6.1變頻器的基本概念一.變頻器的基本工作原理1.變頻器的電路構成整流器:將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能,可以是不可控的，也可以是可控的。濾波器:將脈動的直流量濾波成平直的直流量,可以對直流電壓濾波(用電容),也可以對直流電流濾波(用電感)逆變器:將直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔?直接供給負載,它的輸出頻率和電壓均與交流輸入電源無關,稱為無源逆變器。它是變頻器的核心。因為逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載，無論電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數總不會為1，總會有無功功率的交換，要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件來緩沖。6.1變頻器的基本概念一.變頻器的基本工作原理1.變頻器的16.1變頻器的基本概念2.變頻器的工作原理以單相橋式逆變電路為例S1~S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。用可控開通，可控關斷的電力電子開關，切換電流方向，將直流電能轉換成交流電能。6.1變頻器的基本概念2.變頻器的工作原理以單相橋式逆變電26.1變頻器的基本概念2.變頻器的工作原理S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正S1、S4斷開，S2、S3閉合時，負載電壓uo為負6.1變頻器的基本概念2.變頻器的工作原理S1、S4閉合，36.1變頻器的基本概念2.變頻器的工作原理改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率。電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同。阻感負載工作過程分析：t1前：S1、S4通，uo和io均為正。t1時刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負，但io不能立刻反向。io從電源負極流出，經S2、負載和S3流回正極，負載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時刻降為零，之后io才反向并增大6.1變頻器的基本概念2.變頻器的工作原理改變兩組開關切換46.1變頻器的基本概念2.變頻器的工作原理變頻器常用的調壓方法:可控整流器調壓：根據負載對變頻器輸出電壓的要求，通過可控整流器實現對變頻器輸出電壓的調節(jié)。直流斬波器調壓：采用不可控整流器，保證變頻器電源側有較高的功率因數，在直流環(huán)節(jié)中設置直流斬波器完成電壓調節(jié)。逆變器自身調壓：采用不可控整流器，通過逆變器自身的電子開關進行斬波控制，使輸出電壓為脈沖列。改變輸出電壓脈沖列的脈沖寬度，便可達到調節(jié)輸出電壓的目的。這種方法稱為脈寬調制(PulseWidthModulation--PWM)根據調制波形的不同，可分為：單脈沖調制：在輸出電壓波形的半周期內只有一個脈沖。多脈沖調制：在輸出電壓波形的半周期內有多個脈沖。正弦波脈寬調制：在輸出電壓波形的半周期內為多脈沖調制，而且每個脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化。6.1變頻器的基本概念2.變頻器的工作原理變頻器常用的調壓56.1變頻器的基本概念二.變頻器中逆變器的基本類型1.按直流輸入端濾波器分類電壓型逆變器：電流型逆變器：中間直流環(huán)節(jié)采用大電容作為濾波器，逆變器的輸入電壓平直且電源阻抗很小，類似于電壓源。中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為濾波器，逆變器的輸入電流平直且電源阻抗很大，類似于電流源。6.1變頻器的基本概念二.變頻器中逆變器的基本類型1.按直66.1變頻器的基本概念2.按電子開關的開關頻率分類：半周期內星形負載的等值電路為：6.1變頻器的基本概念2.按電子開關的開關頻率分類：半周期76.1變頻器的基本概念半周期內星形負載的等值電路為：6.1變頻器的基本概念半周期內星形負載的等值電路為：86.1變頻器的基本概念三.逆變器中的電子開關1.逆變器對電子開關的要求：對正向電流既能控制開通，又能控制關斷。高開關速度和低能量損耗。有足夠的電壓和電流定額。提供滯后電流通路。采用逆導型電力電子開關(由單向導電電子開關與開關二極管反并聯(lián)而成)2.器件換流方式：電流從一個支路向另一個支路轉移的過程，也稱換相自換流型：采用全控型器件。強迫換流：附加強迫換流環(huán)節(jié)實現晶閘管的關斷。負載換流：利用負載電流自然過零實現晶閘管的關斷。6.1變頻器的基本概念三.逆變器中的電子開關1.逆變器對電96.4全控型器件逆變器一.單相半橋式逆變器1.主電路2.工作過程及波形分析V1和V2柵極信號在一周期內各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2V1或V2通時，io和uo同方向，直流側向負載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管,它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。6.4全控型器件逆變器一.單相半橋式逆變器1.