第3讲-变频器原理及应用资料.ppt

变频器原理与应用（第2版）第2章,1,变频器原理及应用,第3讲,变频器原理与应用（第2版）第2章,2,总结,功率二极管（D）晶闸管（SCR）门极可关断晶闸管（GTO）电力晶体管（GTR）功率场效应晶体管（P-MOSFET）,变频器原理与应用（第2版）第2章,3,2.6绝缘栅双极晶体管（IGBT）,2.6.1IGBT的结构a)b)c)d)图2-24IGBT结构示意图、电路符号和等效电路a)IGBT模块b)IGBT结构示意图c)电路符号d)等效电路,变频器原理与应用（第2版）第2章,4,2.6.2IGBT的基本特性,1)传输特性2)输出特性,传输特性集电极电流Ic-栅极-发射极电压UGE,UGE,输出特性集电极电流Ic-集-射极电压UCE,UCE,UCE,变频器原理与应用（第2版）第2章,5,2.6.3IGBT的主要参数（P26）,1)集电极-发射极额定电压UCES2)栅极-发射极额定电压UGES3)额定集电极电流IC，4)集电极-发射极饱和电压UEC(sat)5)开关频率（100kHz以下）,变频器原理与应用（第2版）第2章,6,2.6.4IGBT的驱动电路,1）电压驱动，2.55V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一个低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。2）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。IGBT开通后，栅极驱动源能提供足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。3）驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。4）驱动电平+UGE的选择必须综合考虑。在有短路过程的设备中，由于负载短路时的IC增大，IGBT能承受短路电流的时间减少，对其安全不利，因此UGE应取得小一些，一般为1215V。5）在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，应施加一负偏压UGE，但其受IGBT的G、E间的最大反向耐压限制，一般取-1-10V。6）在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，确保IGBT的安全。7）由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。8）IGBT的栅极驱动电路应简单实用，其自身带有对IGBT的保护功能，有较强的抗干扰能力。,变频器原理与应用（第2版）第2章,7,2.7集成门极换流晶闸管IGCT,变频器原理与应用（第2版）第2章,8,2.8智能功率模块(IPM),变频器原理与应用（第2版）第2章,9,本章小结,基础知识重点：常用电力电子器件的基本特性电力电子器件简介常用电力电子器件的基本特性不控器件：DIODE半控器件：SCR，全控器件：GTO，GTR,P.MOSFET复合器件：IGBT，IGCT功率集成电路：IPM,变频器原理与应用（第2版）第2章,10,第三章交-直-交变频技术,图3-1交-直-交变频器的主电路框图,交-直-交变频器：主电路包括三个组成部分：整流电路中间电路逆变电路,变频器原理与应用（第2版）第2章,11,3.1整流电路,3.1.1不可控整流电路不可控整流电路使用的元件：功率二极管，不可控整流电路按输入交流电源的相数不同分：单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。,1.组成：三相桥式整流电路共有六只整流二极管，其中VD1、VD3、VD5三管子的阴极连接在一起，称为共阴极组；VD4、VD6、VD2三只管子的阳极连接在一起，称为共阳极组,变频器原理与应用（第2版）第2章,12,三相不可控整流电路分析,2.原理：共阴极组三只二极管VD1、VD3、D5在t1、t3、t5换流导通；共阳极组三只二极管VD2、VD4、VD6在t2、t4、t6换流导通。一个周期内，每只二极管导通13周期，即导通角为120。通过计算可得到负载电阻RL上的平均电压为：Uo=2.34U2,变频器原理与应用（第2版）第2章,13,3.1.2可控整流电路,三相桥式全控整流电路，如图3-4所示。图3-4三相桥式可控整流电路,1.组成：三相桥式整流电路共有六只晶闸管，其中VT1、VT3、VT5三管子的阴极连接在一起，称为共阴极组；VT4、VT6、VT2三只管子的阳极连接在一起，称为共阳极组,变频器原理与应用（第2版）第2章,14,2.电路工作原理,三相交流电源电压uR、uS、uT正半波的自然换相点为1、3、5，负半波的自然换相点为2、4、6。