第3章直流-交流变换电路资料.ppt
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1、第第3章章 直流直流-交流变换电路交流变换电路w本章要点本章要点w有源逆变电路、有源逆变的条件、逆变失败与最有源逆变电路、有源逆变的条件、逆变失败与最小逆变角的限制;小逆变角的限制;w无源逆变电路、变频器概述;无源逆变电路、变频器概述;w交交-直直-交变频器、电压型和电流型变频器、变频交变频器、电压型和电流型变频器、变频器器180度和度和120度导电规则的原理与分析;度导电规则的原理与分析;wSPWM变频(电压正弦变频(电压正弦PWM、电流正弦、电流正弦PWM、磁通正弦磁通正弦PWM)的原理与分析。)的原理与分析。3.1 逆变的概念逆变的概念 逆变电路逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。把直流
2、电逆变成交流电的电路。按负载性质的不同,逆变分为有源逆变和无源逆变。按负载性质的不同,逆变分为有源逆变和无源逆变。1)有有源源逆逆变变可可控控整整流流电电路路工工作作在在逆逆变变状状态态,把把该该电电路路的的交交流流侧侧接接到到交交流流电电源源上上,把把直直流流电电逆逆变变成与交流电源同频率的交流电返送到电源。成与交流电源同频率的交流电返送到电源。2)无无源源逆逆变变或或变变频频可可控控整整流流电电路路的的交交流流侧侧不不与电源联接,而直接接到无源负载。与电源联接,而直接接到无源负载。3.2 有源逆变电路有源逆变电路3.2.1 单相双半波有源逆变电路单相双半波有源逆变电路w1、电路结构、电路结
3、构 图图3-1 2、工作原理、工作原理w1)整流状态()整流状态(0 90)w当当等等于于零零时时,输输出出电电压压瞬瞬时时值值ud在在整整个个周周期期内内全全部部为为正正;当当900时时,ud在在整整个个周周期期内内有有正正有有负负,但但正正面面积积总总是是大大于于负负面面积积,故故平平均均值值Ud为为正正值值,其其极极性性是是上上正正下下负负,如如上上图图a。通通常常Ud略略大大于于E,此此时时电电流流Id从从Ud的的正正端端流流出出,从从E的的正正端端流流进进。电电机机M吸吸收收电电能能,作作电电动动运运行行,电电路路把把从从交交流流电电网网吸吸收收的的电电能能转转变变成成直直流流电电能
4、能输输送送给给电电动动机机,电电路路工工作作在整流状态,电机在整流状态,电机M工作在电动状态工作在电动状态。w2)逆变状态()逆变状态(90 180)w逆变是将电机吸收的直流电能转变成交流反馈回电网。逆变是将电机吸收的直流电能转变成交流反馈回电网。w由由于于晶晶闸闸管管的的单单向向导导电电性性,负负载载电电流流Id不不能能改改变变方方向向,只只有有将将E反反向向,即即电电机机作作发发电电运运行行才才能能回回馈馈电电能能;为为避避免免Ud与与E顺顺接接,此此时时将将Ud的的极极性性也也反反过过来来,如如上上图图b示示。要要使使Ud反反向向,应该大于应该大于90。w当当在在90180间间变变动动时
5、时,输输出出电电压压瞬瞬时时值值ud在在整整个个周周期期内内有有正正有有负负,但但负负面面积积大大于于正正面面积积,故故平平均均值值Ud为为负负值值,见见上上图图b所所示示。此此时时E略略大大于于Ud,电电流流Id的的流流向向是是从从E的的正正端端流流出出,从从Ud的的正正端端流流入入,逆逆变变电电路路吸吸收收从从电电机机反反送送来来的的直直流流电电能能,并并将将其其转转变变成成交交流流电电能能反反馈馈回回电电网网,这这就就是是该该电电路的有源逆变状态。路的有源逆变状态。(a)=60的整流状的整流状态态 (b)=120的逆的逆变变状状态态单单相双半波相双半波电电路路=60的整流和的整流和=12
