交直交变频电路基础解析

➢ 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。
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。
图6-4
u r 正半周：V1保持通态，V2 保持断态
t
u u
r r
uc时，V4导通， uO uc时，V3导通， uO
ud 0
ur负半周：V1保持断态，V2保持通态
ur uc时，V4导通， uO 0
t
ur uc时，V3导通， uO －ud
2.双极性PWM控制方式
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。
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
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
• 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 u
O
ω>t
O
ω>t
u
O
ω>t
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：
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/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。
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
6.4 全控型器件逆变器
三.三相桥式电压型逆变器 + U
u A , uB , uC为电动机三相绕组
2 V1 VD1 V3 VD3 V5 VD5
进线端对绕组中点O'的电压，
uO 是O' 对电源中点O的电压。U
改变V1 ~ V6控制信号的周期，
就可以改变输出电压的频率 -
O
U 2
+A B
V4 VD4 V6 VD6
6.4 全控型器件逆变器
一.单相半桥式逆变器
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
uo Um O -Um
C1
V1
io R L
uo
C2
V2
a)
VD1 VD2
t
io
t3 t4
O t1 t2
t5 t6
t
导通 V1 V2 V1 V2
元件 VD1 VD2 VD1 VD2
b)
1.主电路
电容C1和C2 一方面是直流电源的分压电路， 另一方面又是直流电源的滤波环节。
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
信号波 ur 载波 uc
调制 电路
V3 VD1
RL
uo
V4
VD2
工作时V1和V2通断互补， VD3 V3和V4通断也互补
控制规律：
VD4 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。
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
2.按电子开关的开关频率分类：180 0 导电型逆变器和120 0 导电型逆变器
1800 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
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
tO
tO
tO
t
a)方波窄脉冲 b) 三角波窄脉冲 c)正弦半波窄脉冲 d)单位冲击函数
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。
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。
➢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：
uo
S1 io 负载 S3
io
Ud S2
uo S4
t1 t2
t
a)
b)
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
➢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
1.单极性PWM控制方式
V1
Ud + V2
信号波 ur 载波 uc
调制 电路
u
uc
ur
O
uo Ud
O -Ud
uo uof
V3 VD1
RL
uo
V4
VD2
VD3 调制信号ur为正弦波
uurr负正半半周周：：uucc为为负正极极性性三三角角波波 VD4 即ur与uc保持相同极性
1200 ~ 1800
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
+
V1 V3 V5
ua
ub
uc
Z
u2
E
A
B
ZN
C
Z
O
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。
+
V1 V3 V5
ua
ub
uc
Z
u2
E
A
B
ZN
C
Z
O
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
+
Z
ECZ -
BZ
+A E BZ
-
Z
CZ
00 ~ 600
600 ~ 1200
A
+
Z
E BZ -
CZ
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。
2.变频器的工作原理
对变频器的要求：


改变对负载的供电频率 改变对负载的供电电压
以单相桥式逆变电路为例
uo
S1 io 负载 S3
io
Ud S2
uo S4
t1 t2
t
a)
b)
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。
6.4 全控型器件逆变器
二.单相全桥式逆变器
+
V1
Ud
C
V2
-
Um O -Um
V3 VD1
R io L
uo VD2 V4
a)
io
t3 t4
O
t1 t2
t5 t6
V1
导通 V4 元件 VD1
VD4
V2
V1
V3
V4
VD2
VD1 VD2
VD3
VD4 VD3
b)
1.主电路
2.工作过程及波形分析
VD3 ➢1和4一对，2和3另一对，成对桥臂
C V2 VD2
M 3~
PWM控制技术
PWM (Pulse Width Modulation)：脉宽调制 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