1、第五章模拟量控制电路 本章重点介绍变频调速系统的整流电路 逆变器的主电路 控制电路及电源控制 主要内容 5 1导电角控制 5 2脉宽调制控制电路 5 3变频控制电路 5 4程控电源 5 1导电角控制 变频电路 将一固定频率的交流电能变换为另一频率或频率可调的交流电能的装置或系统 交 交变频器 AC AC变频器 交 直 交变频器 AC DC AC变频器 5 1导电角控制 AC AC变频器 即直接变频 是将工频电源直接变换为所需频率的交流电源 它通过改变功率开关器件控制角 的大小 调节电源电压 AC DC AC变频器 首先将交流电能经整流电路变为直流电能 再经逆变器将直流电能转变为所需频率的交流电
2、能 通过控制逆变器开关元件的导电角 来控制馈送给负载的平均电压 5 1 1可控整流电路 5 1 2逆变器的基本概念 5 1 3三相逆变器 5 1导电角控制 5 1 1可控整流电路 整流电路 交流电能 直流电能 可分为 不可控整流电路可控整流电路斩控整流电路 有单相整流电路和三相整流电路之分 前者多用于小容量的设备 而后者多用于大容量设备 5 1 1可控整流电路 不可控整流电路提供稳定的直流电压输出 如图 a b 可控整流电路通过对功率开关元件控制角 的改变使输出电压可调 如图 c d 5 1 1可控整流电路 重点讨论 一 单相可控整流电路1 单相半波可控整流电路2 单相桥式全控整流电路二 三相
3、桥式全控整流电路三 可控整流电路的控制 一 单相可控整流电路 1 单相半波可控整流电路有关术语和概念 控制角 导电角 移相控制 同步 定相基本数量关系描述整流电压平均值与控制角的关系 整流电流平均值与控制角的关系 5 1 1可控整流电路 单相半波可控整流电路 由一个晶闸管K和负载RL组成 K串联在变压器 交流侧 与负载 直流侧 之间 5 1 1可控整流电路 单相可控整流电路 5 1 1可控整流电路 单相可控整流电路 控制角 触发角或移相角 从晶闸管实际承受正向电压开始 到加触发脉冲ug后使晶闸管开始导通的区间 术语和概念 导通角 也称为导电角 晶闸管在一个周期内导通的区间 5 1 1可控整流电
4、路 单相可控整流电路 术语和概念 移相控制 通过改变晶闸管控制角 来改变整流电压的大小的控制方法 简称移相 移相范围 在可控整流电路中 使整流电压平均值从最大到零 控制角 的变化范围称为整流电路的移相范围 移相范围与电路形式 负载性质有关 如单相半波整流电路接电阻负载时 其移相范围为0 180 5 1 1可控整流电路 单相可控整流电路 术语和概念 同步 在可控整流电路中 为使整流波形稳定和便于调整 应使每一个周期的控制角 都相同 这就要求触发脉冲在频率上和相位上与电源电压配合好 这种相互协调配合的关系称为同步 定相 寻找和确定同步关系的过程称为定相 若定相有误 则线路不能正常工作 5 1 1可
5、控整流电路 单相可控整流电路 术语和概念 单相可控整流电路基本数量关系描述整流电压平均值Ud与控制角 的关系整流电压平均值Ud与控制角 的关系整流电流平均值Id与控制角 的关系 5 1 1可控整流电路 整流电压平均值Ud与控制角 的关系 对于电阻性负载 控制角 与导电角 的关系为 而Ud为 式中 Ui为交流电压有效值 Ud为整流电压平均值 由此可见 控制角 越大 则导电角 越小 Ud越小 5 1 1可控整流电路 单相可控整流电路基本数量关系描述 对于电感性负载 导电角 不仅与控制角 有关 还与负载参数R和L有关 而整流电压Ud为 整流电压平均值Ud与控制角 的关系 式中 Ui为交流电压有效值
