电力电子课程设计交直交变频器的设计

电力电子技术课程设计

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综述

交-直-交变频器由主要由AC-DC、DC-AC两类基本电路组成，先通过AC-DC整流电路将交流电转换为直流电，经过滤波等处理后，再通过DC-AC逆变电路，将直流电转换为交流电。整流电路采用三相全控桥整流，输出的整流电压脉动小、易于滤波；经过滤波处理后的直流电进入逆变电路，逆变电路采用PWM控制电压式逆变电路，通过PWM技术控制逆变电路中IGBT的通断时间，实现对输出交流电的控制，以更好的满足电机对供电电源的要求。

主电路的驱动与控制，主要是对各部分开关器件的控制，即对晶闸管和IGBT的驱动与控制。晶闸管是半控型器件，门极收到脉冲触发才能够导通，IGBT是全控型器件，门极电压触发导通，由芯片控制生成的PWM信号给IGBT触发信号，控制IGBT的通断，从而实现对主电路的精确控制。

交-直-交变频器的设计

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1 主回路单元电路分析与设计

1.1 变频器概述

交-直-交变频器是由AC-DC、DC-AC两种基本变流电路组成，先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，因此，此类电路又称为间接交流变流电路。

交-直-交变频器与普通交-交变频器相比，最主要的优点是输出频率不再受输入电源频率的制约。国内应用的低压变频器几乎全是电压源型，中间直流是用电容平波，整流后面可加电容滤波，再经过逆变输出理想交流电压，可以做交流电机的电压源。

1.2 整流部分

整流电路AD-DC的作用是将交流电变为直流电。按组成器件可以分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可以分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数可以分为单相电路和三相电路。三相整流电路输出直流电压脉动较小，易于滤波处理，故采用三相整流电路。常用的三相整流电路有三相半波可控整流电路与三相桥式全控整流电路。

1.2.1 三相半波可控整流电路

三个晶闸管阴极连接在一起，为三相半波共阴极接法，为了得到零线，变压器二次侧接成星形，一次侧连成三角形，避免三次谐波流入电网。

当晶闸管触发角α为0°时，在一个周期之内，当某一相电压最高时，对应的晶闸管导通，三相电压依次为最高电压，则三个晶闸管依次导通，输出电压ud 时时与最高相电压一致，输出波形如上图所示，带阻感负载或电阻负载α＜30°时，输出电压平均值为

Ud =1.17U2 cosα，

输出电压最大值为1.17U2 。

1.2.2 三相桥式全控整流电路

如图为三相桥式全控整流电路，当晶闸管触发角α为0°时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通，对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最小的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。电路带阻感负载或电阻负载α＜60°时，输出电压平均值为

Ud =2.34U2 cosα，

输出电压最大值是2.34U2 。可见三相半波可控整流电路用元件少、电路简单，但由于整流元件的单向导电性，只允许每相一个周期的正半周（或者负半周）经过整流元件，形成单向的脉动电流，输出的平均电压较低，效率较低；三相全控桥式整流电路电路较复杂、用整流元件较多，每相的正半周和负半周分别经两组整流元件输出，再同极性叠加，形成单向电流提供给负载，效率高，电源利用率高，输出电流脉动较小、直流品质较好，与半波相比能提供给负载较大更稳定的电流。

因此三相整流电路选用三相全控桥式整流电路。交-直-交变频器的设计

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图1-4 输入电压与输出电压波形

如图为三相桥式全控整流电路，当晶闸管触发角α为0°时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通，对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最小的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。电路带阻感负载或电阻负载α＜60°时，输出电压平均值为

Ud =2.34U2 cosα，

输出电压最大值是2.34U2 。

可见三相半波可控整流电路用元件少、电路简单，但由于整流元件的单向导电性，只允许每相一个周期的正半周（或者负半周）经过整流元件，形成单向的脉动电流，输出的平均电压较低，效率较低；三相全控桥式整流电路电路较复杂、用整流元件较多，每相的正半周和负半周分别经两组整流元件输出，再同极性叠加，形成单向电流提供给负载，效率高，电源利用率高，输出电流脉动较小、直流品质较好，与半波相比能提供给负载较大更稳定的电流。因此三相整流电路选用三相全控桥式整流电路。

1.3 逆变部分

交-直-交变频电路的整流部分采用普通的二极管整流电路即可，而逆变电路的输出就是变频器的输出，所以交-直-交变频电路的核心部分就是逆变电路，因此也把交-直-交变

频器称为逆变器。

与整流电路对应，逆变电路AD-CD是把直流电变成交流电。逆变电路按照输入直流电的性质，可以分为电压型和电流型两大类。

1.3.1 逆变电路的基本工作原理

如图1-5（a），T1~T4是桥式电路的4个桥臂，它们一般由电力电子器件及其辅助电路组成。其工作原理如下：

当T1、T4闭合，T2、T3断开时，负载电压uo 为正；当T1、T4断开，T2、T3闭合时，负载电压uo 为负。

输出电压波形如图（b）所示，这样就把直流输入电转换为交流电。改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。

1.3.2 电压型逆变电路

电压型逆变电路的直流侧为电压源，或者并联有大电容，相当于电压源，电压型逆变电路交流侧输出电压波形为矩形波，即把直流电压转换为交流电压。在三相逆变电路中，应用最广泛的逆变电路是三相桥式逆变电路，其电路图如下所示：

三相电压式桥式逆变电路采用IGBT作为开关器件，换流方式为器件换流，每个桥臂的导电角度为180°，同一相上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。即在每一瞬间，都有三个桥臂同时导通，可能是上面两个桥臂下面一个桥臂，也可能是上面一个桥臂下面两个桥臂同时导通，每次换流都在同一相上下两个桥臂之间进行，即纵向换流。由于当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，各桥臂都并联了反馈二极管。

1.3.3 电流型逆变电路

类似的，直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。一般在直流侧串联一个大电感，对电流起缓冲作用，以减小输入电流脉动，这样就可以把直流侧近似看着直流电流源，其电路图如下所示：

电流型三相桥式电路中采用的GTO为反向阻断型器件，在电路中的作用仅仅是改变直流电流的流通途径，使交流侧输出电流为矩形波，即把直流电流转化为交流电流。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起到缓冲无功能量的作用，不同于电压型，反馈无功能量时直流电不反向，因此不必给开关器件反并联二极管。