電力電子技術(西電第二版)第6章變頻電路

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1、第6章 變 頻 電 路,6.1 變頻電路的基本工作原理 6.2 諧振式變頻電路 6.3 三相橋式變頻電路 6.4 交交變頻電路 6.5 脈寬調制型變頻電路,6.1變頻電路的基本工作原理6.1.1單相輸出交直交變頻電路圖6-1(a)所示為單相橋式變頻電路。圖中UD為通過整流電路將交流電整流而得的直流電源，晶閘管V1、V4稱為正組，V2、V3稱為反組。當控制電路使V1、V4導通，V2、V3關斷時，在輸出端獲得正向電壓uo；當控制電路使V2、V3導通，V1、V4關斷時，輸出端獲得反向電壓uo，即交替導通正組、反組的晶閘管，并且改變其導通、關斷的頻率，就可在輸出端獲得頻率不同的方波，其輸出波形如圖6-

2、1(b)所示。,,,圖6-1單相輸出交直交變頻電路 (a) 電路；(b) 輸出電壓,6.1.2單相輸出交交變頻電路單相輸出交交變頻電路如圖6-2(a)所示。該電路由具有相同特征的兩組晶閘管整流電路反并聯(lián)構成，將其中一組整流器稱為正組整流器；另外一組稱為反組整流器。如果正組整流器工作，反組整流器被封鎖，負載端輸出電壓為上正下負；如果反組整流器工作，正組整流器被封鎖，則負載端得到輸出電壓為上負下正。這樣，只要交替地以低于電源頻率切換正、反組整流器的工作狀態(tài)，則在負載端就可以獲得交變的輸出電壓。,,,圖6-2單相輸出交交變頻電路及波形(控制角不變) (a) 電路；(b) 輸出電壓,如果在一個周期內控

3、制角是固定不變的，則輸出電壓波形為矩形波，如圖6-2(b)所示。矩形波中含有大量的諧波，對電機的工作不利。如果控制角不固定，在正組工作的半個周期內讓控制角按正弦規(guī)律從90逐漸減小到0，再由0逐漸增加到90，那么正組整流電路輸出電壓的平均值就按正弦規(guī)律變化?？刂平菑牧阍龃蟮阶畲螅缓髲淖畲鬁p小到零，變頻電路輸出波形如圖6-3所示(三相交流輸入)。,,,圖6-3交交變頻電路的輸出波形(控制角變化),6.1.3兩種變頻電路的比較1 優(yōu)點(1) 只有一次變流，且利用電網電源進行換流，不需要另接換流元件，提高了變流效率。 (2) 可以很方便地實現(xiàn)四象限工作。(3) 低頻時輸出波形接近正弦波。,,2 缺點

4、(1) 接線復雜，使用的晶閘管數(shù)目多。(2) 受電網頻率和交流電路各脈沖數(shù)的限制，輸出頻率低。(3) 采用相控方式，功率因數(shù)較低。,,,6.2諧振式變頻電路6.2.1并聯(lián)諧振式變頻電路圖6-4所示電路即為并聯(lián)諧振變頻電路的主電路。,,,圖6-4并聯(lián)諧振式變頻電路,圖6-5所示為變頻電路工作時晶閘管的換流過程。,,,圖6-5并聯(lián)諧振式變頻電路 (a) V1、V4觸發(fā)；(b) 換流；(c) V2、V3導通,當晶閘管V1、V4觸發(fā)時，負載L得到左正右負的電壓，負載電流io的流向如圖6-5(a)中虛線所示。由于負載上并聯(lián)了換流電容C，L和C形成的并聯(lián)電路可近似工作在諧振狀態(tài)，負載呈容性，使io超前負載

5、電壓uo一個角度f，負載中電流及電壓波形如圖6-6所示。,,,圖6-6并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形,根據上述分析，為保證變頻電路可靠換流，必須在中頻電壓uo過零前的tf時刻去觸發(fā)V2及V3，tf應滿足下式要求： (6-1)式中，Kf為大于1的系數(shù)，一般取23；tf稱為觸發(fā)引前時間。負載的功率因數(shù)角j由負載電流與電壓的相位差決定，從圖6-6可知,6.2.2串聯(lián)諧振式變頻電路圖6-7所示為串聯(lián)諧振式變頻電路，其直流側采用不可控整流電路和大電容濾波，從而構成電壓源型變頻電路。該電路為了續(xù)流，設置了反并聯(lián)二極管VD1VD4。補償電容C和負載電感線圈構成串聯(lián)諧振電路。為了實現(xiàn)負載換流，要求補償以后的總負載

