机电一体化技术与系统项目1---交流逆变技术

项目1交流逆变技术任务1熟悉电力电子器件一、交流逆变概述1．交流逆变技术为了改变交流电机的同步转速就必须改变输入交流电的频率。这种将来自电网的工频交流电转换为频率、幅值、相位可调的交流电的技术称为“交流逆变技术”。2．“交—直—交”逆变实现交流逆变需要一整套控制装置，这一装置称为变换器（Inverter）或称逆变器，俗称变频器。交流逆变可采用多种方式，但是为了能够对电压的频率、幅值、相位进行有效控制，绝大多数变频器都采用了图1-1.1所示的先将电网的交流输入转换为直流、然后再将直流转换为所需要的交流的逆变方式，并称之为“交—直—交”逆变或“交—直—交”变流。图1-1.1交—直—交变流二、电力电子器件1．基本要求理想的性能有如下3方面。①载流密度大、导通压降小。②耐压高、控制容易。③工作频率高、开关速度快。2．发展简况一般认为，晶闸管的出现标志着电力电子器件的诞生，其发展经历了以晶闸管为代表的第一代“半控型”器件，以GTO、GTR与功率MOSFET为代表的第二代“全控型”器件，以IGBT为代表的第三代“复合型”器件及目前以IPM为代表的第四代功率集成器件（PIC）的发展历程。3．关断不可控器件在交流电机控制系统中，关断不可控器件主要用于整流主回路，表1-1.1所示为典型产品二极管与晶闸管的技术特点与用途表。名称功率二极管晶闸管符号输出特性电压、电流波形功能说明不可控整流UAK≥0.5V时，二极管导通UAK＜0.5V时断开可控制导通、但不能控制关断UAK≥0.5V时，且iG≥0时导通导通后，只要iA大于维持电流，仍然可以保持导通状态用途高压、大电流不可控整流电路高压、大电流可控整流电路带有换流控制的逆变回路表1-1.1关断不可控型电力电子器件简表4．全控器件在交流电机控制系统中，全控型器件主要用于逆变主回路，表1-1.2所示为变频器与交流伺服常用的“全控型”电力电子器件的技术特点与用途表。名称电力晶体管功率MOSFETIGBT符号输出特性电压、电流波形功能说明当UCE＞0，开关可控状态：iB＞0时导通，iB≤0关断当UCE≤0，关断当UDS＞0，开关可控状态：UGS＞UT时导通，UGS≤UT关断当UDS≤0时，关断当UCE＞0，开关可控状态:UGE＞UGET时导通，UGE≤UGET时关断当UCE≤0时，关断用途中电压、中电流逆变与斩波中低电压、中小电流高速逆变中低电压、中小电流高速逆变表1-1.2全控型电力电子器件简表任务2掌握整流电路的分析方法一、整流电路整流电路的作用是将交流输入转换为直流输出，几乎所有的整流电路都是使用二极管或晶闸管作为整流器件。在电路的结构上，整流电路有单相半波、单相全波、三相半波、三相全波等多种，以单相桥式全波整流与三相桥式全波整流为常用，变频器、交流伺服与主轴驱动器等机电一体化控制装置的整流电路以三相桥式整流为主。在控制形式上，整流可分为“不可控整流（二极管整流）”与“可控整流（晶闸管整流）”两种。二、单相桥式整流单相二极管桥式整流电路的工作原理如图1-2.1所示。图1-2.1单相二极管不可控桥式整流电路假设电源电压为，由于π～2π区间的电压波形与0～π相同（见图1-2.2），根据面积相等的原则，整流输出的直流平均电压Ud为2sinABUUtππd0012222sind(cos)0.9πππUUttUtUU（1-2.1）图1-2.2整流平均电压Ud的计算采用晶闸管的可控整流电路与二极管整流电路类似，但晶闸管的导通受到门极触发角的控制，整流电路与输出波形如图1-2.3和图1-2.4所示。图1-2.3单相晶闸管可控桥式整流电路图1-2.4晶闸管整流平均电压Ud的计算三、三相桥式整流中大功率的整流电路都使用图1-2.5所示的三相桥式整流电路，三相整流的输入为三相交流，整流二极管的通断决定于三相交流电压的相对值，电压差值最大的两只整流管优先导通，故每周期需要进行6次换向。