6、0的逆的逆变时变时的仿真波形的仿真波形w要使整流电路工作在逆变状态,须满足要使整流电路工作在逆变状态,须满足两个条件:两个条件:1)变流器的输出)变流器的输出Ud能够改变极性能够改变极性(内部条件)。(内部条件)。由于晶闸管的单向导电性,电流由于晶闸管的单向导电性,电流Id不能改变方向,不能改变方向,为实现有源逆变,须改变为实现有源逆变,须改变Ud的极性。即让变流器的的极性。即让变流器的控制角控制角90即可。即可。w2)须有外接的提供直流电能的电源)须有外接的提供直流电能的电源E。E也要能改也要能改变极性,且有变极性,且有 (外部条件)。(外部条件)。w3、逆变角、逆变角w逆变时的控制角称为逆
7、变角逆变时的控制角称为逆变角,规定以规定以=处作为处作为计量计量角的起点,大小由计量起点向左计算。满足角的起点,大小由计量起点向左计算。满足如下关系:如下关系:3.2.2 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制1、逆变失败、逆变失败w可可控控整整流流电电路路运运行行在在逆逆变变状状态态时时,一一旦旦发发生生换换相相失失败败,电电路路又又重重新新工工作作在在整整流流状状态态,外外接接的的直直流流电电源源就就会会通通过过晶晶闸闸管管电电路路形形成成短短路路,使使变变流流器器的的输输出出平平均均电电压压Ud和和直直流流电电动动势势E变变成成顺顺向向串串联联,由由于于变变流流电电路路的的
8、内内阻阻很很小小,将将出出现现很很大大的的短短路路电电流流流流过过晶晶闸闸管管和和负负载载,这这种种情情况况称称为为逆逆变变失失败败,或称为逆变颠覆。或称为逆变颠覆。w造成逆变失败的原因造成逆变失败的原因:(1 1)触触发发电电路路工工作作不不可可靠靠。不不能能适适时时、准准确确地地给给各各晶闸管分配触发脉冲,如脉冲丢失、脉冲延时等晶闸管分配触发脉冲,如脉冲丢失、脉冲延时等。(2)晶晶闸闸管管发发生生故故障障。器器件件失失去去阻阻断断能能力力,或或器器件件不能导通。不能导通。(3)交交流流电电源源异异常常。在在逆逆变变工工作作时时,电电源源发发生生缺缺相相或突然消失而造成逆变失败。或突然消失而
9、造成逆变失败。(4)换换相相裕裕量量角角不不足足,引引起起换换相相失失败败。应应考考虑虑变变压压器器漏漏抗抗引引起起的的换换相相重重叠叠角角、晶晶闸闸管管关关断断时时间间等等因因素素的影响。的影响。w交流侧电抗对逆变换相过程的影响图图3-2 2、最小逆变角最小逆变角确定的方法确定的方法 最小逆变角最小逆变角的大小要考虑以下因素:的大小要考虑以下因素:1)换换相相重重叠叠角角。此此值值与与电电路路形形式式、工工作作电电流流大大小小、触触发发角角大小有关。即大小有关。即 根据根据=-,设,设=,则则:2)晶晶闸闸管管关关断断时时间间 tq 所所对对应应的的电电角角度度。折折算算后后的的电电角角度度
10、约约4度度5度;度;3)安安全全裕裕量量角角。考考虑虑到到脉脉冲冲调调整整时时不不对对称称、电电网网波波动动、畸畸变变与与温温度度等等影影响响,还还必必须须留留一一个个安安全全裕裕量量角角,一一般取般取为为10度左右。度左右。w综上所述,最小逆变角为:综上所述,最小逆变角为:w w为为了了可可靠靠防防止止进进入入min区区内内,在在要要求求较较高高的的场场合合,可可在在触触发发电电路路中中加加一一套套保保护护线线路路,使使在在减减小小时时不不能能进进入入min区区内内,或或在在min处处设设置置产产生生附附加加安安全全脉脉冲冲的的装装置置,万万一一当当工工作作脉脉冲冲进进入入min区区内内时时
11、,由由安安全全脉脉冲冲在在min处处触触发发晶闸管,防止逆变失败。晶闸管,防止逆变失败。3.2.3 有有源源逆逆变变的的应应用用两两组组晶晶闸闸管管反反并并联时电动机的可逆运行联时电动机的可逆运行w下下图图为为两两组组晶晶闸闸管管反反并并联联电电路路的的框框图图。设设P为为正正组组,N为为反反组,电路有四种工作状态。组,电路有四种工作状态。w(1)正组整流)正组整流w上上左左图图为为正正组组整整流流工工作作状状态态。设设P在在控控制制角角作作用用下下输输出出整整流流电电压压Ud,加加于于电电动动机机M使使其其正正转转。当当P组组处处于于整整流流工工作作状状态态时时,反反组组N不不能能也也工工作