6、呈容性，即負載電流io超前負載電壓uo的變化。,,,圖6-7串聯(lián)諧振式變頻電路,當電路工作時，變頻電路頻率接近諧振頻率，故負載對基波電壓呈現(xiàn)低阻抗，基波電流很大；而對諧波分量呈現(xiàn)高阻抗，諧波電流很小，所以負載電流基本為正弦波。另外，還要求電路工作頻率低于電路的諧振頻率，以使負載電路呈容性，則負載電流io超前電壓uo，以實現(xiàn)換流。圖6-8所示為串聯(lián)諧振式變頻電路工作波形。,,,圖6-8串聯(lián)諧振式變頻電路工作波形,,6.3三相橋式變頻電路6.3.1電壓源型橋式變頻電路電壓源型橋式變頻電路如圖6-9所示。圖中，用六個大功率晶體管(GTR)作為可控元件，V1與V4、V3與V6、V5與V2構成三對橋臂；

7、二極管VD1VD6為續(xù)流二極管。,,,圖6-9電壓源型三相橋式變頻電路,下面分析各相負載相電壓和線電壓波形。設負載為星形連接，三相負載對稱，中性點為N。圖6-10所示為電壓源型三相橋式變頻電路的工作波形。,,,圖6-10電壓源型三相橋式變頻電路工作波形,為了分析方便，將一個工作周期分成六個區(qū)域。在0t/3區(qū)域，給電力晶體管V1、V2、V3加有控制脈沖，即ug10，ug20，ug30， 使V1、V2、V3同時導通，此時A、B兩點通過導通的V1、V3相當于同時接在電源的正極，而C點通過導通的V2接于電源的負極，所以該時區(qū)變頻橋的等效電路如圖 6-11 所示。,,,圖6-11V1、V2、V3導通時的

8、等效電路,由此等效電路可得此時負載的線電壓為UAB0, UBCUD, UCAUD式中，UD為變頻電路輸入的直流電壓。,,負載的相電壓為在t/3時，關斷V1，控制導通V4，即在/3t2/3區(qū)域，有V2、V3、V4同時導通，此時A、C兩點通過導通的V4、V2相當于同時接在電源的負極，而B點通過導通的V3接于電源的正極，所以該時區(qū)變頻橋的等效電路如圖6-12所示。,,圖6-12V2、V3、V4導通時的等效電路,由此等效電路可得此時負載的線電壓為負載的相電壓為根據同樣的思路可得其余4個時域的相電壓和線電壓的值，如表6-1所示。,,6.3.2電流源型三相橋式變頻電路圖6-13所示為電流源型三相橋式變頻電

9、路，圖中變頻橋采用IGBT即絕緣柵雙極性型晶體管作為可控開關元件。,,,圖6-13電流源型三相橋式變頻電路,下面分析各相負載電流的波形。設負載為星形連接，三相負載對稱，中性點為N，圖6-14所示為電流源型三相橋式變頻電路工作波形。,,,圖6-14電流源型三相橋式變頻電路工作波形,由圖6-14可以看出，每個IGBT導通的電角度均為120，任一時刻只有兩相負載上有電流流過，總有一相負載上的電流為零。所以每相負載電流波形是斷續(xù)且正、負對稱的方波，將此波形的平均值展開成傅氏級數(shù)有輸出電流的基波有效值I1和直流電流的關系為,6.3.3兩種變頻電路的特點1 電壓源型變頻電路的主要特點(1) 直流側接有大電

10、容，相當于電壓源、直流電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗狀態(tài)。(2) 由于直流電壓源的鉗位作用，交流側電壓波形為矩形波，與負載阻抗角無關；而交流側電流波形因負載阻抗角的不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。(3) 當交流側為電感性負載時，需提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋能量提供通道，各臂都并聯(lián)了續(xù)流二極管。,,(4) 變頻電路從直流側向交流側傳送的功率是脈動的，因直流電壓無脈動，故功率的脈動是由直流電流的脈動來體現(xiàn)的。(5) 當變頻電路的負載是電動機時，如果電動機工作在再生制動狀態(tài)，就必須向交流電源反饋能量。因直流側電壓方向不能改變，只能靠改變直流電流的

