交直交变频电路基础.ppt

第六章 交-直-交变频电路基础,第一节 变频器的基本概念,第四节 全控型器件逆变器,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),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。,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。,6.1 变频器的基本概念,2.变频器的工作原理,以单相桥式逆变电路为例,S1S4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。,6.1 变频器的基本概念,2.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,6.1 变频器的基本概念,2.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,6.1 变频器的基本概念,2.变频器的工作原理,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(Pulse Width Modulation-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。,6.1 变频器的基本概念,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。,6.1 变频器的基本概念,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：,6.1 变频器的基本概念,半周期内星形负载的等值电路为：,6.1 变频器的基本概念,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/2,V1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。,6.4 全控型器件逆变器,二.单相全桥式逆变器,1.主电路,2.工作过程及波形分析,1和4一对，2和3另一对，成对桥臂 同时导通，两对交替各导通180,uo波形同半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud,io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；,6.4 全控型器件逆变器,三.三相桥式电压型逆变器,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。,6.4 全控型器件逆变器,三.三相桥式电压型逆变器,PWM控制技术,PWM (Pulse Width Modulation)：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。,PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子 技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。,PWM控制技术,一.PWM控制的基本原理,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,一.PWM控制的基本原理,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,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。,PWM控制技术,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：,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。,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,PWM控制技术,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。,PWM控制技术,SPWM,SPWM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。,SPWM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。,由于三角波两腰间的宽度随其高度线性变化，当任一条不超过三 角波幅值的光滑曲线与三角波相交时，都会得到脉冲宽度正比于 该曲线值的一组等幅，等距的矩形脉冲列。故用正弦波电压信号 作为调制信号时，可获得脉宽正比于正弦值等幅等距的矩形脉冲 列。,根据三角波和正弦波相对极性不同，可分为单极性SPWM和 双极性SPWM。,PWM控制技术,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：,负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud,V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0,负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4 流过， 仍有uo=Ud,V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0,uo总可得到Ud和零两种电平,uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平,以uo正半周为例，V1通， V2断，V3和V4交替通断,负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。,1.单极性PWM控制方式,2.双极性PWM控制方式,PWM控制技术,根据载波和调制波是否同步以及载波比的变化情况分为：,