第3章直流-交流变换电路

第3章直流-交流变换电路机械工业出版社本章要点有源逆变电路、有源逆变的条件、逆变失败与最小逆变角的限制；无源逆变电路、变频器概述；交-直-交变频器、电压型和电流型变频器、变频器180度和120度导电规则的原理与分析；SPWM变频（电压正弦PWM、电流正弦PWM、磁通正弦PWM）的原理与分析。3.1逆变的概念逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。按负载性质的不同，逆变分为有源逆变和无源逆变。1）有源逆变——可控整流电路工作在逆变状态，把该电路的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变成与交流电源同频率的交流电返送到电源。2）无源逆变或变频——可控整流电路的交流侧不与电源联接，而直接接到无源负载。3.2有源逆变电路3.2.1单相双半波有源逆变电路1、电路结构M2u2u1VT2VTLdiERdu+-+-电能dugu2u000tttdUEM2u2u1VT2VTLdiERdu+-+-电能dugu2u000tttdUE图3-12、工作原理1）整流状态（0≤α﹤90°）当α等于零时，输出电压瞬时值ud在整个周期内全部为正；当90°α0时，ud在整个周期内有正有负，但正面积总是大于负面积，故平均值Ud为正值，其极性是上正下负，如上图a。通常Ud略大于E，此时电流Id从Ud的正端流出，从E的正端流进。电机M吸收电能，作电动运行，电路把从交流电网吸收的电能转变成直流电能输送给电动机，电路工作在整流状态，电机M工作在电动状态。2）逆变状态（90°﹤α≤180°）逆变是将电机吸收的直流电能转变成交流反馈回电网。由于晶闸管的单向导电性，负载电流Id不能改变方向，只有将E反向，即电机作发电运行才能回馈电能；为避免Ud与E顺接，此时将Ud的极性也反过来，如上图b示。要使Ud反向，α应该大于90°。当α在90°﹤α≤180°间变动时，输出电压瞬时值ud在整个周期内有正有负，但负面积大于正面积，故平均值Ud为负值，见上图b所示。此时E略大于Ud，电流Id的流向是从E的正端流出，从Ud的正端流入，逆变电路吸收从电机反送来的直流电能，并将其转变成交流电能反馈回电网，这就是该电路的有源逆变状态。（a）α=60°的整流状态（b）α=120°的逆变状态单相双半波电路α=60°的整流和α=120°的逆变时的仿真波形要使整流电路工作在逆变状态，必须满足两个条件：1）变流器的输出Ud能够改变极性（内部条件）。由于晶闸管的单向导电性，电流Id不能改变方向，为实现有源逆变，必须改变Ud的极性。即让变流器的控制角α＞90°即可。2）须有外接的提供直流电能的电源E。E也要能改变极性，且有（外部条件）。3、逆变角β逆变状态时的控制角称为逆变角β，规定以α=π处作为计量β角的起点，大小由计量起点向左计算。满足如下关系：dUE3.2.2逆变失败与最小逆变角的限制1、逆变失败可控整流电路运行在逆变状态时，一旦发生换相失败，电路又重新工作在整流状态，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，使变流器的输出平均电压Ud和直流电动势E变成顺向串联，由于变流电路的内阻很小，将出现很大的短路电流流过晶闸管和负载，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。造成逆变失败的原因：（1）触发电路工作不可靠。不能适时、准确地给各晶闸管分配触发脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等。（2）晶闸管发生故障。器件失去阻断能力，或器件不能导通。（3）交流电源异常。在逆变工作时，电源发生缺相或突然消失而造成逆变失败。（4）换相裕量角不足，引起换相失败。应考虑变压器漏抗引起的换相重叠角、晶闸管关断时间等因素的影响。交流侧电抗对逆变换相过程的影响BLBLBLuvw1VT2VT3VT+-dudiMMEL01VTi2VTi3VTi0Ptdutdi1VTi2VTi3VTi2VTi3VTi图3-32、最小逆变角β确定的方法最小逆变角β的大小要考虑以下因素：1）换相重叠角γ。