11、方向來實現(xiàn)，這就需要給電路再反并聯(lián)一套變頻橋，這將使電路變得復雜。,,2. 電流源型變頻電路的主要特點(1) 直流側接有大電感，相當于電流源，直流電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗狀態(tài)。(2) 因為各開關器件主要起改變直流電流流通路徑的作用，故交流側電流為矩形波，與負載性質無關；而交流側電壓波形因負載阻抗角的不同而不同。(3) 直流側電感起緩沖無功能量的作用，因電流不能反向，故可控器件不必反并聯(lián)二極管。(4) 當變頻電路的負載為電動機時，若變頻電路中的交直變換是可控整流，則可很方便地實現(xiàn)再生制動，不需另加一套變頻橋。,,,6.4交交變頻電路6.4.1方波型交交變頻電路1 單相負載方波型交交變頻

12、電路參見圖6-2(a)，具體內容參見6.1.2節(jié)。如果改變兩組整流器的切換頻率，則可實現(xiàn)輸出電壓的頻率的調節(jié)。如果在一個周期內控制角是固定不變的，則輸出電壓波形為矩形波，參見如圖 6-2(b)。,,2 三相負載三相方波型交交變頻電路的主電路如圖6-15所示，圖中每一相由兩組反并聯(lián)的三相零式整流電路組成，這種連接方式又稱為公共交流母線進線方式。整流器、、為正組；、、為反組。每個正組由1、3、5晶閘管組成，每個反組由4、6、2晶閘管組成。因此，變頻電路中的換流應分成組與組之間換流和組內換流兩種情況。,,,圖6-15三相方波型交交變頻電路,組與組之間的換流順序為、、、、、、；組內換流的順序為1、2、

13、3、4、5、6、1。為了在負載上獲得三相互差T/3(T為輸出電壓的周期)電壓波形，任何時候都應有一正、一負兩組同時導通，所以每組導電時間也應為T/3，并且每隔T/6換組一次。雖然同一時刻應有一個正組和一個反組同時導通，但不允許同一橋臂上的正、反組同時導通，例如組和同時導通；否則將會造成電源短路。每組橋內晶閘管按1、2、3、4、5、6、1順序換流。變頻電路各組及組內導電次序如圖6-16所示。,,,圖6-16變頻電路各組的導電次序,圖6-17所示為三相零式聯(lián)接的交交變頻電路，當控制角為時晶閘管導通的次序及負載電流的波形。組與組之間的換流和組內晶閘管的換流秩序已做了說明，這里不再贅述。下面著重分析負

14、載電流的波形。,,,圖6-17交交變頻電路導通次序及電流波形,6.4.2正弦波型交交變頻電路1 輸出正弦波的調節(jié)方法在圖6-15所示的交交變頻電路中，其輸出電壓在半個周期中的平均值取決于變頻電路的控制角。如果在半個周期中控制角是固定不變的，則輸出電壓在半個周期中的平均值是一個固定值。如果在半個周期中使導通組變頻電路的控制角如圖6-3所示由/2(A點)逐漸減小到零(G點)；然后逐漸由0增加到/2，即角在/20之間來回變化(分別為B、C、D、E、F各點)，那么變頻電路在半個周期中輸出電壓的平均值就從0變到最大再減小到0，獲得按正弦規(guī)律變化的平均電壓。,,2 兩組變頻電路的工作狀態(tài)為了分析交交變頻電

15、路的工作狀態(tài)，可把變頻電路視為一個理想交流電源與一個理想二極管相串聯(lián)，并構成反并聯(lián)電路，輪流向負載供電，如圖6-18(a)所示(在分析時略去輸出電壓、電流中的諧波)。系統(tǒng)采用無環(huán)流工作方式，即一組變頻電路工作時，另一組則被封鎖。,,,圖6-18交交變頻電路 (a) 理想化電路；(b) 負載電壓、電流波形,根據以上分析可得出：哪組變頻電路應導通是由電流的方向所決定的，而與電壓的極性無關。對于感性負載，兩組變頻電路均存在整流和逆變兩種工作狀態(tài)。至于哪組變頻電路是工作在整流還是逆變狀態(tài)，應視輸出電壓與電流是極性相同還是相反而定。實際變頻電路輸出電壓波形是由電源電壓的若干片段拼湊而成的，如圖6-19(

16、a)所示。,,,圖6-19正組橋輸出電壓波形 (a) 整流狀態(tài)；(b) 逆變狀態(tài)；(c) 控制角連續(xù)變化的輸出電壓波形,,6.5脈寬調制型變頻電路6.5.1脈寬調制變頻電路概述1 脈寬調制變頻電路的基本工作原理脈寬調制(PWM)變頻電路簡稱PWM變頻電路，常采用電壓源型交直交變頻電路的形式，其基本原理是控制變頻電路開關元件的導通和關斷時間比(即調節(jié)脈沖寬度)來控制交流電壓的大小和頻率。下面以單相PWM變頻電路為例來說明其工作原理。圖 6-20 所示為單相橋式變頻電路的主電路，由三相橋式整流電路獲得一恒定的直流電壓，由四個全控型大功率晶體管V1V4作為開關元件，二極管VD1VD4是續(xù)流二極管，為

