电力电子技术（第2版）教学课件作者龚素文6.pptx

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第六章变频电路,1,2,4,3,.,变频电路的基本概念,.交交变频电路,.交直交变频电路,.,软开关技术,5,.,变频电路在交流调速系统中,返回,的应用,.变频电路的基本概念,返回,在现代化生产中需要各种频率的交流电源，主要用途是：

标准电源，用于人造卫星、大型计算机等特殊要求的电源设备，对其频率、电压波形与幅值及电网干扰等参数，均有很高的精度要求。

不间断电源（），平时电网对蓄电池充电，当电网发生故障停电时，将蓄电池的直流电逆变成交流电，对设备作临时供电。

中频装置，广泛用于金属熔炼、感应加热及机械零件淬火。

变频调速，用三相变频器产生频率、电压可调的三相变频电源，对三相感应电动机和同步电动机进行交频调速。

.交交变频电路,.单相交交变频电路,交交变频装置的结构示意图如图所示，它只用一个变换环节就可以把恒压恒频（）的交流电源变换成变压变频（）的交源，因此称为交交变频装置。

交交变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路，如图（）所示。

如果控制角一直不变，则输出的平均电压是方波，如图（）所示。

要得到正弦波输出，就必须在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。

例如，在正组导通的半个周期中，使控制角由,（对应于平均电压），逐渐减小到（对应于平均电压最大）然后再逐渐增加到，也就是使角在变化。

则整流的均输出电压就由零变到最大值再变到零，呈正弦规律变化，如图所示。

下一页返回,.交交变频电路,图中，在点，平均整流电压最大，然后在、点逐渐增大平均电压减小，直到点，平均电压为。

半周中平均输出电压为图中虚线所示的正弦波。

对反组负半周的控制也是这样。

在电感性负载下，假设可得到正弦的负载电压和电流波形（）和（），如图所示，这时电流滞后电压，意味着每一组变器在它的输出电压改变极性之后必须继续导通，而变流器的通、断由电流方向决定，与输出电压极性无关。

所以正半波，正组工作；负半周，反组工作。

图（）所示是由变压器中间抽头的两组晶闸管单相全波电路反并联构成的单相交交变频器。

设负载为电阻型，令正组和反组变流器依次各导通个电源半周期，其波形如图（）所示。

上一页下一页返回,.交交变频电路,.,三相交交变频电路,对于三相负载，其他两相也各用一套反并联的可逆线路，输出平均电压相位依次相差。

这样，如果每个整流器都用桥式电路，三相变频装置共用套反并联线路，共需个晶闸管元件（当每一桥臂只用一个元件时），如图所示，若采用零式电路，也得要个元件，如图所示。

上一页,返回,.交直交变频电路,交直交变频电路其结构框图如图所示。

按照不同的控制方式，交直交变频器可分成以下种方式。

（）采用可控整流器调压、逆变器调频的控制方式，其结构框图如图所示。

在这种装置中，调压和调频在两个环节上分别进行，在控制电路上协调配合，结构简单，控制方便。

但是，由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网端功率因数较低。

而输出环节多用由晶闸管组成的多拍逆变器，每周换相次，输出的谐波较大，因此这类控制方式现在用得较少。

（）采用不控整流器整流、斩波器调压，再用逆变器调频的控制方式，其结构框图如图所示。

整流环节采用二极管不控整流器，只整流不调压，再单独设置斩波器，用脉宽调压，这种方法克服功率因数较低的缺点，但输出逆变环节未变，仍有谐波较大的缺点。

下一页返回,.交直交变频电路,（）采用不控整流器整流、脉宽调制（）逆变器同时调压调频的控制方式，其结构框图如图所示。

在这类装置中，用不控整流，则输入功率因数不变；用逆变，则输出谐波可以减小。

这样图所示装置的两个缺点都消除了。

在交直交变频器中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频器叫做电压型变频器，见图,上一页下一页返回,.交直交变频电路,（）。

当交直交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频器叫做电流型变频器，见图（）为了更清楚地表明交直交变频装置与交交变频装置两类变频装置的特点，下面用表格的形式加以对比，如表所示。

上一页,返回,.软开关技术,为了实现电力电子装置的小型化和高功率密度化，就要求电力电子器件的高频化。

但在常用的脉宽调制（）方式下提高开关频率的同时，开关损耗也会随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也增大了，所以简单的提高开关频率是不行的。

针对这些问题出现了软开关技术，它利用以谐振为主的辅助换流手段，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高。