6、Ud为整流电压平均值 5 1 1可控整流电路 单相可控整流电路基本数量关系描述 对于电阻性负载有 整流电流平均值Id与控制角 的关系 式中 R为负载电阻 对于电感性负载有 5 1 1可控整流电路 单相可控整流电路基本数量关系描述 一 单相可控整流电路 2 单相桥式全控整流电路只讨论其电路工作的主要特点 5 1 1可控整流电路 单相桥式全控整流电路由四只晶闸管组成 如图 5 1 1可控整流电路 单相桥式全控整流电路 波形图 自然换流点在电源电压ui过零处 两组脉冲之间相隔180 两组晶闸管轮流导通 负载上得到每个周期两个波头的脉动直流电 5 1 1可控整流电路 单相桥式全控整流电路 单相桥式全控
7、整流电路的主要特点 只要控制角 0 电阻性负载整流电流就不连续 此时 晶闸管导电角 移相范围为180 对电感性负载电流连续时 晶闸管导电角 移相范围为90 5 1 1可控整流电路 单相桥式全控整流电路 晶闸管承受的最大反压为 返回 5 1 1可控整流电路 二 三相桥式全控整流电路只讨论其电路工作时的基本特点 三相桥式全控整流电路如图 它由两组晶闸管组成 共阴极组 K1 K3和K5 和共阳极组 K2 K4和K6 5 1 1可控整流电路 三相桥式全控整流电路 三相桥式全控整流电路基本特点 任何时刻都必须有两个晶闸管同时导通 方能形成导电回路 且同时导通的两个晶闸管分别属于共阴极组和共阴极组 5 1
8、 1可控整流电路 三相桥式全控整流电路 晶闸管换流情况是分属两组的晶闸管之间不换流 而共阴极组和共阴极组之间换流 就整体而言 触发脉冲之间的相位互差为60 而接在同一相电源的两个晶闸管 其触发脉冲之间的相位互差180 共阴极组或共阴极组晶闸管的触发脉冲之间相位互差120 为保证共阴极组和共阳极组各有一只晶闸管同时导通 必须给这两只晶闸管同时施加触发脉冲 5 1 1可控整流电路 三相桥式全控整流电路 电流连续的条件是晶闸管的导电角 120 对于电阻性负载 当晶闸管控制角 60 时 电流出现断续现象 晶闸管承受的正 反向电压的最大值均为 5 1 1可控整流电路 三相桥式全控整流电路 电路整流电压平
9、均值 当电感性负载和控制角 60 时 电阻负载整流电压平均值Ud为 当控制角 60 时 电阻负载整流电压平均值Ud为 式中 Uil为交流电压的线电压 5 1 1可控整流电路 三相桥式全控整流电路 综上 三相桥式全控整流电路具有整流电压较高 脉动较小 变压器副绕组中正 负半周均有电流流过 使变压器得以充分利用等优点 在中等以上功率的整流装置中得到广泛地应用 5 1 1可控整流电路 三相桥式全控整流电路 返回 5 1 1可控整流电路 三 可控整流电路的控制控制的方式 控制脉冲的要求 晶闸管导通条件 须在晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压且在门极加正向控制电压 可控整流电路的控制是通过对触发脉冲的控制
10、来实现的 触发电路的作用是产生符合要求 相位可调的门极触发脉冲 5 1 1可控整流电路 可控整流电路的控制 晶闸管整流电路对触发脉冲电路的要求 触发脉冲必须与主电路的电源电压同步 并有一定的移相范围 触发脉冲应有一定的宽度 保证被触发的晶闸管可靠导通 触发脉冲前沿应尽量陡 有助于各工作的晶闸管导通时间趋于一致 触发脉冲应有足够的功率 5 1 1可控整流电路 可控整流电路的控制 返回本节目录 5 1 2逆变器的基本概念 逆变器 一种将直流电能转变为交流电能的设备 有有源逆变器和无源逆变器之分 有源逆变器 把变换的交流电能回馈到工频交流电网中去的逆变器 无源逆变器 把变换的交流电能供给负载的逆变器