12、作在在整整流流状状态态,否否则则会会使使电电流流Id1不不经经过过负负载载M,而而只只在在两两组组晶晶闸闸管管之之间间流流通通,这这种种电电流流称称为为环环流流,环环流流实实质质上上是是两两组组晶晶闸闸管管电电源源之之间间的的短短路路电电流流。因因此此,当当正正组组整整流流时时,反反组组应应关关断断或或处处于于待待逆逆变变状状态态。所所谓谓待待逆逆变变,就就是是N组组由由逆逆变变角角控控制制处处于于逆逆变变状状态态但但无无逆逆变变电电流流。要要做做到到这这一一点点,可可使使 。这这样样,正正组组P的的平平均均电电流流供供电电动动机机正正转转,反反组组N处处于于待待逆逆变变状状态态。由由于于 ,
13、故没有平均电流流过反组,不产生真正的逆变故没有平均电流流过反组,不产生真正的逆变。w(2)反组逆变)反组逆变w当当要要求求正正向向制制动动时时,流流过过电电动动机机M的的电电流流Id必必须须反反向向才才能能得得到到制制动动力力矩矩,由由于于晶晶闸闸管管的的单单向向导导电电性性,这这只只有有利利用用反反组组N的的逆逆变变。为为此此,只只要要降降低低 且且使使 ,则则N组组产产生生逆逆变变,流流过过电电流流Id2,电电机机电电流流Id反反向向,反反组组有有源逆变将电势能源逆变将电势能E通过反组通过反组N送回电网,实现回馈制动。送回电网,实现回馈制动。w(3)反组整流)反组整流wN组整流,使电动机反
14、转,其过程与正组整流类似。组整流,使电动机反转,其过程与正组整流类似。w(4)正组逆变)正组逆变wP组逆变,产生反向制动转矩,其过程与组反逆变类似。组逆变,产生反向制动转矩,其过程与组反逆变类似。3.3 无源逆变(变频)电路无源逆变(变频)电路3.3.1 变频器概述变频器概述 将电网提供的恒压恒频将电网提供的恒压恒频CVCF(Constant Voltage Constant Frequency)交流电交流电变换为变换为变压变频变压变频VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)交流电供交流电供给负载给负载”的过程称为变频,实现变频的装置叫变频器。的过程称
15、为变频,实现变频的装置叫变频器。变频器:变频器:交交-交变频器交变频器 交交-直直-交变频器交变频器 1、交、交-交变频器交变频器w工频交流电工频交流电直接直接变换成不同频率交流电,不变换成不同频率交流电,不通过中间直流环节,又称直接变频器或周波通过中间直流环节,又称直接变频器或周波变换器(变换器(Cycloconverter)。)。w没有中间直流环节,仅用一次变换实现变频,没有中间直流环节,仅用一次变换实现变频,效率高。交效率高。交-交变频器的主要构成环节。交变频器的主要构成环节。2、交、交-直直-交变频器交变频器 先把交流电转换为直流电,经中间滤波环节后,再把直流电逆变成变压变频的交流电,
16、又称为间接变频器。主要构成环节如图a所示。w1)用可控整流器调压、用逆变器调频)用可控整流器调压、用逆变器调频 输入输入:晶闸管可控整流,功率因数低;:晶闸管可控整流,功率因数低;输出输出:晶闸管三相六拍逆变器,输出谐波较大。:晶闸管三相六拍逆变器,输出谐波较大。w2)用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频)用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频 输入:输入:不可控整流器,只整流不调压,斩波器脉宽调压,不可控整流器,只整流不调压,斩波器脉宽调压,输入功率因数高;输入功率因数高;输出:输出:逆变环节谐波较大。逆变环节谐波较大。w3)用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器调压调频)用不
17、可控整流器整流、脉宽调制逆变器调压调频 输入:输入:不可控整流器,输入功率因数高;不可控整流器,输入功率因数高;输出:输出:用用PWM逆变,则输出谐波可以减少。输出波形逆变,则输出谐波可以减少。输出波形 非常逼近正弦波。非常逼近正弦波。3、电压型、电流型交、电压型、电流型交-直直-交变频器比较交变频器比较 根根据据交交-直直-交交变变频频器器的的中中间间滤滤波波环环节节是是采采用用电电容容性性元元件件或或是是电电感感性性元元件件,可可以以将将交交-直直-交交变变频频器器分为电压型变频器和电流型变频器两大类。分为电压型变频器和电流型变频器两大类。电压型电压型变频器:中间直流环节采用变频器:中间直
