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1、第六章 交-直-交变频电路基础 第一节 变频器的基本概念 第四节 全控型器件逆变器 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 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 ) 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。 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
2、交换，要靠中间直流环节的储能元件来缓冲。 6.1 变频器的基本概念 2.变频器的工作原理 以单相桥式逆变电路为例 S1S4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。 6.1 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。 阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。
3、 阻感负载工作过程分析： 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 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
4、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。 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： 电流型逆变器： 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
5、压源。 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 ： 半周期内星形负载的等值电路为： 6.1 变频器的基本概念 半周期内星形负载的等值电路为： 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) 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
6、。 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 1.主电路 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。 6.4 全控型器件逆变器 二.单相全桥式逆变器 1.主电路 2.工作过程及波形分析 1和4一对，2和3
7、另一对，成对桥臂 同时导通，两对交替各导通180 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。 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； 6.4 全控型器件逆变器 三.三相桥式电压型逆变器 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。 6.4 全控型器件逆变器 三.三相桥式电压型逆变器
8、 PWM控制技术 PWM (Pulse Width Modulation)PWM (Pulse Width Modulation)：脉宽调制脉宽调制 脉宽调制技术脉宽调制技术：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：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）波形（含形状和幅值） PWMPWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWMPWM控制变得控制变得 十分容易。十分容易。 PWMPWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性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
9、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。电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。 PWMPWM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技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWMPWM技术。技术。 PWM控制技术 一一.PWM.PWM控制的基本原理控制的基本原理 方波窄脉冲三角波窄脉冲单位冲击函数正弦半波窄脉冲 f (t) d (t) tO a)b)c)d) tOtOtO f (t)f (t)f (t) 图 形状不同而冲量相同
10、的各种窄脉冲 冲量指窄脉冲的面积 指环节的输出响应波形基本相同 PWM控制技术 一一.PWM.PWM控制的基本原理控制的基本原理 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 SPWM波 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： O wt U d -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。 O wt Ud -U d 调制法调制法 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
11、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 计算法 PWM控制技术 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。 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，
12、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。 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 工作时V1和V2通断互补， V3和V4通断也互补 u控制规律： 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 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 。 1.单极性PWM控制方式 2.双极性PWM控制方式 PWM控制技术 根据载波和调制波是否同步以及载波比的变化情况分为：