11、 逆变器常用于电动机的变频调速控制和功率电源输出控制等 一 无源逆变器的工作原理二 无源逆变器换流的工作原理 5 1 2逆变器的基本概念 5 1 2逆变器的基本概念 无源逆变器工作原理 图 a 当两组开关K1和K4 K2和K3依次轮流切换时 负载上的端电压为交流电压 将开关换成晶闸管就构成了晶闸管逆变器 图 b 无源逆变器的工作原理图 一 无源逆变器的工作原理二 无源逆变器换流的工作原理 5 1 2逆变器的基本概念 晶闸管的关断特性 导通后门极失去控制作用 流过晶闸管的电流小于擎住电流 且维持时间大于其关断时间tq 由于是直流电源供电 当晶闸管触发K1和K4导通后 不会自行关断 这时若触发晶闸
12、管K2和K4导通 则会导致直流电源短路 5 1 2逆变器的基本概念 无源逆变器换流的工作原理 在触发晶闸管K2和K4 K1和K3 导通之前 必须保证K1和K3 K2和K4 可靠关断 要保证晶闸管之间的可靠换流 必须满足以下条件 当晶闸管的阳极电流下降到零值以后 仍需承受足够长时间t0 大于晶闸管关断时间tq 的反向电压 5 1 2逆变器的基本概念 无源逆变器换流的工作原理 晶闸管之间的换流是通过换流装置来实现的 换流装置的作用 迫使原先导通的晶闸管 或功率管 中的电流降至零而被关断 并同时使负载电流换流到下一个导通的晶闸管 或功率管 换流装置须能承受一定时间的反压 5 1 2逆变器的基本概念
13、无源逆变器换流的工作原理 根据工作原理 换流装置可分为三种主要类型 换流是通过导通元件自身阻值的提高 如图 a 在电路中串入一反向电压来实现 如图 b 通过旁路电容C实现换流 如图 c 5 1 2逆变器的基本概念 无源逆变器换流的工作原理 利用电容强迫换流如图K1为主晶闸管 K2为辅助晶闸管 R为负载电阻 C为换流电容 当K1触发导通后 流过负载R和K1的电流i1为 同时通过R2对电容C充电到 ud 5 1 2逆变器的基本概念 无源逆变器换流的工作原理 在t 0瞬间 触发辅助晶闸管K2 由于uC的作用 K2立刻导通 C通过K1和K2放电 使K1中的电流降到零而关断 主晶闸管K1关断后承受的反向
14、电压即为电容两端的电压uC 5 1 2逆变器的基本概念 无源逆变器换流的工作原理 即 式中T RC K1承受反压的时间t0决定于 为保证主晶闸管K1可靠关断 要求 故换流电容C应满足 5 1 2逆变器的基本概念 无源逆变器换流的工作原理 负载谐振式换流 如图 R L C构成谐振回路 利用谐振特性 可强迫晶闸管关断 当t 0的瞬间 触发晶闸管K使之导通 通过K的电流ic的变化规律决定于谐振回路各参数 5 1 2逆变器的基本概念 无源逆变器换流的工作原理 假设负载电阻R足够大 电路可近似看做L C串联谐振 故ic和uc的变化近似正弦规律如图 当t t0时 触发导通当t t1时 iC iK最大当t
15、t2时 uC最大 iC 0当t t3时 iK 0当t t4时 uC ud uK 0K承受反压时间为t4 t3 5 1 2逆变器的基本概念 无源逆变器换流的工作原理 逆变器就其换流装置不同可分为串联逆变器和并联逆变器 两者主要差别是换流调谐回路不同 前者为L R和C串联 后者为L R和C并联 两者在特性上有明显的区别 5 1 2逆变器的基本概念 无源逆变器换流的工作原理 就负载与换流装置的关系而言可分为电压逆变器和电流逆变器 前者的负载与换流装置无关 后者的负载是换流装置的一部分 两者的直流侧电源各不相同 前者直流侧为电压源 而后者则为恒流源电流逆变器直流侧电压的极性可随不同的运行状态而改变 这
16、也是与电压型逆变器的基本区别之一 5 1 2逆变器的基本概念 无源逆变器换流的工作原理 返回本节目录 5 1 3三相逆变器 在变频调速系统的变频电路内 其逆变器采用三相桥式电路 如图 图中 K1 K6为逆变器的主晶闸管 D1 D6为各桥臂上的反馈二极管 C为电容 5 1 3三相逆变器 根据导电角的不同 三相逆变器可分为120 导通型逆变器和180 导通型逆变器 120 导通型逆变器是指晶闸管之间触发脉冲的安排使每个可控硅最大导通120 电角度 180 导通型逆变器是指晶闸管之间触发脉冲的安排使每个可控硅最大导通180 电角度 5 1 3三相逆变器 一 120 导通型逆变器二 180 导通型逆变