当0时，让触发电路先后向各自所控制的6只晶闸管的门极(对应自然换相点)送出触发脉冲，即在三相电源电压正半波的1、3、5点向共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5输出触发脉冲；在三相电源电压负半波的2、4、6点向阳极组晶闸管VT2、VT4、VT6输出触发脉冲，负载上所得到的整流输出电压ud波形如图3-5b所示的由三相电源线电压uRS、uRT、uST、uSR、uTR和uRS的正半波所组成的包络线。图3-5b三相桥式全控电路电压波形,变频器原理与应用（第2版）第2章,15,3.可控整流电路控制原则,1)三相全控桥整流电路任一时刻必须有两只晶闸管同时导通，才能形成负载电流，其中一只在共阳极组，另一只在共阴极组。2)整流输出电压ud波形是由电源线电压uRS、uRT、uST、uSR、uTR和uRS的轮流输出所组成的。晶闸管的导通顺序为：（VT6和VT1）（VT1和VT2）（VT2和VT3）（VT3和VT4）（VT4和VT5）（VT5和VT6）。3)六只晶闸管中每管导通120，每间隔60有一只晶闸管换流。,1）采用单宽脉冲触发，2）采用双窄脉冲触发。,4.对触发脉冲的要求,变频器原理与应用（第2版）第2章,16,5.不同控制角时输出电压波形,60时的电压波形图3-660时的电压波形三相桥式可控整流电路输出电压平均值计算三相桥式可控整流电路所带负载为电感性时，输出电压平均值可用下式计算Ud=2.34U2cos,变频器原理与应用（第2版）第2章,17,3.2中间电路,变频器的中间电路有滤波电路和制动电路等不同的形式。3.2.1滤波电路虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但是这种电压或电流含有频率为电源频率6倍的纹波，则逆变后的交流电压、电流也产生纹波。因此，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。这种电路称为滤波电路。,变频器原理与应用（第2版）第2章,18,1.电容滤波,通常用大容量电容对整流电路输出电压进行滤波。由于电容量比较大，一般采用电解电容。二极管整流器在电源接通时，电容中将流过较大的充电电流(亦称浪涌电流)，有可能烧坏二极管，必须采取相应措施。图3-7给出几种抑制浪涌电流的方式。a)接入交流电抗b)接入直流电抗c)串联充电电阻图3-7抑制浪涌电流的方式,变频器原理与应用（第2版）第2章,19,采用大电容滤波后再送给逆变器，这样可使加于负载上的电压值不受负载变动的影响，基本保持恒定。该变频电源类似于电压源，因而称为电压型变频器。电压型变频器的电路框图如图3-8所示。电压型变频器逆变电压波形为方波，而电流的波形经电动机负载的滤波后接近于正弦波，如图3-9所示。图3-8电压型变频器的电路框图图3-9电压型变频器的电压和电流波形,变频器原理与应用（第2版）第2章,20,2.电感滤波,采用大容量电感对整流电路输出电流进行滤波，称为电感滤波。由于经电感滤波后加于逆变器的电流值稳定不变，所以输出电流基本不受负载的影响，电源外特性类似电流源，因而称为电流型变频器。图3-10所示为电流型变频器的电路框图。图3-11所示为电流型变频器输出电压及电流波形。图3-10电流型变频器的电路框图图3-11电流型变频器输出电压及电流波形,变频器原理与应用（第2版）第2章,21,3.制动电路,利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电动机的再生电能的方式称为动力制动或再生制动。图3-12为制动电路的原理图。制动电路介于整流器和逆变器之间，图中的制动单元包括晶体管VB、二极管VDB和制动电阻RB。如果回馈能量较大或要求强制动，还可以选用接于H、G两点上的外接制动电阻REB。图3-12为制动电路的原理图,变频器原理与应用（第2版）第2章,22,3.3逆变电路的工作原理及基本形式,3.3.1逆变电路的工作原理逆变电路也简称为逆变器，图3-13a所示为单相桥式逆变器，四个桥臂由开关构成，输入直流电压E，逆变器负载是电阻R。当将开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，电阻上得到左正右负的电压；间隔一段时间后将开关S1、S4打开，S2、S3闭合，电阻上得到右正左负的电压。我们以频率f交替切换S1、S4和S2、S3，在电阻上就可以得到图3-13b所示的电压波形。a)单相桥式逆变电路b)工作电压波形图3-13逆变器工作原理,变频器原理与应用（第2版）第2章,23,3.3.2逆变电路的基本型式,1.半桥逆变电路图3-14a为半桥逆变电路原理图，直流电压Ud加在两个串联的足够大的电容两端，并使得两个电容的连接点为直流电源的中点，即每个电容上的电压为Ud/2。由两个导电臂交替工作使负载得到交变电压和电流，每个导电臂由一个功率晶体管与一个反并联二极管所组成。,a)半桥逆变电路b)工作波形图3-14半桥逆变电路及工作波形,变频器原理与应用（第2版）第2章,24,2.全桥逆变电路,电路原理如图3-15a所示。