18、流环节采用电容电容滤波元件。滤波元件。电流型电流型变频器:中间直流环节采用变频器:中间直流环节采用电感电感滤波元件。滤波元件。w(1)交)交-直直-交电压型变频器交电压型变频器w直直流流环环节节:大大电电容容,输输出出电电压压波波形形平平直直(矩矩形形或或阶阶梯梯波波)-恒压源性质恒压源性质-电压型变频器;电压型变频器;w采用二极管整流,输出采用采用二极管整流,输出采用GTR的六拍逆变的六拍逆变。图图3-4w(2)交)交-直直-交电流型变频器交电流型变频器w直直流流环环节节:大大电电感感,输输出出电电流流平平直直(矩矩形形波波或或阶阶梯梯波)波)-恒流源性质恒流源性质-电流型变频器。电流型变频
19、器。图图3-5 (3 3)交)交-直直-交电压型和电流型变频器比较交电压型和电流型变频器比较w1 1)无功能量的缓冲)无功能量的缓冲 w电压型电压型:电容电容储能;储能;电流型电流型:电感电感储能。储能。w2 2)调速时的动态响应调速时的动态响应 w电流型电流型:直流电压可迅速改变,:直流电压可迅速改变,动态响应比较快动态响应比较快;w电压型电压型:直流电压不可改变,:直流电压不可改变,动态响应慢动态响应慢。w3 3)适用范围适用范围 w电压型电压型:多电机同步运行多电机同步运行,不可快速加减速。,不可快速加减速。w电流型电流型:单电机传动单电机传动,可快速起制动和可逆运行。,可快速起制动和可
20、逆运行。w4)回馈制动)回馈制动 w电流型变频器电流型变频器-w电动电动:UR整流整流90,Ud反反向向,CSI整整流流,电机发电,电流电机发电,电流Id方向不变。如图方向不变。如图b。w电压型变频器电压型变频器w电动电动:与上同;:与上同;w制制动动:电电容容电电压压极极性性不不能能反反向向,无无法法回回馈馈制制动动。只只可可用用能能耗耗制制动动或或反反并并联联另另一一组组反反向向整整流流器器,并并使使其其工工作作在在有有源源逆逆变变状状态态,以以通通过过反反向向制制动动电电流流,实实现现回馈制动。回馈制动。电流型变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态电流型变频调速系统的电动和回馈制动两种
21、运行状态 3.3.2 无源逆变(变频)电路的原理无源逆变(变频)电路的原理1、单相半桥逆变电路单相半桥逆变电路 图图3-72、单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路 图图3-83、三相桥式逆变电路、三相桥式逆变电路w电压型三相桥式逆变电路如下图所示。电压型三相桥式逆变电路如下图所示。w三相桥式逆变电路:三相桥式逆变电路:180导电型交导电型交-直直-交电压型交电压型 120导电型交导电型交-直直-交电流型交电流型图图3-93.3.3 180度导电型的交度导电型的交-直直-交电压型变频器交电压型变频器6个个晶晶闸闸管管按按一一定定的的规规则则通通断断,将将Cd送送来来的的直直流流电电压压Ud逆逆变变成
22、成频率可调的交流电。调压靠前级的可控整流电路完成频率可调的交流电。调压靠前级的可控整流电路完成。1、主电路组成、主电路组成图图3-10 主电路主电路=整流器整流器+滤波电容滤波电容+晶闸管逆变器晶闸管逆变器整流器整流器:单相或三相整流电路。:单相或三相整流电路。滤波电容滤波电容:Cd。逆变器:逆变器:VT1VT6主晶闸管;主晶闸管;VD1VD6 续流二极续流二极 管;管;RU、RV、RW为衰减电阻;为衰减电阻;L1L6为为 换流电感;换流电感;C1C6为换流电容;为换流电容;ZU、ZV、ZW三相对称负载。三相对称负载。2、晶闸管导通规则及输出波形分析、晶闸管导通规则及输出波形分析w逆变器一个周
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