第六章交直交变频1

第六章交-直-交变频电路基础本章要点1.变频器的工作原理及基本类型2.全控型器件逆变器3.PWM技术基础及正弦波脉宽调制原理4.换流原理5.软开关技术简介变频器的电路构成变频器先将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能，再将直流电能变换为频率和电压符合要求的交流电能，供负载使用。变频器构成原理如下图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。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。整流器输入AC滤波器逆变器DCDCAC输出变频器的工作原理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。a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2负载变频器的工作原理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。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。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)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。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：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。电流型逆变器：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。变频器中逆变器的基本类型2.按电子开关的开关频率分类1800导电型逆变器：三相逆变器的6个电子开关按顺序相差600导通，每个开关导通1800。任何时候都有3个开关导通，换流在同一相的两个桥臂上进行。其输出电压波形与负载的功率因数无关。半周期内星型负载的等值电路为N+V1V4V5ZZZABCE-V3V6V2u2uaubucOtZZZABCZZZZZZ+-E+-E+-EABCABC0060~000120~6000180~120变频器中逆变器的基本类型2.按电子开关的开关频率分类1200导电型逆变器：三相逆变器的6个电子开关按顺序相差600导通，每个开关导通1200。任何时候都有2个开关导通，换流在同一组的相邻桥臂上进行。其输出电压波形受与负载的功率因数影响。半周期内星型负载的等值电路为N+V1V4V5ZZZABCE-V3V6V2u2uaubucOtZZZABCZZZZZZ+-E+-E+-EABCABC0060~000120~6000180~120逆变器对电子开关的要求1.对正向电流既能控制开通，又能控制关断。2.高开关速度和低能量损耗。3.有足够的电压和电流定额。4.提供滞后电流通路。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。电力电子开关可以采用GTR、MOSFET、GTO、IGBT、IGCT等，也可采用晶闸管。i逆变器对电子开关的要求晶闸管电子开关晶闸管容量大、耐压高是构成大容量电力电子开关的必要器件，但晶闸管没有门极控制关断能力，用于逆变器电子开关时必须附加换流回路。换流回路用于晶闸管的关断，可以运用负载换流方式和强迫换流方式。负载换流：负载并联（或串联）换流电容，是负载电流超前于负载电压，在负载电流过零点使导通的晶闸管关断，并承受一段时间的反向电压。强迫换流：电路中附加强迫换流环节，换流环节中具有储能元件，换流前应储存足够能量，在换流时通过控制产生短暂电流脉冲或振荡电流，迫使导通晶闸管的阳极电流下降为零，并能施加反向电压，使晶闸管关断。全控器件电子开关全控器件具有自关断能力，仅反并联二极管就可构成符合要求的逆导型电力电子开关。全控器件的换流方式为器件换流：利用电力电子器件自身所有的关断能力进行换流称为器件换流。单相全控器件半桥式逆变器它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容C1和C2，且满足C1=C2。设感性负载连接在A、0两点间。T1和T2之间存在死区时间，以避免上、下直通，在死区时间内两晶体管均无驱动信号。单相半桥式逆变器工作原理在一个周期内，电力晶体管T1和T2的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。若负载为阻感负载，设t2时刻以前，T1有驱动信号导通，T2截止，则u0=Ud/2。t2时刻关断的T1，同时给T2发出导通信号。由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，于是D2导通续流，u0=－Ud/2。t3时刻i。降至零，D2截止，T2导通，i。开始反向增大，此时仍然有u0=－Ud/2。在t4时刻关断T2，同时给T1发出导通信号，由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，D1先导通续流，此时仍然有u0=Ud/2；t5时刻i。降至零，T1导通，u0=Ud/2；输出电压有效值为:基波分量的有效值为:221202dTdsoUdtUTUsddoUUU45.0221单相半桥式逆变器特点优点：简单，使用器件少；缺点：1）交流电压幅值仅为Ud/2；2）直流侧需分压电容器；3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接LC滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输出电压中的高次谐波。应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；单相全控器件全桥式逆变器全控型开关器件T1和T4构成一对桥臂，T2和T3构成一对桥臂,T1和T4同时通、断；T2和T3同时通、断。