直流电压Ud接有大电容C，电路中的四个桥臂，桥臂1、4和桥臂2、3组成两对，工作时，设t2时刻之前V1、V4导通，负载上的电压极性为左正右负，负载电流io由左向右。t2时刻给V1、V4关断信号，给V2、V3导通信号，则V1、V4关断，但感性负载中的电流io方向不能突变，于是VD2、VD3导通续流，负载两端电压的极性为右正左负。当t3时刻io降至零时，VD2、VD3截止，V2、V3导通，io开始反向。同样在t4时刻给V2、V3关断信号，给V1、V4导通信号后，V2、V3关断，io方向不能突变，由VD1、VD4导通续流。t5时刻io降至零时，VD1、VD4截止，V1、V4导通，io反向，如此反复循环，两对交替各导通180。其输出电压uO和负载电流iO见图3-15b所示。,a)全桥逆变电路b)工作波形,变频器原理与应用（第2版）第2章,25,第4章交-交变频技术,4.1单相输出交-交变频电路4.1.1电路组成及基本工作原理图4-1是单相输出交-交变频电路的原理框图，电路由P（正）组和N（负）组反并联的晶闸管变流电路构成，两组变流电路接在同一个交流电源，Z为负载。交-交变频器输出的方波如图42所示。图4-1单相输出交-交变频电路的原理框图图4-2输出的方波,变频器原理与应用（第2版）第2章,26,为了使输出电压的波形接近正弦波，可以按正弦规律对控制角进行调制，即可得到如图4-3所示的波形。调制方法是，在半个周期内让变流器的控制角按正弦规律从90逐渐减小到0或某个值，然后再逐渐增大到90。图4-3单相输出交-交变频电路输出交流电压波形,变频器原理与应用（第2版）第2章,27,4.1.2感阻性负载时的相控调制,如果把交-交变频电路理想化，忽略变流电路换相时输出电压的脉动分量，就可以把电路等效为图4-4a所示的正弦波交流电源和二极管的串联。其中交流电源表示变流电路可输出交流正弦电压，二极管体现了变流电路只允许电流单方向流过。图4-4a理想化交-交变频电路,变频器原理与应用（第2版）第2章,28,4.1.2感阻性负载时的相控调制,图4-4b给出了一个周期内负载电压、电流波形及正负两组变流电路的电压、电流波形。图4-4b整流与逆变状态波形,变频器原理与应用（第2版）第2章,29,图4-5单相输出交-交变频电路输出电压和电流的波形图,负组逆变,正组整流,正组逆变,负组整流,变频器原理与应用（第2版）第2章,30,4.1.3输入输出特性,1输出上限频率就常用的6脉波三相桥式电路而言，一般认为，输出上限频率不高于电网频率的1/31/2。电网为50Hz时，交-交变频电路的输出上限频率约为20Hz。2.输入功率因数交-交变频电路采用的是相位控制方式，因此其输入电流的相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。从图4-3可以看出，在输出电压的一个周期内，角是以90为中心而前后变化的。输出电压比越小，半周期内的平均值越靠近90，位移因数越低。另外，负载的功率因数越低，输入功率因数也越低。,变频器原理与应用（第2版）第2章,31,交-交变频器的特点,1)因为是直接变换，没有中间环节，所以比一般的变频器效率要高。2)由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交流电源的频率低得多，输出波形较好。3)由于变频器按电网电压过零自然换相，故可采用普通晶闸管。4)由于输出上限频率不高于电网频率的1/31/2，因受电网频率限制，通常输出电压的频率较低。5)交-交变频电路采用的是相位控制方式，因此其输入电流的相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。功率因数较低，特别是在低速运行时更低，需要适当补偿。,变频器原理与应用（第2版）第2章,32,4.2三相输出交-交变频电路,三相输出交-交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，三相输出交-交变频电路是由三组输出电压相位各差120的单相交-交变频电路组成的，所以其控制原理与单相交-交变频电路相同。下面简单介绍一下三相交-交变频电路接线方式。4.2.1公共交流母线进线方式图4-6公共交流母线进线方式的三相交-交变频电路简图,变频器原理与应用（第2版）第2章,33,4.2.2输出星形联结方式,图4-7输出星形联结方式的三相交-交变频电路原理图,优点：效率高接近正弦波缺点：接线复杂输出频率低功率因数低输入电流谐波大应用：大容量低速,变频器原理与应用（第2版）第2章,34,本章小结,交-交变频就是把电网频率的交流电变换成可调频率的交流电，此类变频器能量转换效率较高，多应用于大功率的三相异步电动机和同步电动机的低速变频调速。但由于交-交变频输出频率低（一般为电网频率的1/31/2）和功率因数低，使其应用受到限制。,变频器原理与应用（第2版）第2章,35,思考题,P32-1P44-1P52-4交作业时间：3月20日,变频器原理与应用（第2版）第2章,36,第5章高（中）压变频器,5.1高（