此值与电路形式、工作电流大小、触发角大小有关。即根据α=π-β，设β=γ，则：2）晶闸管关断时间tq所对应的电角度δ。折算后的电角度约4度～5度；mUXIsin2)cos(cos2BdmUXIsin21cos2Bd3）安全裕量角θ′。考虑到脉冲调整时不对称、电网波动、畸变与温度等影响，还必须留一个安全裕量角，一般取θ′为10度左右。综上所述，最小逆变角为：为了可靠防止β进入βmin区内，在要求较高的场合，可在触发电路中加一套保护线路，使β在减小时不能进入βmin区内，或在βmin处设置产生附加安全脉冲的装置，万一当工作脉冲进入βmin区内时，由安全脉冲在βmin处触发晶闸管，防止逆变失败。00'min35~303.2.3有源逆变的应用——两组晶闸管反并联时电动机的可逆运行下图为两组晶闸管反并联电路的框图。设P为正组，N为反组，电路有四种工作状态。4-5M+-+-+-PNd2IdIdβUEdαUM+-+-+-PNd1IdIdβUEdαU（1）正组整流上左图为正组整流工作状态。设P在控制角α作用下输出整流电压Udα，加于电动机M使其正转。当P组处于整流工作状态时，反组N不能也工作在整流状态，否则会使电流Id1不经过负载M，而只在两组晶闸管之间流通，这种电流称为环流，环流实质上是两组晶闸管电源之间的短路电流。因此，当正组整流时，反组应关断或处于待逆变状态。所谓待逆变，就是N组由逆变角β控制处于逆变状态但无逆变电流。要做到这一点，可使。这样，正组P的平均电流供电动机正转，反组N处于待逆变状态。由于，故没有平均电流流过反组，不产生真正的逆变。dαdβUUdαdβUU（2）反组逆变当要求正向制动时，流过电动机M的电流Id必须反向才能得到制动力矩，由于晶闸管的单向导电性，这只有利用反组N的逆变。为此，只要降低且使，则N组产生逆变，流过电流Id2，电机电流Id反向，反组有源逆变将电势能E通过反组N送回电网，实现回馈制动。（3）反组整流N组整流，使电动机反转，其过程与正组整流类似。（4）正组逆变P组逆变，产生反向制动转矩，其过程与组反逆变类似。dβU)(dαdβUUE3.3无源逆变（变频）电路3.3.1变频器概述将电网提供的恒压恒频CVCF(ConstantVoltageConstantFrequency)交流电变换为变压变频VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)交流电供给负载”的过程称为变频，实现变频的装置叫变频器。变频器：交-交变频器交-直-交变频器1、交-交变频器工频交流电直接变换成不同频率交流电，不通过中间直流环节，又称直接变频器或周波变换器（Cycloconverter）。没有中间直流环节，仅用一次变换实现变频，效率高。交-交变频器的主要构成环节。交-交变压变频ACCVCFACVVVF~50Hz图6-8交交变频器的主要构成环节2、交-直-交变频器先把交流电转换为直流电，经中间滤波环节后，再把直流电逆变成变压变频的交流电，又称为间接变频器。主要构成环节如图a所示。1）用可控整流器调压、用逆变器调频输入：晶闸管可控整流，功率因数低；输出：晶闸管三相六拍逆变器，输出谐波较大。2）用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频输入：不可控整流器，只整流不调压，斩波器脉宽调压，输入功率因数高；输出：逆变环节谐波较大。3）用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器调压调频输入：不可控整流器，输入功率因数高；输出：用PWM逆变，则输出谐波可以减少。输出波形非常逼近正弦波。3、电压型、电流型交-直-交变频器比较根据交-直-交变频器的中间滤波环节是采用电容性元件或是电感性元件，可以将交-直-交变频器分为电压型变频器和电流型变频器两大类。电压型变频器：中间直流环节采用电容滤波元件。电流型变频器：中间直流环节采用电感滤波元件。