T1(T)4与T2(T3)的驱动信号互补，即T1和T4有驱动信号时，T2和T3无驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通180°。单相全桥式逆变器工作原理纯电阻负载时输出电压有效值为:基波分量的有效值为:阻感负载RL时0≤ωt≤θ期间，T1和T4有驱动信号，由于电流i0为负值，T1和T4不导通，D1、D4导通起负载电流续流作用，u0=+Ud。θ≤ωt≤π期间，i0为正值，T1和T4才导通。π≤ωt≤π+θ期间，T2和T3有驱动信号，由于电流i0为负值，T2、T3不导通，D2、D3导通起负载电流续流作用，u0=－Ud。π+θ≤ωt≤2π期间，T2和T3才导通。dTdsoUdtUTUs2021ddoUUU9.0241三相全控器件桥式电压型逆变器工作过程：电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为180°导电型，即每个桥臂的导电角为180°，同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各相开始导电的时间依次相差120°。在一个周期内，6个开关管触发导通的次序为T1→T2→T3→T4→T5→T6，依次相隔60°，任一时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组合工作60°。三相全控器件桥式电压型逆变器各相负载相电压和线电压波形：将一个工作周期分成6个区域。在0ωt≤π/3区域，设ug10,ug20,ug30，则有T1，T2，T3导通，式中Ud为逆变器输入直流电压。dcadbcabUuUuu0dcNdbNdaNUuUuUu323131相电压线电压根据同样的思路可得其余5个时域的值dmBNUU21dmBCUU321相电压基波幅值线电压基波幅值三相桥式电压型逆变器工作状态三相全控器件桥式电流型逆变器工作方式：导电方式为120°导通、横向换流方式，任意瞬间只有两个桥臂导通。导通顺序为T1→T2→T3→T4→T5→T6，依次间隔60°，每个桥臂导通120°。这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。输出电流波形与负载性质无关。输出电压波形由负载的性质决定。输出电流的基波有效值I01和直流电流Id的关系式为：ddIII78.0601电压型逆变器特点（1）直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗状态。（2）由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形因负载阻抗角的不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。（3）当交流侧为电感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各臂都并联了续流二极管。（4）变频电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。（5）当变频电路的负载是电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给电路再反并联一套变频桥，这将使电路变得复杂。电流型逆变器特点（1）直流侧接有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗状态。（2）由于各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形因负载阻抗角的不同而不同。（3）直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反并联二极管。（4）当变频电路的负载为电动机时，若变频电路中的交—直变换是可控整流时，则可很方便地实现再生制动，不需另加一套变频桥。PWM控制技术基础PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好等优点而成为电力电子技术中应用最广泛的控制方式。在大量应用的逆变电路中，绝大部分都采用PWM控制。PWM控制是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（包括形状和幅值）。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，一直未能在电力电子领域推广。直到20世纪80年代，随着全控型电力电子器件的迅速发展，PWM控制技术才真正得到广泛应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的进步，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术。PWM控制技术基础面积等效原理从自动控制理论的学习可知，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。这里冲量指脉冲面积，效果基本相同指环节的输出波形基本相同。例如，分别将下图所示的面积相同的电压窄脉冲加在一阶惯性环节(RL电路)上，PWM控制技术基础其输出电流i(t)对不同窄脉冲的响应波形如下图所示。从波形可以看出，在上升段i(t)的形状略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅立叶级数分解后可看出，各i(t)在低频段的持性非常接近，仅在高频段有所不同。PWM控制技术基础上述原理可以称为面积等效原理。根据该原理，将平均值为up的一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲加到包含惯性环节的负载上，将与施加幅值为up的恒定直流电压所得到的结果基本相同，这样一来就可用一列脉冲波形代替直流波形。除了直流波形可用PWM波形来代替外，根据