主電路2.工106.4全控型器件逆變器二.單相全橋式逆變器1.主電路2.工作過程及波形分析1和4一對，2和3另一對，成對橋臂同時導通，兩對交替各導通180°uo波形同半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Udio波形和半橋電路的io相同，幅值增加一倍。當負載為感性時，V1、V4關斷后，由VD2、VD3提供負載續(xù)流回路，電流過零時V2、V3導通；V2、V3關斷后，由VD1、VD4提供負載續(xù)流回路，電流過零時V1、V4導通；6.4全控型器件逆變器二.單相全橋式逆變器1.主電路2.工116.4全控型器件逆變器三.三相橋式電壓型逆變器反饋二極管用于提供負載滯后電流通路，可向電源反饋能量。反饋二極管與晶體管配合工作，在主開關元件關斷后，同一相另一橋臂上的反饋二極管導通，為負載續(xù)流。6.4全控型器件逆變器三.三相橋式電壓型逆變器反饋二極管用126.4全控型器件逆變器三.三相橋式電壓型逆變器6.4全控型器件逆變器三.三相橋式電壓型逆變器13PWM控制技術PWM(PulseWidthModulation)：脈寬調制脈寬調制技術：通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）PWM控制的思想源于通信技術，全控型器件的發(fā)展使得實現PWM控制變得十分容易。PWM技術的應用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM控制技術正是有賴于在逆變電路中的成功應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。現在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術。PWM控制技術PWM(PulseWidthModula14PWM控制技術一.PWM控制的基本原理方波窄脈沖三角波窄脈沖單位沖擊函數正弦半波窄脈沖f(t)d

(t)tOa)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)圖形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖沖量指窄脈沖的面積指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同PWM控制技術一.PWM控制的基本原理方波窄脈沖三角波窄脈沖15PWM控制技術一.PWM控制的基本原理如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波SPWM波若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。PWM控制技術一.PWM控制的基本原理如何用一系列等幅不等寬16PWM控制技術對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。OwtUd-UdPWM控制技術對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到P17調制法根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形本法較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化計算法PWM控制技術把希望輸出的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，經過信號波的調制得到所期望的PWM波形。在載波與調制波的交點時刻對電路中開關器件的通斷進行控制，得到寬度正比于調制信號波幅值的脈沖。調制法根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算PWM計算18PWM控制技術SPWMSPWM是指按正弦波規(guī)律調制輸出脈沖列電壓中的各脈沖寬度，使輸出脈沖列電壓在斬控周期內的平均值對時間按正弦規(guī)律變化。SPWM技術采用等腰三角波電壓作為載波信號，正弦波電壓作為調制信號，通過正弦波電壓與三角波電壓信號相比較的方法，確定各分段矩形脈沖的寬度。由于三角波兩腰間的寬度隨其高度線性變化，當任一條不超過三角波幅值的光滑曲線與三角波相交時，都會得到脈沖寬度正比于該曲線值的一組等幅，等距的矩形脈沖列。故用正弦波電壓信號作為調制信號時，可獲得脈寬正比于正弦值等幅等距的矩形脈沖列。根據三角波和正弦波相對極性不同，可分為單極性SPWM和雙極性SPWM。PWM控制技術SPWMSPWM是指按正弦波規(guī)律調制輸出脈沖列19PWM控制技術結合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調制法進行說明工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補控制規(guī)律：負載電流為正的區(qū)間，V1和V4導通時，uo等于UdV4關斷時，負載電流通過V1和VD3續(xù)流，uo=0負載電流為負的區(qū)間，V1和V4仍導通，io為負，實際上io從VD1和VD4流過，仍有uo=UdV4關斷V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0uo總可得到Ud和零兩種電平uo負半周，讓V2保持通，V1保持斷，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平以uo正半周為例，V1通，V2斷，V3