（1）交-直-交电压型变频器直流环节：大电容，输出电压波形平直（矩形或阶梯波）-----恒压源性质-----电压型变频器；采用二极管整流，输出采用GTR的六拍逆变。IM2VT6VD4VD2VD6VT4VT整流器逆变器图4-8三相桥式电压型交直交变频器图3-5（2）交-直-交电流型变频器直流环节：大电感，输出电流平直（矩形波或阶梯波）-----恒流源性质-----电流型变频器。L1VT2VT3VT5VT6VT4VT图4-9三相桥式电流型交-直-交变频器（3）交-直-交电压型和电流型变频器比较1）无功能量的缓冲电压型：电容储能；电流型：电感储能。2）调速时的动态响应电流型：直流电压可迅速改变，动态响应比较快；电压型：直流电压不可改变，动态响应慢。3）适用范围电压型：多电机同步运行，不可快速加减速。电流型：单电机传动，可快速起制动和可逆运行。4）回馈制动电流型变频器-----电动：UR整流α90°、CSI逆变，如图a所示；回馈制动：UR有源逆变α90°，Ud反向，CSI整流，电机发电，电流Id方向不变。如图b。电压型变频器——电动：与上同；制动：电容电压极性不能反向，无法回馈制动。只可用能耗制动或反并联另一组反向整流器，并使其工作在有源逆变状态，以通过反向制动电流，实现回馈制动。电流型变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态~URCSIM3~p+-dLdIdUeT090rs整流逆变电动(a)+-r~URCSIM3~p+-dLdIdUeT090rs有源逆变整流发电(b)-+r3.3.2无源逆变（变频）电路的原理1、单相半桥逆变电路1VT2VT1VD2VD0iUZN++dU1C2C(a)电路驱动1VT2VT驱动2VT导通导通1VT1VT2VT1VD2VD1VT2VT1VD2VD0i0i0i2TT（b）电压波形4TT43T(c)电阻负载电流波形MIRL0000d21UtttMI(d)电感负载电流波形t(e)RL负载电流波形UNu图3-82、单相全桥逆变电路1VT1VD2VT3VT4VT2VD3VD4VDdUUVZ0i驱动1VT4VT、、驱动2VT3VT驱动1VT4VT、1VD2VD3VD4VD1VT2VT3VT4VT1VD4VD1VT4VT2VD3VD2VT3VT（a）负载电压（b）电阻负载电流波形（c）电感负载电流波形（d）RL负载电流波形0i0i0iUVu0000ttttdU4T2T43TT图3-93、三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路如下图所示。三相桥式逆变电路：180°导电型交-直-交电压型120°导电型交-直-交电流型1VT1VD2VT3VT4VT5VT6VT2VD3VD4VD5VD6VDdUUVWUiViWi图3-103.3.3180度导电型的交-直-交电压型变频器6个晶闸管按一定的规则通断，将Cd送来的直流电压Ud逆变成频率可调的交流电。调压靠前级的可控整流电路完成。dU+dC1VD2VD3VD4VD1VT2VT4VTURL1L4UC1C46VD3VTVR6VTC3C6L3L6VWC2C55VD5VTL5L2UZVZWZ0WR1、主电路组成图3-11主电路=整流器+滤波电容+晶闸管逆变器整流器：单相或三相整流电路。滤波电容：Cd。逆变器：VT1~VT6主晶闸管；VD1~VD6续流二极管；RU、RV、RW为衰减电阻；L1~L6为换流电感；C1~C6为换流电容；ZU、ZV、ZW三相对称负载。2、晶闸管导通规则及输出波形分析逆变器一个周期中：（1）6个晶闸管的导通顺序为：VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1，则各晶闸管的触发间隔为60°。（2）每组晶闸管触发间隔为120°。每相晶闸管触发间隔为180°。（3）按顺序，晶闸管触发间隔为60°，每个晶闸管维持导通180°后关断(180°导电型)。6个晶闸管在360°区间里的导通情况如下表。（1）逆变器中晶闸管的导通情况（180°电压型）晶闸管区间00~600~1200~1800~2400~3000~3600VT1导通导通导通╳╳