17、無功能量反饋到直流電源提供通路。,,,圖6-20單相橋式PWM變頻電路,當改變V1、V2、V3、V4導通時間的長短和導通的順序時，可得出圖6-21所示不同形式的電壓波形。,,,圖6-21單相橋式變頻電路的幾種輸出波形,2 脈寬調制的控制方式等腰三角波上、下寬度與高度成線性關系且左右對稱，當它與任何一個光滑曲線相交時，就可得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這種方法稱為調制方法。希望輸出的信號稱為調制信號，用ur表示；把接受調制的三角波稱為載波，用uc表示。當調制信號是正弦波時，所得到的便是SPWM波形，如圖6-22所示。當調制信號不是正弦波時，也能得到與調制信號等效的PWM波形。

18、,,,圖6-22單極性PWM控制方式原理圖,6.5.2單相PWM變頻電路與單極性PWM控制方式對應，另外一種PWM控制方式稱為雙極性PWM控制方式。其頻率信號還是三角波，當基準信號是正弦波時，它與單極性正弦波脈寬調制不同之處在于：它們的極性隨時間不斷地正、負變化，如圖6-23所示，不需要如上述單極性調制那樣加倒向控制信號。,,,圖6-23雙極性PWM控制方式原理圖,6.5.3三相橋式PWM變頻電路圖6-24所示為電壓型三相橋式PWM變頻電器，其控制方式為雙極性方式。,,,圖6-24三相橋式PWM變頻電路,A、B、C三相的PWM控制共用一個三角波信號uc，三相調制信號urA、urB、urC分別為

19、三相正弦波信號，三相調制信號的幅值和頻率均相等，相位依次相差120。A、B、C三相的PWM控制規(guī)律相同。現(xiàn)以A相為例，當urAuc時，使V1導通，V4關斷；當urAuc時，使V1關斷，V4導通。V1、V4的驅動信號始終互補。三相正弦波脈寬調制波形如圖 6-25 所示。,,,圖6-25三相雙極性PWM波形,6.5.4專用大規(guī)模集成電路芯片形成SPWM波HEF4725的內部邏輯框圖和管腳圖如圖6-26所示。它由三個計數(shù)器、一個譯碼器、三個輸出口和一個試驗電路組成。三個輸出口分別對應于變頻電路的R、Y、B(相當于A、B、C)三相，每個輸出口包括主開關元件輸出端(M1、M2)和換流輔助開關元件輸出端(

20、C1、C2)兩組信號。,,,圖6-26HEF4725內部邏輯框圖與管理圖 (a) 內部邏輯圖；(b) 管腳圖,變頻電路輸出由四個時鐘輸入來進行控制：(1) 頻率控制時鐘FCT。它用來控制變頻電路的輸出頻率，一般由線性壓控振蕩器提供式中，fOUT為變頻電路輸出頻率(Hz)。,(2) 電壓控制時鐘VCT。它用以控制變頻電路輸出的基波電壓，即脈沖寬度式中，fVCT(NOM)(單位為Hz)是fVCT的標稱值。當取為此值時，輸出電壓和輸出頻率間將保持線性關系，直到輸出頻率達到臨界值fOUT(M)。fOUT(M)為100調制時的輸出頻率，當fOUTfOUT(M)時，經調制后的PWM波形有正弦函數(shù)關系。,(

21、3) 參考時鐘RCT。它用來設置變頻電路最大開關頻率，是一個固定不變的時鐘式中，fTMAX為變頻電路最大開關頻率(Hz)。,(4) 輸出推遲時鐘OCT。為防止同一橋臂中的上、下開關元件在開關轉換過程中同時導通而發(fā)生電源短路的事故，必須設置延遲時間(死區(qū)時間)。OCT與控制輸入端K一同用于控制功率開關元件的互鎖推遲時間Td。在已確定Td值后，fOCT可按下式確定：,6.5.5PWM變頻電路的優(yōu)點根據前面的分析，PWM變頻電路的優(yōu)點可以歸納如下：(1) 可以得到接近正弦波的輸出電壓，滿足負載需要。(2) 整流電路采用二極管整流，可獲得較高的功率因數(shù)。(3) 只用一級可控功率的環(huán)節(jié)，電路結構簡單。(4) 通過對輸出脈沖的寬度控制就可以改變輸出電壓的大小，大大加快了變頻電路的動態(tài)響應速度。,,,