图1-2.5三相桥式整流电路例如，在0～π/6范围上，正向电压最大为Uc，反向电压最大为Ub，所以导通管为VD3与VD5，负载上得到的整流电压为Ucb；而在π/6～π/2范围上正向电压最大为Ua，反向电压最大仍然为Ub，所以导通管切换到VD1与VD5，负载上得到的整流电压为Uab等，故在负载上得到的波形如图1-2.6所示。图1-2.6三相整流平均电压Ud的计算任务3熟悉PWM逆变原理一、逆变的基本形式逆变电路是将直流电转换为频率、幅值、相位可调的交流电的电路。根据控制方式的不同，逆变电路可以采用“电流控制”、“电压控制”与“PWM控制”3种基本形式，其主要特点如表1-3.1所示。控制形式电流控制型电压控制型PWM控制型主回路形式表1-3.1逆变电路的基本形式与特点控制形式电流控制型电压控制型PWM控制型输出电压输出电流整流要求需要控制直流电流Id需要控制直流电压Ed要求直流电压Ed恒定直流母线需要加滤波电抗器需要加稳压电容需要加稳压电容逆变回路频率控制频率控制频率、电压控制制动形式回馈制动能耗制动能耗制动用途无刷直流电机控制永磁同步电机、感应电机控制续表1．电流控制型逆变器电流控制型逆变的原理如图1-3.1所示。图1-3.1电流控制形逆变原理图电流控制型逆变器的最大优点是电机制动的能量可返回电网，实现回馈制动（见图1-3.2）。图1-3.2电流控制形逆变器的回馈制动2．电压控制型逆变器电压控制型逆变的原理如图1-3.3所示。图1-3.3电压控制型逆变原理图逆变功率管必须并联续流二极管为电机能量返回提供通道（见图1-3.4）。图1-3.4电压控制型逆变器的制动以上电压控制型逆变的直流母线电压调节通过可控整流实现，控制相对较复杂，为此实际使用时经常采用图1-3.5所示的PAM调压方式。图1-3.5幅值可调的电压控制型逆变器二、PWM逆变原理PWM（PulseWidthModulated，晶体管脉宽调制）是一种将直流转换为宽度可变的脉冲序列的技术。PWM控制逆变具有开关频率高、功率损耗小、动态响应快等优点，它是交流电机控制系统发展与进步的基础技术，在交、直流电机控制系统与其他工业控制领域得到了极为广泛的应用。1．PWM原理PWM逆变的目的是将幅值不变的直流电压转换为交流电机控制所需的正弦波。根据采样理论，如果将面积（冲量）相等、形状不同的窄脉冲，加到一个具有惯性的环节上（如RL或RC电路），所产生的效果基本相同。根据这一原理，矩形波便可用N个面积相等的窄脉冲进行等效，当脉冲的幅值不变时，可通过改变脉冲的宽度来改变矩形波输出的幅值，这就是直流PWM调压的基本原理（见图1-3.6）。图1-3.6直流调压原理依据这一原理，图1-3.7所示的正弦波同样可以用幅值相等、宽度不同的矩形脉冲串来等效代替，并通过改变脉冲的宽度与数量，改变正弦波的幅值、相位，这就是正弦波PWM调制的基本原理，所产生的波形称为SPWM波。图1-3.7SPWM调制原理2．PWM波形的产生实际控制系统大都采用了载波调制技术来生成SPWM波。图1-3.8所示为一种最简单、最早应用的单相交流载波调制方法。当调制信号为图1-3.8（a）所示的直流（或方波）时，所产生的PWM波形为等宽脉冲直流调制波；当调制信号为图1-3.8（b）所示的正弦波时，所产生的PWM波形即为SPWM波。图1-3.8单相PWM的载波调制原理利用同样的原理，如果在三相电路中使用一个公共的载波信号来对A、B、C三相调制信号进行调制，并假设逆变电路的直流输入幅值为Ed，并选择Ed/2作为参考电位，则可以得到图1-3.9所示的Ua、Ub、Uc三相波形。3．PWM逆变的优点①简化系统结构②提高响应速度③改善调速性能④降低制造成本图1-3.9三相PWM的载波调制原理