第6章 交直交变频电路基础

6.1 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
6.1 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率。 电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。
V4
-
t
t
uo波形同半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud
io波形和半桥电路的io相同，幅值增加一倍。
导通 元件 VD1
VD4
VD2 VD3
VD1 VD4 b)
VD2 VD3
6.4 全控型器件逆变器
三.三相桥式电压型逆变器
逆变器6个桥臂的电子开关 由晶体管和反馈二极管组成 V1 ~ V6为主开关元件 VD1 ~ VD6为反馈二极管
2.变频器的工作原理
改变对负载的供电频率 对变频器的要求： 改变对负载的供电电压
以单相桥式逆变电路为例
uo S1 Ud S2 a) io 负载 S3 uo S 4 io t1 t2 b) t
S1~S4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。
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
自换流型：采用全控型器件。
强迫换流：附加强迫换流环节实现晶闸管的关断。
负载换流：利用负载电流自然过零实现晶闸管的关断。
6.4 全控型器件逆变器
一.单相半桥式逆变器
+
Ud 2
1.主电路
电容C1和C 2 一方面是直流电源的分压电路，
VD1
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180° 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；
阻感负载时， o相位滞后于 o，波形也不同
i
u
。
阻感负载工作过程分析：
uo S1 Ud S2 a) io 负载 S3 uo S 4 io t1 t2 b) t
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
1.单极性PWM控制方式
V1 Ud + V2 ur uc
uc
VD1 R VD2 uo
V3 L V4
VD3 调制信号ur为正弦波
ur正半周：uc为正极性三角波 ur负半周：uc为负极性三角波 VD4 即ur与uc保持相同极性
信号波 载波
u
调制 电路
ur
图6-4
u r 正半周：V1保持通态，V2 保持断态
+
V1 A
V3
V5 Z u2 N O
ua Z Z
ub
uc
E
B C
t
-
V4
V6
V2
任何时刻都有2个电子开关导通，换流在同一组相邻桥臂上进行。
其输出电压波形及基波幅值和相位均受负载功率因数的影响。
半周期内星形负载的等值电路为：
+ E A B C Z Z Z
00 ~ 600
+ E -
A Z B C Z Z
2.按电子开关的开关频率分类：1800 导电型逆变器和1200 导电型逆变器
180 0 导电型逆变器 当三相逆变器的6个电子开关按顺序相差600 导通，每个电子开关导通1800
+
来自百度文库
V1 A
V3
V5 Z u2 N O
ua Z Z
ub
uc
E
B C
t
-
V4
V6
V2
任何时刻都有3个电子开关导通，换流在同一相的两个桥臂上进行。
其输出电压波形与负载的功率因数无关。
半周期内星形负载的等值电路为：
A + E Z C B Z Z
0 0 ~ 60 0
+ E -
A B C Z Z Z
60 0 ~ 120 0
A + E Z B C Z Z
120 0 ~ 180 0
6.1 变频器的基本概念
1200 导电型逆变器 当三相逆变器的6个电子开关按顺序相差600 导通，每个电子开关导通1200
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 波形（含形状和幅值）
PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得 十分容易。 PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性 能大大提高，因此它在 电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。 PWM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PWM技术。
PWM控制技术
一.PWM控制的基本原理
冲量指窄脉冲的面积
f (t) f (t )
指环节的输出响应波形基本相同
f (t) f (t )
d (t )
O a)方波窄脉冲
t O
t t O t O b) 三角波窄脉冲 c)正弦半波窄脉冲 d)单位冲击函数
图 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
PWM控制技术
一.PWM控制的基本原理
6.1 变频器的基本概念
一.变频器的基本工作原理 1.变频器的电路构成
AC 输入 DC DC AC 输出
整流器
滤波器
逆变器
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: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)
t
t3 t1 t2 V1 V2 VD1 b) VD1 VD2 t4 t5 t6 V1 V2 VD2
t
导通 元件
6.4 全控型器件逆变器
二.单相全桥式逆变器
+
V1 Ud C V2 VD1 uo VD2 a) Um O -Um io O t3 t1 V1 V4 t2 V2 V3 t4 t5 V1 V4 t6 V3 VD3 R io L VD4
如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
u
SPWM波
ωt
u
O
>
O
ωt
>
u
O
ωt
>
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。
PWM控制技术 • 对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM 波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：
Ud O
t
-U d
• 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。
600 ~ 1200
A + E Z B C Z Z
120 0 ~ 180 0
6.1 变频器的基本概念
三.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)
Ud O
-
t
Ud
PWM控制技术 计算法
•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
调制法
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 控制，得到宽度正比于调制信号波幅值的脉冲。
C1 io R
V1 L uo
另一方面又是直流电源的滤波环节。
Ud
Ud 2
2.工作过程及波形分析
V2 VD2
C2 a)
uo Um O -U m io O
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/2 V1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。
按V1 V2 V3 V4 V5 V6的顺序 T 触发， 6个元件依次相差 ，每个元件可以 6 T T 导通 (120 0 导电型), 也可以导通 (180 0 导 3 2 电型)，全控器件逆变器多采用180 0 导电型
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。
PWM控制技术
SPWM
SPWM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。 根据三角波和正弦波相对极性不同，可分为单极性SPWM和 双极性SPWM。
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。 负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud
V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=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=Ud V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0 uo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-Ud和零两种 电平
t
O
u r u c时，V4导通， u O u d u r u c时，V3导通， u O 0 ur负半周：V1保持断态，V2保持通态
uo Ud
uo uof
O -Ud
t
ur uc时，V4导通， uO 0 ur uc时，V3导通， uO －ud
2.双极性PWM控制方式
6.4 全控型器件逆变器
三.三相桥式电压型逆变器
u A , u B , u C 为电动机三相绕组 进线端对绕组中点O'的电压， u O 是O' 对电源中点O的电压。
改变V1 ~ V6 控制信号的周期， 就可以改变输出电压的频率
PWM控制技术
PWM (Pulse Width Modulation)：脉宽调制
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 交换，要靠中间直流环节的储能元件来缓冲。
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。
6.1 变频器的基本概念
6.1 变频器的基本概念
二.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： 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。 电流型逆变器：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。
6.1 变频器的基本概念
PWM控制技术
结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明
V1 Ud + V2 ur uc VD1 R VD2 uo V3 L V4 VD3
工作时V1和V2通断互补， V3和V4通断也互补
控制规律：
VD4
信号波 载波
调制 电路 图6-4
以uo正半周为例，V1通， V2断，V3和V4交替通断
6.1 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：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：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：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：在输出电压波形的半周期内只有一个脉冲。 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：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化。