)制和同步調(diào)制,載波比,載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，N= fc / fr,根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制,(1) 異步調(diào)制,載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式,通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的 在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱 當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小 當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱的影響就變大,(2) 同步調(diào)制,載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時(shí) 使載波與信號(hào)波保持同步，即N等于常數(shù)。,同步調(diào)制三相PWM波形,異步調(diào)制和同步調(diào)制,異步調(diào)制和同步調(diào)制,分段同步調(diào)制方式舉例,分段同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用,討論：,把整個(gè)fr