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1、第6章 交直交变频电路基础现在学习的是第1页，共24页6.1 变频器的基本概念变频器的基本概念一一.变频器的基本工作原理变频器的基本工作原理1.变频器的电路构成整流器整流器: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
2、交换，要靠中间直流环节的储能元件来缓冲。现在学习的是第2页，共24页6.1 变频器的基本概念变频器的基本概念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。现在学习的是第3页，共24页6.1 变频器的基本概念变频器的基本概念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为负现在学习的是第4页，共24页6.1 变频器的基本概念变频器的基本概念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
3、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才反向并增大现在学习的是第5页，共24页6.1 变频器的基本概念变频器的基本概念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：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：直流斩波器
4、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：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：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：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：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
5、化。现在学习的是第6页，共24页6.1 变频器的基本概念变频器的基本概念二二.变频器中逆变器的基本类型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。现在学习的是第7页，共24页6.1 变频器的基本概念变频器的基本概念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：现在学习的是第8页，共24页6.1 变频器的基本概念变频器的基本概念半周期内星形负载的等值电路为：现在学习的是第9页，共24
6、页6.1 变频器的基本概念变频器的基本概念三三.逆变器中的电子开关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，也称换相换相自换流型：自换流型：采用全控型器件。强迫换流：强迫换流：附加强迫换流环节实现晶闸管的关断。负载换流：负载换流：利用负载电流自然过零实现晶闸管的关断。现在学习的是第10页，共24页6.4 全控型器件逆变器全控型器件逆变器一一.单相半桥式逆变器单相半桥式
7、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/2V1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。现在学习的是第11页，共24页6.4 全控型器件逆变器全控型器件逆变器二二.单相全桥式逆变器单相全桥式逆变器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180uo波形同半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Udio波形和半桥
8、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；现在学习的是第12页，共24页6.4 全控型器件逆变器全控型器件逆变器三三.三相桥式电压型逆变器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。现在学习的是第13页，共24页6.4 全控型器件逆变器全控型器件逆变器三三.三相桥式电压型逆变器三相桥式电压型逆变器现在学习的是第14
9、页，共24页PWM控制技术控制技术PWM(Pulse Width Modulation)PWM(Pulse Width Modulation)：脉宽调制：脉宽调制脉宽调制技术脉宽调制技术：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：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）波形（含形状和幅值）PWMPWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWMPWM控制变得控制变得十分容易。十分容易。PWMPWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性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
10、此它在能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWMPWM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技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWMPWM技术。技术。现在学习的是第15页，共24页PWM控制技术控制技术一一一一.PWM.PWM.PWM.PWM控制的基本原理控制的基本原理控制的基本原理控制的基本原理方波窄脉冲三角波窄脉冲单位冲击函数正弦半波窄脉冲f(t)d(t)tOa)b)c)d)t
11、OtOtOf(t)f(t)f(t)图 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲冲量冲量指窄脉冲的面积指环节的输出响应波形基本相同现在学习的是第16页，共24页PWM控制技术控制技术一一一一.PWM.PWM.PWM.PWM控制的基本原理控制的基本原理控制的基本原理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如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波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。现在学习的是第17页，共24页PWM控制技术控制技术 对于正弦波的负半周，采取同样
12、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：OwtUd-Ud 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。OwtUd-Ud现在学习的是第18页，共24页调制法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计算法PWM控制技术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
13、制，得到宽度正比于调制信号波幅值的脉冲。现在学习的是第19页，共24页PWM控制技术控制技术SPWMSPWMSPWM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
14、和正弦波相对极性不同，可分为单极性SPWM和双极性SPWM。现在学习的是第20页，共24页PWM控制技术控制技术 结合结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明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u控制规律：控制规律：负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于UdV4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0=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=UdV4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0=0uo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-U Ud d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。现在学习的是第21页，共24页1.1.单极性单极性PWMPWM控制方式控制方式现在学习的是第22页，共24页2.2.双极性双极性PWMPWM控制方式控制方式现在学习的是第23页，共24页PWM控制技术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：现在学习的是第24页，共24页