.软开关的基本概念.硬开关与软开关从年代开始得到发展和应用的功率变换技术是一种硬开关技术。

为了使开关电源在高频状态下也能高效率地运行，国内外电力电子界和电源技术界自年代以来，不断研究开发高频软开关技术。

下一页返回,.软开关技术,上一页下一页,返回,在对电力电子电路进行分析时，将开关理想化，认为开关状态的转换是在瞬间完成的，忽略了开关过程对电路的影响。

这样的分析方法便于理解电路的工作原理，但实际电路中开关过程是客观存在的，开关不是理想器件，因此在开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，产生了开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗（）。

开越高，总的开关损耗越大，电路的效率就越低。

开关损耗的存在限制了开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。

而且电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲，这导致了开关噪声的产生。

具有这样的开关过程的开关被称为硬开关，如图所示。

.软开关技术,上一页下一页,返回,器件开关过程的开关轨迹如图所示，为器件的安全工作区，硬开关方式的开关轨迹。

由于开关过程中器件上作用的电压、电流均为方波，开关状态转换条件恶劣，开关轨迹接近边沿，开关损耗和开关应力均很大。

此时虽可在开关器件上增设吸收电路以改变开关轨迹及相应开关条件，但仅仅是使部分开关损耗从器件上转移至吸收电路中，并没有减少电路工作中的损耗总量。

.零电压开关与零电流开关开关损耗包括开通损耗和关断损耗。

利用软开关技术可以减小变换器的开通损耗和关断。

软开关有两种类型零电压开关和零电流开关。

.软开关技术,上一页下一页,返回,零电压开关过程分为零电压开通和零电压关断。

零电压开通是指在开关管开通前，便其电压下降到零，开通损耗基本减小到零。

零电压关断是指在开关管关断时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，从而减小电流与电压的交叠区，关断损耗大大减小。

.软开关电路的分类软开关技术问世以来，经历了不断的发展和完善，前后出现了许多种软开关电路，直到目前为止，新型的软开关电路仍不断的出现。

由于存在众多的软开关电路，而且各自有不同的特点和应用场合，因此对这些电路进行分类是很必要的。

.软开关技术,上一页下一页,返回,根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关电路和零转换电路。

（）谐波直流环节电路（）。

图给出了以上四种软开关电路的基本开关单元。

准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波。

电路的开关损耗和开关噪声都大大下降，但由于谐振电压峰值很高、谐振电流的有效值很大、谐振周期随输入电压、负载变化而改变，造成器件耐压要求必须提高、电路导通损耗加大。

这种电路只能采用脉冲频率调制（）方式来控制，而不能采用脉冲宽度调制（）方法来控制，变频的开关频率给电路设计带来困难。

.软开关技术,上一页下一页,返回,.零开关电路零开关电路引入了辅助开关来使谐振仅发生于开关过程前后。

其电路的电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的控制方式。

零开关电路可以分为：

零电压开关电路（：

）和零电流开关电路（：

）。

这两种电路的基所示。

.零转换电路,.软开关技术,上一页下一页,返回,零转换电路采用谐振电路与主开关并联的方式，输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压范围内，从零负载到满载都能工作在软开关状态，电路中无功功率交换的减小使得电路效率得到进一步提高。

零转换电路可以分为：

零电压转换电路（电路（的基本开关单元如图所示。

.软开关技术的实现软开关中使电压或电流为零，目前均用储能元件构成谐振电路来实现，即利用的谐振作用，形成正弦波电流或正弦波电压，在电流为零或电压为零时，导通或关断开关，进行能量切换，从而消除开关过程中的电压电流交叉重叠，所以软开关技术也称为谐振开关（）技术。

.软开关技术,零电压开关准谐振电路这是一种较为早期的软开关电路，但由于结构简单，所以目前仍然在一些电源装置中应用。

在此以降压型零电压开关准谐振电路为例分析其工作原理，电路图、波形图及等效电路图如图所示。

图中为功率开关元件，、为谐振电感和电容。

假定和无穷大，则和可以等效为电流源和电压源。

零电压开关准谐振电路的工作过程可分为四个阶段：

第四个阶段的时间可以通过控制触发脉冲来控制，所以谐振电路采用调频控制。

从图中可以看出，谐振电压峰值是输入电压的两倍，使开关元件必须有较高的耐压值，增加了电路的成本，降低了可靠性，这就是零电压准谐振电路的缺点。

上一页,返回,.变频电路在交流调速系统中的应用,交流调速是变频应用的主要形式之一。

异步电动机调速系统种类很多，常见的有降电压调速、电磁转差离合器调速、绕线转子异步电机转子串电阻调速、绕线转子异步电机串级调速、变极对数调速、变频调速等。

在开发交流调速系统时，人们从多方面进行探索，其种类繁多是很自然的。

可以看出，若均匀地改变定子频率，则可以平滑地改变电机的转速。

因此，在各种异步电机调速系统中，变频调速的性能最好，使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，同时效率高，所以变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速，最有发展前途，是交流调速的主要发展方向。