17、器三 脉冲列逆变器 5 1 3三相逆变器 120 导通型逆变器 120 导通型逆变器的主晶闸管K1 K6触发脉冲次序如图 a 每隔60 依次轮流触发 且每个晶闸管导通持续120 电角度 要求触发脉冲宽度大于90 最大达120 任何瞬间最多只有两个晶闸管同时处于导通状态 且导通的晶闸管分别在共阴极和共阳极桥臂 晶闸管之间的换流在各自的桥臂中进行 而共阴极桥臂和共阳极桥臂的晶闸管之间不进行换流 这是120 导通型逆变器的一个重要特点 120 导通型逆变器输出电压波形与负载的性质有关 5 1 3三相逆变器 120 导通型逆变器 纯电阻性负载时输出电压波形如图 b 和 c 在 t 0 60 期间 K1
18、 K6导通 直流电压ud加在负载A B相之间 三相相电压为 uA ud 2 uB ud 2 uC 0 线电压为 uAB ud uBC ud 2 uCA ud 2 5 1 3三相逆变器 120 导通型逆变器 在 t 60 120 期间 K1 K2导通 直流电压ud加在负载A C相之间三相相电压为 uA ud 2 uB 0 uC ud 2 线电压为 uAB ud 2 uBC ud 2 uCA ud 同理可得出一个周期内的电压波形 5 1 3三相逆变器 120 导通型逆变器 由图可见 相电压是幅值为ud 2的矩形波 线电压幅值为ud 波形为六级阶梯波 相位差120 5 1 3三相逆变器 120 导通
19、型逆变器 纯电感性负载时 由于负载电感的储能作用 使负载中的电流不能突变 即经主晶闸管之间环流后 负载电流仍要维持原来的方向 并只能经续流二极管构成回路 因此 负载上的电压波形不同于纯电阻性负载时的输出电压波形 5 1 3三相逆变器 120 导通型逆变器 在 t 0 60 期间 K1 K6导通 直流电压ud 加在负载A B相之间 负载中的电流方向如图 a 与纯电阻性负载相同 5 1 3三相逆变器 120 导通型逆变器 在 t 60 时 触发K2 关断K6后 B相中的电流不能改变方向 如图 b 其流动路径变为 B D3 K1 A B 使uAB 0 5 1 3三相逆变器 120 导通型逆变器 只有
20、当储能释放完以后 即续流过程结束之后 uAB ud 2 同理可得一周期内的电压波形 如图 d 可见 由于纯电感性负载造成的续流过程 使感性负载的电压波形出现了明显的缺口和突起 续流过程越长 对波形的影响越大 5 1 3三相逆变器 120 导通型逆变器 续流过程的时间决定于负载回路的参数 其中 L R为负载时间常数 它随负载电感的增加而增大 因此续流时间随时间常数增加而增加 对应的 缺口和突起持续时间也随之增加 当 tB 60 输出电压波形如右图所示 5 1 3三相逆变器 120 导通型逆变器 当0 tB 60 时 经K6和K2换流后 感性滞后无功电流只通过二极管D3构成续流回路 如图所示 负载
21、电感中的储能全部消耗在此回路中的负载电阻上 5 1 3三相逆变器 120 导通型逆变器 当 tB 60 时 K6和K2换流后 续流过程一直到120 时储能还未释放完 在触发K3 关断K1后 B相电流的方向还未改变 所以K3不能通过电流 电流的路径改为B D3 电源 电源 D4 A B 如右图 直到B相感性电流降到零后 K3才有电流流过 5 1 3三相逆变器 120 导通型逆变器 120 导通型逆变器缺点 电压波形因负载性质而不同优点 不存在同一桥臂上 下两个主晶闸管的换流 因此 对换流的安全有利 5 1 3三相逆变器 120 导通型逆变器 5 1 3三相逆变器 一 120 导通型逆变器二 18
