2-7 静止变频器(上)

(3) 适应范围。电压源型逆变器电源内阻小，属于 恒压电源，可拖动多台电机同步调速运行，但不 能快速加、减速。电流源型逆变器电源内阻大， 负载之间通过电源内阻抗相互干扰，故不适应多 机传动，但适合单机快速起动、制动和可逆运行 场合。
二、交－交变频器 交－直－交变频器的特点：①控制简单，所用 晶闸管元件少，②但它要经过两次能量转换，损耗 比较大；③而且多采用电容强迫换流，电路结构复 杂。 交－交变频器优势： ①可直接将电网频率交流变成频率可调交流， 无需中间直流环节，从而可提高整个变频装置的变 换效率； ②又由于交 交变频器中晶闸管可利用交流电 网实现电源自然换流，无需换流电路，简化了变流 器结构。
其输出频率即为 两组整流器的交替工 作切换频率，不能高 于电网频率，通常最 高输出频率被限制为 电网频率的1/3~1/2
根据输出电压波形的不同，交－交变频器可分 为120°导通型的方波电流源变频器和180°导通 型的正弦波电压源变频器。 1、方波型变频器
①交－交变频器输出电压是依靠调节反并联整流 桥晶闸管的触发相位来实现的，输出频率则决定于输 出端A、B、C各组间的切换频率。
(2) 不控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频方式
优点：由于采用二极管整流，使输入功率因数提高。 缺点：输出逆变环节不变，仍有输出谐波成分大的 弊病。
(3) 不控整流器整流、脉宽调制型(PWM)逆变器同 时实现调压调频方式
此时除装置输入功率因数高，又因采用 高开关频率的逆变器，输出谐波很小。
从以上结构中看出，交—直 —交变频装置 中核心功能部分是逆变器，有晶闸管构成的6阶 梯波逆变器和自关断器件构成的PWM逆变器两 大类。 2、逆变器晶闸管的换流 逆变器实现的是直—交电能变换，6阶梯波 逆变器中采用的功率半导体器件，多为晶闸管， 无自关断能力，工作在恒定直流电源下存在关断 问题。
②晶闸管触发控制简单，但方波电流所带来的 高次谐波使电机损耗及噪声增大，转矩脉动也相当 大，故在异步电机调速系统中很少采用，多见用于 交－交型无换向器电机。
2、正弦波交－交变频器
主回路结构和方波型交－交变频器相同，但属于 180°导通型
正弦波交－交变频器输出电压波形
3、逆变器的电源特性 在交－直－交变频器的直流环节中，实际上还 设置有使电流平滑的滤波环节，不同的滤波方式将 决定逆变器具有不同的电源特性。 当滤波元件为电容时，则在动态过程中等效电 源内阻很小，输出电压比较稳定，逆变器具有电压 源的性质，称电压源型逆变器
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当滤波元件采用大电感时，则在动态过程中等 效电源内阻较大，输出电流比较稳定，逆变器具有 电流源性质，称电流源型逆变器。
换流是在同相的上、下桥臂元件之间进行，即 该电路是180°导通型， VT1~VT6每个晶闸管导通 180 °， 同相上、下桥臂轮流导通，A 、B、C三相 依次滞后120 °导通，任何瞬间有三个晶闸管导通。 VT1′在VT1关断、VT4导通前触发 。 主晶闸管是由触发导通辅助晶闸管实现关断的。 以A相桥臂为例，设在VT1导通时，电容C上已 被充上了左负右正的电压uc。
(一)晶闸管VT1电流减小阶段 在t1时刻，触发VT1′，电容C就经VT1 -VT1′-L 放电。 设负载电流I0在换相期间不变，电容C电流为ic， 则VT1电流为iVT1 = I0 -ic 。随着ic的不断增大， iVT1 不断减小，到t2时刻I0 = ic , iVT1 =0。 这一阶段，负载电流由共同提供。 （二）VD1导通，VT1反压阶段 从t2时刻起， ic超过I0 ，其超过部分经VD1流向 直流电源正端。VD1上的管压降使VT1承受反向电压。 当C继续放电至uc =0时， ic达到峰值。此后， ic开 始减小，L中储藏的能量向C反向充电。
对于电流源型逆变器调速系统，可以通过简单地 改变两桥的移相触发角，方便地实现四象限运行。 电压源型逆变器调速系统不能运行在再生制动状 态，无四象限运行能力 (3) 过电流保护。由于电流源型逆变器直流环节滤 波电感对于电流变化表现的阻塞作用，或者说电源 内阻所呈现的恒流特性，使故障短路时过电流上升 速度受阻，容易争取到时间采取保护措施。 与此相反，电压源型逆变器的电源特性使得在 电机侧出现故障时，故障电流无法控制，过电流及 短路保护较为困难，特别是采用快速自关断器件时。
带辅助换流晶闸管的电压源型逆变器电路结构
VT1~VT6为主晶闸管，流过负载电流； VT1′~VT6′为辅助晶闸管，用作换流元件L、C 构成的振荡电路的充放电开关； VD1~VD6为反馈二极管，给振荡电流和负载电流中 无功分量提供通道； La1~ Lc1 、 La2~ Lc2为桥臂电感，用来限制电流上 升率。
③再由于这种变频器基本单元是由三相可逆 整流装置所构成，每相装置均为两个反并联的三 相整流器，变频器容量就由它们来分担，因此在 不采用元件串、并联的条件下可将交－交变频器 容量做得很大，使这种变频器在大容量低速同步 电机的无齿系传动、大型线绕异步电机的超同步 双馈调速、以及新型交流励磁变速恒频发电系统 中得到了相当广泛的应用。
