精品课件-电力电子技术(第二版)曾方-第6章

第6章 变 频 电 路
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图6-7 串联谐振式变频电路
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当电路工作时，变频电路频率接近谐振频率，故负载对基 波电压呈现低阻抗，基波电流很大；而对谐波分量呈现高阻抗， 谐波电流很小，所以负载电流基本为正弦波。另外，还要求电 路工作频率低于电路的谐振频率，以使负载电路呈容性，则负
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图6-16 变频电路各组的导电次序
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图6-17所示为三相零式联接的交—交变频电路，当控制角 为α时晶闸管导通的次序及负载电流的波形。组与组之间的换
流和组内晶闸管的换流秩序已做了说明，这里不再赘述。下面 着重分析负载电流的波形。
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图6-11 V1、V2、V3导通时的等效电路
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由此等效电路可得此时负载的线电压为
UAB＝0, UBC＝UD, UCA＝－UD 式中，UD为变频电路输入的直流电压。
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负载的相电压为
在ωt＝π/3时，关断V1，控制导通V4，即在π/3＜ ωt≤2π/3区域，有V2、V3、V4同时导通，此时A、C两点通过导 通的V4、V2相当于同时接在电源的负极，而B点通过导通的V3接 于电源的正极，所以该时区变频桥的等效电路如图6-12所示。
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图6-12 V2、V3、V4导通时的等效电路
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由此等效电路可得此时负载的线电压为
负载的相电压为
根据同样的思路可得其余4个时域的相电压和线电压的值， 如表6-1所示。
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6.3.2 电流源型三相桥式变频电路
6-6可知
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6.2.2 串联谐振式变频电路
图6-7所示为串联谐振式变频电路，其直流侧采用不可控整
流电路和大电容滤波，从而构成电压源型变频电路。该电路为
了续流，设置了反并联二极管VD1～VD4。补偿电容C 和负载电感线圈构成串联谐振电路。为了实现负载换流，
要求补偿以后的总负载呈容性，即负载电流io超前负载电压 uo的变化。
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图6-2 单相输出交—交变频电路及波形(控制角不变) (a) 电路；(b) 输出电压
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如果在一个周期内控制角α是固定不变的，则输出电压波 形为矩形波，如图6-2(b)所示。矩形波中含有大量的谐波，对
电机的工作不利。如果控制角α不固定，在正组工作的半个周 期内让控制角α按正弦规律从90°逐渐减小到0°，再 由0°逐渐增加到90°，那么正组整流电路输出电压的平均值就
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图6-15 三相方波型交—交变频电路
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组与组之间的换流顺序为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅰ； 组内换流的顺序为1、2、3、4、5、6、1。为了在负载上获得三 相互差T/3(T为输出电压的周期)电压波形，任何时候都应有一 正、一负两组同时导通，所以每组导电时间也应为T/3，并且每 隔T/6换组一次。虽然同一时刻应有一个正组和一个反组同时导 通，但不允许同一桥臂上的正、反组同时导通，例如Ⅰ组和Ⅳ 同时导通；否则将会造成电源短路。每组桥内晶闸管按1、2、3、 4、5、6、1顺序换流。变频电路各组及组内导电次序如图6-16 所示。
图6-13所示为电流源型三相桥式变频电路，图中变频桥采
用IGBT即绝缘栅双极性型晶体管作为可控开关元件。
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图6-13 电流源型三相桥式变频电路
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下面分析各相负载电流的波形。设负载为星形连接，三相 负载对称，中性点为N，图6-14所示为电流源型三相桥式变频电
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图6-17 交—交变频电路导通次序及电流波形
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6.4.2 正弦波型交—交变频电路 1． 输出正弦波的调节方法 在图6-15所示的交—交变频电路中，其输出电压在半个周
期中的平均值取决于变频电路的控制角α。如果在半个周期中 控制角α是固定不变的，则输出电压在半个周期中的平均值是 一个固定值。如果在半个周期中使导通组变频电路的控制角α 如图6-3所示由π/2(A点)逐渐减小到零(G点)；然后逐渐由0增 加到π/2，即α角在π/2≥α≥0之间来回变化(分别为B、C、D、 E、F各点)，那么变频电路在半个周期中输出电压的平均值就从 0变到最大再减小到0，获得按正弦规律变化的平均电压。
性，使io超前负载电压uo一个角度f，负载中电流及电压波形如 图6-6所示。
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图6-6 并联谐振式逆变电路工作波形
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根据上述分析，为保证变频电路可靠换流，必须在中频电 压uo过零前的tf时刻去触发V2及V3，tf应满足下式要求：
(6-1)
式中，Kf为大于1的系数，一般取2～3；tf称为触发引前时间。 负载的功率因数角j由负载电流与电压的相位差决定，从图
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2． 三相负载 三相方波型交—交变频电路的主电路如图6-15所示，图中
每一相由两组反并联的三相零式整流电路组成，这种连接方式 又称为公共交流母线进线方式。整流器Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ为正组；Ⅳ、 Ⅵ、Ⅱ为反组。每个正组由1、3、5晶闸管组成，每个反组由4、
6、2晶闸管组成。因此，变频电路中的换流应分成组与组之间 换流和组内换流两种情况。
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为了分析方便，将一个工作周期分成六个区域。
在0＜ωt≤π/3区域，给电力晶体管V1、V2、V3加有控制脉 冲，即ug1＞0，ug2＞0，ug3＞0， 使V1、V2、V3同时导通，此时A、 B两点通过导通的V1、V3相当于同时接在电源的正极，而C点通 过导通的V2接于电源的负极，所以该时区变频桥的等效电路如 图 6-11 所示。
