電力電子技術(shù)(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(diào)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(guò)整流電路將交流電整流而得的直流電源，晶閘管V1、V4稱(chēng)為正組，V2、V3稱(chēng)為反組。當(dāng)控制電路使V1、V4導(dǎo)通，V2、V3關(guān)斷時(shí)，在輸出端獲得正向電壓uo；當(dāng)控制電路使V2、V3導(dǎo)通，V1、V4關(guān)斷時(shí)，輸出端獲得反向電壓uo，即交替導(dǎo)通正組、反組的晶閘管，并且改變其導(dǎo)通、關(guān)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(gòu)成，將其中一組整流器稱(chēng)為正組整流器；另外一組稱(chēng)為反組整流器。如果正組整流器工作，反組整流器被封鎖，負(fù)載端輸出電壓為上正下負(fù)；如果反組整流器工作，正組整流器被封鎖，則負(fù)載端得到輸出電壓為上負(fù)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(fù)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(gè)周期內(nèi)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(duì)電機(jī)的工作不利。如果控制角不固定，在正組工作的半個(gè)周期內(nèi)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?，然后從最大減小到零，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(diǎn)(1) 只有一次變流，且利用電網(wǎng)電源進(jìn)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(shí)現(xiàn)四象限工作。(3) 低頻時(shí)輸出波形接近正弦波。,,2 缺點(diǎn)

4、(1) 接線復(fù)雜，使用的晶閘管數(shù)目多。(2) 受電網(wǎng)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(shí)晶閘管的換流過(guò)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(dǎo)通,當(dāng)晶閘管V1、V4觸發(fā)時(shí)，負(fù)載L得到左正右負(fù)的電壓，負(fù)載電流io的流向如圖6-5(a)中虛線所示。由于負(fù)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(fù)載呈容性，使io超前負(fù)載

5、電壓uo一個(gè)角度f(wàn)，負(fù)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(jù)上述分析，為保證變頻電路可靠換流，必須在中頻電壓uo過(guò)零前的tf時(shí)刻去觸發(fā)V2及V3，tf應(yīng)滿(mǎn)足下式要求： (6-1)式中，Kf為大于1的系數(shù)，一般取23；tf稱(chēng)為觸發(fā)引前時(shí)間。負(fù)載的功率因數(shù)角j由負(fù)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(cè)采用不可控整流電路和大電容濾波，從而構(gòu)成電壓源型變頻電路。該電路為了續(xù)流，設(shè)置了反并聯(lián)二極管VD1VD4。補(bǔ)償電容C和負(fù)載電感線圈構(gòu)成串聯(lián)諧振電路。為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流，要求補(bǔ)償以后的總負(fù)載

6、呈容性，即負(fù)載電流io超前負(fù)載電壓uo的變化。,,,圖6-7串聯(lián)諧振式變頻電路,當(dāng)電路工作時(shí)，變頻電路頻率接近諧振頻率，故負(fù)載對(duì)基波電壓呈現(xiàn)低阻抗，基波電流很大；而對(duì)諧波分量呈現(xiàn)高阻抗，諧波電流很小，所以負(fù)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(fù)載電路呈容性，則負(fù)載電流io超前電壓uo，以實(shí)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(gè)大功率晶體管(GTR)作為可控元件，V1與V4、V3與V6、V5與V2構(gòu)成三對(duì)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(fù)載相電壓和線電壓波形。設(shè)負(fù)載為星形連接，三相負(fù)載對(duì)稱(chēng)，中性點(diǎn)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(gè)工作周期分成六個(gè)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(shí)導(dǎo)通，此時(shí)A、B兩點(diǎn)通過(guò)導(dǎo)通的V1、V3相當(dāng)于同時(shí)接在電源的正極，而C點(diǎn)通過(guò)導(dǎo)通的V2接于電源的負(fù)極，所以該時(shí)區(qū)變頻橋的等效電路如圖 6-11 所示。,,,圖6-11V1、V2、V3導(dǎo)通時(shí)的

8、等效電路,由此等效電路可得此時(shí)負(fù)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(fù)載的相電壓為在t/3時(shí)，關(guān)斷V1，控制導(dǎo)通V4，即在/3t2/3區(qū)域，有V2、V3、V4同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)A、C兩點(diǎn)通過(guò)導(dǎo)通的V4、V2相當(dāng)于同時(shí)接在電源的負(fù)極，而B(niǎo)點(diǎn)通過(guò)導(dǎo)通的V3接于電源的正極，所以該時(shí)區(qū)變頻橋的等效電路如圖6-12所示。,,圖6-12V2、V3、V4導(dǎo)通時(shí)的等效電路,由此等效電路可得此時(shí)負(fù)載的線電壓為負(fù)載的相電壓為根據(jù)同樣的思路可得其余4個(gè)時(shí)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(kāi)關(guān)元件。,,,圖6-13電流源型三相橋式變頻電路,下面分析各相負(fù)載電流的波形。設(shè)負(fù)載為星形連接，三相負(fù)載對(duì)稱(chēng)，中性點(diǎn)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(gè)IGBT導(dǎo)通的電角度均為120，任一時(shí)刻只有兩相負(fù)載上有電流流過(guò)，總有一相負(fù)載上的電流為零。所以每相負(fù)載電流波形是斷續(xù)且正、負(fù)對(duì)稱(chēng)的方波，將此波形的平均值展開(kāi)成傅氏級(jí)數(shù)有輸出電流的基波有效值I1和直流電流的關(guān)系為,6.3.3兩種變頻電路的特點(diǎn)1 電壓源型變頻電路的主要特點(diǎn)(1) 直流側(cè)接有大電