电流源型逆变器多采用120°导通型，换流 是在同极性组（共阴极组或共阳极组）三相元件 之间进行，这样除换流期间外，任何时刻不同相 的上、下桥臂各有一元件导通，使三相负载只有 两相接至直流电源正、负母线，另一相悬浮。这 样负载三相电流完全确定，电流波形为方波，符 合电流源型逆变器的输出特性要求。 (2) 四象限运行能力。四象限运行是指调速系统能运 行在电动及再生制动状态，以满足需要制动和经常 正转、反转的负载要求。 具有四象限运行能力的关键是调速系统中能量 （或功率）能在电网和负载之间双向流动。
一、交—直—交变频器 1、结构型式 按照电压、频率的控制方 式，交—直—交 变频器有三种结构形式：
（1）可控整流器调压、逆变器调频方式，
优点：调压与调频功能分别在两个环节上实现 由控制电路协调配合，故结构简单，控制方便。 缺点：①由于装置输入环节采用可控整流，当低 频低压运行时，移相触发角α 很大，致使输入功 率因数低下。②逆变器多用晶闸管型6阶梯波（每 周换流6次）逆变器，器件开关频率低，输出谐波 成分大。
2-7 静止变频器（上)
异步电机变频调速系统由静止变频器、异步电机 及控制系统构成。 静止变频器是一种能提供频率及电压同时变化 的电力电子电源装置，可分为间接变频器和直接变 频器两大类。 间接变频器先将工频交流电源整流成电压大小 可控的直流，再经过逆变器变换成可变频率交流， 由此也称交一直一交变频器。 直接变频器则将工频交流一次性变换成可变频 率交流，故可称交一交变频器。 目前以间接变频器应用较为广泛。
交－交变频器输出的每一相都是由两组晶闸管可 控整流器反并联的可逆线路构成
进线侧接入了足够大滤波电感，输出电流近似方波 称电流源型
两组整流器直接反并联，构成电压源型电路
当正组工作在整流状态时，反组封锁，负载 上电压u0为上（＋）下（一）； 当反组处于整流状态而正组封锁时， u0为上 （一）下（＋） 两组交替工作就使负载上得到交流电压
到 t3时刻， ic降至I0 ，VD1关断，本阶段结束。 本阶段持续时间t0= t3 –t2 ,是VT1承受反压的时 间，必须使t0大于VT1的关断时间才能保证其可靠 关断。
（三）VD4导通，C继续反向充电阶段 t3时刻， VD1关断，C被反充上的电压达到Uc1。 如果Uc1 ＞ Ud ，VD4导通。这样，就给LC振荡 电路串入了和Uc1极性相反的直流电源电压Ud ，使 ic减小的速度变慢 。这一阶断， ic和iVD4共同提供 负载电流I0 ，到t4时刻，L中能量释放完毕，降至 零，C反向充电电压达到最大值，同时VT1′关断， 这一阶段结束。
以直流可逆调速的逆变器换相失败为例来进一 步说明换流的条件
在交流电机变频调速系统中，存在电机的三 相反电势，能否利用它们的交流特性实现逆变器 晶闸管的自然换流与交流电机的功率因数有关。 对于过激状态同步电机来说，电机呈容性， 可以向逆变器提供落后无功电流以满足换流需要， 故可直接利用电机反电势换流。 对于欠激同步电机和异步电机，由于电机电 流落后机端电压，电机不能向逆变器提供落后无 功电流，也就不能利用电机反电势实现自然换流， 必须采用电容储能的强迫换流方式。
电压源型逆变器与电流源型逆变器性能有很大 不同，主要表现在： （1）功率元件导通方式。三相桥式逆变器电路， 电压源型逆变器多采用180°导通型，换流是在 同相上、下两桥臂元件之间进行，这样任何时刻 均会有三个元件同时导通，电机三相绕组端点经 过导通元件接至直流电源的正、负母线上， 每相电压大小确定而不随负载变化，电压波形为 方波，符合电压源型逆变器的输出特性要求。
直流电机可逆调速和异步电机串级调速中采 用有源逆变电路，晶闸管可利用电网侧的交流电 压进行自然换流。 实现换流的条件是整流触发角α＜180° 或逆 变触发角β＞0（超前），即负载电流iB必须落后于 以eB表示的电网电压。 说明逆变器晶闸管换流需 要滞后无功电流。 根据电力电子变流技术，由负载提供换相电压 称为负载换相。凡是负载电流的相位超前负载电压 的场合，都可以实现负载换相。
这种电容强关断的换 流能量能重复利用， 换流效率高，但电路 结构相当复杂。
串联二极管式电流源型逆变器主电路 VT1~VT6为主晶 闸 管，VD1~VD6 为防止电容上贮存 的换流用电压经负 载泄放而设置的隔 离二极管，C1~C6 为换流电容。
电路为120°导电方式，每个晶闸管导通120°， VT1~VT6依次相隔60°导通，每个瞬间都有两个晶 闸管导通。逆变器输入电流Id保持不变。
如果Uc1 ＜Ud ，VD4不会立即导通，感性负载 电流的作用使得ic = I0 持续一段时间，出现电容C恒 流充电， uc线性上升阶段。当uc ＞ Ud后， VD4才 开始导通，后面的过程与上面的分析相同。 （四） C充电结束， VD4、VT4导通阶段 t4时刻， C的反向充电已结束，由iVD4单独提供负 载电流，即负载中的能量向直流电源反馈。从t3时刻 VD4导通起，负载电压的极性就已反向。在这一反 向电压的作用下，负载电流逐渐减小，当其过零后， 由于VT4已有触发脉冲，于是VT4导通，负载电流开 始反向。（通常在T4’时刻触发VT4)