输出电流的基波有效值I1和直流电流的关系为
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6.3.3 两种变频电路的特点 1． 电压源型变频电路的主要特点 (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) 由于直流电压源的钳位作用，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。
频率不同的方波，其输出波形如图6-1(b)所示。
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图6-1 单相输出交—直— (a) 电路；(b) 输出电压
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6.1.2 单相输出交—交变频电路 单相输出交—交变频电路如图6-2(a)所示。该电路由具有
相同特征的两组晶闸管整流电路反并联构成，将其中一组整流 器称为正组整流器；另外一组称为反组整流器。如果正组整流 器工作，反组整流器被封锁，负载端输出电压为上正下负；如 果反组整流器工作，正组整流器被封锁，则负载端得到输出电 压为上负下正。这样，只要交替地以低于电源频率切换正、反 组整流器的工作状态，则在负载端就可以获得交变的输出电压。
路再反并联一套变频桥，这将使电路变得复杂。
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2. 电流源型变频电路的主要特点 (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) 因为各开关器件流侧电压波形 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，则可很方便地实现再生制动，不需另加一 套变频桥。
载电流io超前电压uo，以实现换流。 图6-8所示为串联谐振式变频电路工作波形。
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图6-8 串联谐振式变频电路工作波形
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6.3 三相桥式变频电路
6.3.1 电压源型桥式变频电路 电压源型桥式变频电路如图6-9所示。图中，用六个大功率
晶体管(GTR)作为可控元件，V1与V4、V3与V6、V5与V2构成三对桥 臂；二极管VD1～VD6为续流二极管。
路工作波形。
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图6-14 电流源型三相桥式变频电路工作波形
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由图6-14可以看出，每个IGBT导通的电角度均为120°，任 一时刻只有两相负载上有电流流过，总有一相负载上的电流为 零。所以每相负载电流波形是断续且正、负对称的方波，将此 波形的平均值展开成傅氏级数有
(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。
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(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
按正弦规律变化。控制角从零增大到最大，然后从最大减小到 零，变频电路输出波形如图6-3所示(三相交流输入)。
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图6-3 交—交变频电路的输出波形(控制角变化)
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6.1.3 两种变频电路的比较 1． 优点
(1) 只有一次变流，且利用电网电源进行换流，不需要另 接换流元件，提高了变流效率。
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图6-4 并联谐振式变频电路
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图6-5所示为变频电路工作时晶闸管的换流过程。
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图6-5 (a) V1、V4触发；(b) 换流；(c) V2、V3导通
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当晶闸管V1、V4触发时，负载L得到左正右负的电压，负载 电流io的流向如图6-5(a)中虚线所示。由于负载上并联了换流 电容C，L和C形成的并联电路可近似工作在谐振状态，负载呈容
(2) 可以很方便地实现四象限工作。
(3) 低频时输出波形接近正弦波。
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2． 缺点 (1) 接线复杂，使用的晶闸管数目多。
(2) 受电网频率和交流电路各脉冲数的限制，输出频率低。 (3) 采用相控方式，功率因数较低。
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6.2 谐振式变频电路
6.2.1 并联谐振式变频电路 图6-4所示电路即为并联谐振变频电路的主电路。
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6.1 变频电路的基本工作原理 6.2 谐振式变频电路 6.3 三相桥式变频电路 6.4 交—交变频电路 6.5 脉宽调制型变频电路
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6.1 变频电路的基本工作原理
6.1.1 单相输出交—直—交变频电路
图6-1(a)所示为单相桥式变频电路。图中UD为通过整流电 路将交流电整流而得的直流电源，晶闸管V1、V4称为正组，V2、 V3称为反组。当控制电路使V1、V4导通，V2、V3 关断时，在输出端获得正向电压uo；当控制电路使V2、V3导通， V1、V4关断时，输出端获得反向电压uo，即交替导通正组、反组 的晶闸管，并且改变其导通、关断的频率，就可在输出端获得
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6.4 交—交变频电路
6.4.1 方波型交—交变频电路 1． 单相负载 方波型交—交变频电路参见图6-2(a)，具体内容参见6.1.2
节。如果改变两组整流器的切换频率，则可实现输出电压的频 率的调节。
如果在一个周期内控制角α是固定不变的，则输出电压波 形为矩形波，参见如图 6-2(b)。
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图6-9 电压源型三相桥式变频电路
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下面分析各相负载相电压和线电压波形。设负载为星形连 接，三相负载对称，中性点为N。
图6-10所示为电压源型三相桥式变频电路的工作波形。
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图6-10 电压源型三相桥式变频电路工作波形
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2． 两组变频电路的工作状态 为了分析交—交变频电路的工作状态，可把变频电路视为
一个理想交流电源与一个理想二极管相串联，并构成反并联电 路，轮流向负载供电，如图6-18(a)所示(在分析时略去输出电 压、电流中的谐波)。系统采用无环流工作方式，即一组变频电