10、容，相當(dāng)于電壓源、直流電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗?fàn)顟B(tài)。(2) 由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波，與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)；而交流側(cè)電流波形因負(fù)載阻抗角的不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。(3) 當(dāng)交流側(cè)為電感性負(fù)載時(shí)，需提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)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(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的，因直流電壓無(wú)脈動(dòng)，故功率的脈動(dòng)是由直流電流的脈動(dòng)來(lái)體現(xiàn)的。(5) 當(dāng)變頻電路的負(fù)載是電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)工作在再生制動(dòng)狀態(tài)，就必須向交流電源反饋能量。因直流側(cè)電壓方向不能改變，只能靠改變直流電流的

11、方向來(lái)實(shí)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(fù)雜。,,2. 電流源型變頻電路的主要特點(diǎn)(1) 直流側(cè)接有大電感，相當(dāng)于電流源，直流電流基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)。(2) 因?yàn)楦鏖_(kāi)關(guān)器件主要起改變直流電流流通路徑的作用，故交流側(cè)電流為矩形波，與負(fù)載性質(zhì)無(wú)關(guān)；而交流側(cè)電壓波形因負(fù)載阻抗角的不同而不同。(3) 直流側(cè)電感起緩沖無(wú)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(dāng)變頻電路的負(fù)載為電動(dòng)機(jī)時(shí)，若變頻電路中的交直變換是可控整流，則可很方便地實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，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(fù)載方波型交交變頻

12、電路參見(jiàn)圖6-2(a)，具體內(nèi)容參見(jiàn)6.1.2節(jié)。如果改變兩組整流器的切換頻率，則可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的頻率的調(diào)節(jié)。如果在一個(gè)周期內(nèi)控制角是固定不變的，則輸出電壓波形為矩形波，參見(jiàn)如圖 6-2(b)。,,2 三相負(fù)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(chēng)為公共交流母線進(jìn)線方式。整流器、、為正組；、、為反組。每個(gè)正組由1、3、5晶閘管組成，每個(gè)反組由4、6、2晶閘管組成。因此，變頻電路中的換流應(yīng)分成組與組之間換流和組內(nèi)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?yàn)?、、、、、、；組內(nèi)換流的順序?yàn)?、2、

13、3、4、5、6、1。為了在負(fù)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(shí)候都應(yīng)有一正、一負(fù)兩組同時(shí)導(dǎo)通，所以每組導(dǎo)電時(shí)間也應(yīng)為T(mén)/3，并且每隔T/6換組一次。雖然同一時(shí)刻應(yīng)有一個(gè)正組和一個(gè)反組同時(shí)導(dǎo)通，但不允許同一橋臂上的正、反組同時(shí)導(dǎo)通，例如組和同時(shí)導(dǎo)通；否則將會(huì)造成電源短路。每組橋內(nèi)晶閘管按1、2、3、4、5、6、1順序換流。變頻電路各組及組內(nèi)導(dǎo)電次序如圖6-16所示。,,,圖6-16變頻電路各組的導(dǎo)電次序,圖6-17所示為三相零式聯(lián)接的交交變頻電路，當(dāng)控制角為時(shí)晶閘管導(dǎo)通的次序及負(fù)載電流的波形。組與組之間的換流和組內(nèi)晶閘管的換流秩序已做了說(shuō)明，這里不再贅述。下面著重分析負(fù)

14、載電流的波形。,,,圖6-17交交變頻電路導(dǎo)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(diào)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(gè)周期中的平均值取決于變頻電路的控制角。如果在半個(gè)周期中控制角是固定不變的，則輸出電壓在半個(gè)周期中的平均值是一個(gè)固定值。如果在半個(gè)周期中使導(dǎo)通組變頻電路的控制角如圖6-3所示由/2(A點(diǎn))逐漸減小到零(G點(diǎn))；然后逐漸由0增加到/2，即角在/20之間來(lái)回變化(分別為B、C、D、E、F各點(diǎn))，那么變頻電路在半個(gè)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(gè)理想交流電源與一個(gè)理想二極管相串聯(lián)，并構(gòu)成反并聯(lián)電路，輪流向負(fù)載供電，如圖6-18(a)所示(在分析時(shí)略去輸出電壓、電流中的諧波)。系統(tǒng)采用無(wú)環(huán)流工作方式，即一組變頻電路工作時(shí)，另一組則被封鎖。,,,圖6-18交交變頻電路 (a) 理想化電路；(b) 負(fù)載電壓、電流波形,根據(jù)以上分析可得出：哪組變頻電路應(yīng)導(dǎo)通是由電流的方向所決定的，而與電壓的極性無(wú)關(guān)。對(duì)于感性負(fù)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(yīng)視輸出電壓與電流是極性相同還是相反而定。實(shí)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(diào)制型變頻電路6.5.1脈寬調(diào)制變頻電路概述1 脈寬調(diào)制變頻電路的基本工作原理脈寬調(diào)制(PWM)變頻電路簡(jiǎn)稱(chēng)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(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間比(即調(diào)節(jié)脈沖寬度)來(lái)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(lái)說(shuō)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(gè)全控型大功率晶體管V1V4作為開(kāi)關(guān)元件，二極管VD1VD4是續(xù)流二極管，為