下一页返回,.变频电路在交流调速系统中的应用,上一页下一页,返回,.,变频调速中的变频器,目前已被广泛应用在交流电动机变频调速中的变频器是交直交变频器，它是先将恒压恒频（流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控交流电的间接型变频电路。

.变频器的基本结构调速用变频器通常由主电路、控制电路和保护电路组成。

其基本结构和各部分的基本功能如图所示。

.变频器的控制方式变频器的主电路基本上都是一样的（所用的开关器件有所不同），而控制方式却不一样，需要根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制。

.变频电路在交流调速系统中的应用,上一页下一页,返回,变频器具有调速功能，但采用不同的控制方式所得到的调速性能、特性及用途是不同的。

控制方式大体可分为控制方式、转差频率控制、矢量控制。

（）控制。

控制是一种比较简单的控制方式。

它的基本特点是对变频器的输出电压和频率同时进行控制，通过提高比来补偿频率下调时引起的最大转矩下降而得到所需的转矩特性。

的曲线种类。

为了方便用户选择比，变频器通常都是以曲线的方式提供给用户，让用户选择，如图所示。

.变频电路在交流调速系统中的应用,上一页下一页,返回,（）转差频率控制。

转差频率控制方式是对控制的一种改进。

在采用这种控制方式的变频器中，电动机的实际速度由安装在电动机上的速度传感器和变频器控制电路得到，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率的和自动设定，从而达到在进行调速控制的同时，控制电动机输出转矩的目的。

（）矢量控制。

矢量控制是一种高性能的异步电动机控制方式，它是从直流电动机的调速方法得到启发，利用现代计算机技术解决了大量的计算问题，是异步电动机一种理想的调速方法。

以上种控制方式的特性比较见表。

.变频电路在交流调速系统中的应用,上一页下一页,返回,（）直接转矩控制。

直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。

即使在开环状态下，也能输出的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。

.交流电动机变频调速变频调速装置的结构见图，它由二极管整流电路、能耗制动路、逆变电路和控制电路组成。

逆变电路采用器件，为三相桥式逆变电路。

.变频电路在交流调速系统中的应用,上一页,返回,控制电路包括给定积分器、绝对值运算器、函数发生器、压控振荡器和三相正弦波发生器等。

各部分的功能如下。

（）给定积分器：

限定输出频率的升降速度。

输出信号的极性决定电机正、反转，输出信号的大小控制电机转速的高低；给定积分器的输出正弦指令信号与三角波比较后形成三相控制信号，再经过输出电路和驱动电路，控制逆变器的通断，使逆变器输出所需频率、相序和大小的交流电压，从而控制交流电机的转速和转向；输出经极性鉴别器确定正、反转逻辑后，去控制三相标准正弦波的相序，从而决定输出正弦指令信号的相序。

图,交交变频装置的结构示意图,返回,图,交交变频装置一相电路及波形,返回,图,正弦波交交变频装置的输出电波形,返回,图,交交变频装置的输出波形,返回,图,单相交交变频器电路和波形,返回,图,三相桥式交交变频主电路（公交流母线进线）,返回,图,三相零式交交变频主电路,返回,图,交直交变频电路结构框图,返回,图,可控整流器调压、逆变器调频的结构框图,返回,图不控整流器整流、斩波器调压逆变器调频的结构框图,返回,图不控整流器整流、脉宽调制（）逆变器结构框图,返回,图,变频器结构框图,返回,表,晶闸管交直交变频装置与交变频装置主要特点比较,返回,图,硬开关的开关过程,返回,图,器件开关轨迹,返回,图,软开关的开关过程,返回,图,准谐振电路的基本开关单元,返回,图,零开关电路的基本开关,返回,图,零转换电路的基本开关,返回,图9,降压型零电压开关准谐振电路,返回,图,变频器基本结构,返回,图,变频器的控制曲线,返回,图,基本控制曲线,返回,图,分段比的补偿线,返回,表,种控制方式的特性比较,返回,表,种控制方式的特性比较,返回,图,开环控制的的变频调结构简图,返回,谢谢观赏,