17、無(wú)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(dāng)改變V1、V2、V3、V4導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短和導(dǎo)通的順序時(shí)，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(diào)制的控制方式等腰三角波上、下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱(chēng)，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑曲線相交時(shí)，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(chēng)為調(diào)制方法。希望輸出的信號(hào)稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)，用ur表示；把接受調(diào)制的三角波稱(chēng)為載波，用uc表示。當(dāng)調(diào)制信號(hào)是正弦波時(shí)，所得到的便是SPWM波形，如圖6-22所示。當(dāng)調(diào)制信號(hào)不是正弦波時(shí)，也能得到與調(diào)制信號(hào)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(duì)應(yīng)，另外一種PWM控制方式稱(chēng)為雙極性PWM控制方式。其頻率信號(hào)還是三角波，當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)是正弦波時(shí)，它與單極性正弦波脈寬調(diào)制不同之處在于：它們的極性隨時(shí)間不斷地正、負(fù)變化，如圖6-23所示，不需要如上述單極性調(diào)制那樣加倒向控制信號(hào)。,,,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(gè)三角波信號(hào)uc，三相調(diào)制信號(hào)urA、urB、urC分別為

19、三相正弦波信號(hào)，三相調(diào)制信號(hào)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?，F(xiàn)以A相為例，當(dāng)urAuc時(shí)，使V1導(dǎo)通，V4關(guān)斷；當(dāng)urAuc時(shí)，使V1關(guān)斷，V4導(dǎo)通。V1、V4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終互補(bǔ)。三相正弦波脈寬調(diào)制波形如圖 6-25 所示。,,,圖6-25三相雙極性PWM波形,6.5.4專(zhuān)用大規(guī)模集成電路芯片形成SPWM波HEF4725的內(nèi)部邏輯框圖和管腳圖如圖6-26所示。它由三個(gè)計(jì)數(shù)器、一個(gè)譯碼器、三個(gè)輸出口和一個(gè)試驗(yàn)電路組成。三個(gè)輸出口分別對(duì)應(yīng)于變頻電路的R、Y、B(相當(dāng)于A、B、C)三相，每個(gè)輸出口包括主開(kāi)關(guān)元件輸出端(M1、M2)和換流輔助開(kāi)關(guān)元件輸出端(

20、C1、C2)兩組信號(hào)。,,,圖6-26HEF4725內(nèi)部邏輯框圖與管理圖 (a) 內(nèi)部邏輯圖；(b) 管腳圖,變頻電路輸出由四個(gè)時(shí)鐘輸入來(lái)進(jìn)行控制：(1) 頻率控制時(shí)鐘FCT。它用來(lái)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(shí)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(biāo)稱(chēng)值。當(dāng)取為此值時(shí)，輸出電壓和輸出頻率間將保持線性關(guān)系，直到輸出頻率達(dá)到臨界值fOUT(M)。fOUT(M)為100調(diào)制時(shí)的輸出頻率，當(dāng)fOUTfOUT(M)時(shí)，經(jīng)調(diào)制后的PWM波形有正弦函數(shù)關(guān)系。,(

21、3) 參考時(shí)鐘RCT。它用來(lái)設(shè)置變頻電路最大開(kāi)關(guān)頻率，是一個(gè)固定不變的時(shí)鐘式中，fTMAX為變頻電路最大開(kāi)關(guān)頻率(Hz)。,(4) 輸出推遲時(shí)鐘OCT。為防止同一橋臂中的上、下開(kāi)關(guān)元件在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中同時(shí)導(dǎo)通而發(fā)生電源短路的事故，必須設(shè)置延遲時(shí)間(死區(qū)時(shí)間)。OCT與控制輸入端K一同用于控制功率開(kāi)關(guān)元件的互鎖推遲時(shí)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(diǎn)根據(jù)前面的分析，PWM變頻電路的優(yōu)點(diǎn)可以歸納如下：(1) 可以得到接近正弦波的輸出電壓，滿(mǎn)足負(fù)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(jí)可控功率的環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。(4) 通過(guò)對(duì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。,,,