22、0 导通型逆变器三 脉冲列逆变器 180 导通型逆变器的主电路与120 导通型逆变器基本类似 主晶闸管K1 K6每隔60 轮流触发 且输出电压波形也是各相相位互差120 电角度 不同之处为每个晶闸管导通180 如图 a 5 1 3三相逆变器 180 导通型逆变器 在 t 0 60 期间 K5 K6和K1导通 则线电压为 uAB ud uBC ud uCA 0 在 t 60 120 期间 K2 K6和K1导通 则线电压为 uAB ud uBC 0 uCA ud 在 t 120 180 期间 K2 K3和K1导通 则线电压为 uAB 0 uBC ud uCA ud 5 1 3三相逆变器 180 导
23、通型逆变器 与120 导通型逆变器相比 区别在 每个主晶闸管最大导电角为180 任何瞬间逆变器最多有三个晶闸管同时导通 逆变器输出电压波形仍为六个台阶 但幅值为2ud 3 高于120 导通型逆变器的输出相电压 而且任何瞬间不存在相电压断开的现象 5 1 3三相逆变器 180 导通型逆变器 可在同一桥臂上 下两个主晶闸管之间换流 不论是纯阻性负载还是纯感性负载 180 导通型逆变器的输出电压波形是相同的 线电压波形都是120 宽的矩形波 所以其使用范围较120 导通型逆变器广泛 5 1 3三相逆变器 180 导通型逆变器 120 和180 导通型逆变器优缺点 优点 控制模式简单 主开关管的开关损
24、耗较小 缺点 输出电压波形中包含高次谐波 对异步电动机的工作不利 且在输出频率较低时逆变器的换流能力变弱 当直流电压恒定时 输出交流电压值不能改变 逆变器只能改变输出电压的频率 而幅值不变 因此不能满足异步电动机变频调速的要求 5 1 3三相逆变器 一 120 导通型逆变器二 180 导通型逆变器三 脉冲列逆变器 特点 每个主晶闸管在导通区间内可在任何时刻关断 输出电压波形是一组脉冲列通过调节脉宽达到调节输出电压幅值的目的 同时可以减少输出电压中高次谐波 5 1 3三相逆变器 脉冲列逆变器 180 导通型脉冲列逆变器波形图 为了实现主晶闸管在其导通区间内任何时刻关断 每个主晶闸管应有自己单独的
25、换流装置 可关断晶闸管 GTO 特别是绝缘栅双极性晶体管 IGBT 等器件的出现 是脉冲列逆变器元件关断的可靠性程度提高 简化了逆变器 促进了脉冲列逆变器的广泛应用 5 1 3三相逆变器 脉冲列逆变器 导电角控制电路实现 通过硬件电路实现 如单结晶体管等 这种方法灵活性 可靠性都存在问题 由计算机输出脉冲控制 优点是灵活 可靠 但占用CPU资源较多 影响实时性采用专用集成电路 不仅保持了利用计算机实现对逆变器控制的灵活性 而且硬件电路简单 占用CPU资源不多 5 1导电角控制 电路实现 目前 较为流行的控制方法是根据逆变器功率开关器件要求的导通顺序及其导通维持时间 通过软件方式产生控制信号 并
26、经微处理器的接口送出 再经简单处理 移位寄存等 后送到对应的功率开关器件 以控制其通断 5 1导电角控制 电路实现 下图为程控方式120 导电角控制电路及状态转换 它可以很方便的通过改变控制脉冲的周期来改变逆变器输出的频率 5 1导电角控制 电路实现 返回本章目录 5 2脉宽调制 PWM 控制电路 脉宽调制控制电路 PWM 通过调节控制电压脉冲的宽度和脉冲列的周期来控制输出电压和频率的 在逆变器中采用PWM控制 可同时完成调频和调压的任务 整流装置简单 功率因数较高 逆变器输出电压波形中谐波分量大大减小 5 2脉宽调制 PWM 控制电路 5 2 1脉宽调制控制电路的基本原理 5 2 2常用触发
27、脉宽调制方法 5 2 3PWM功率转换电路 5 2 4开关电源 5 2 1脉宽调制控制电路的基本原理 一 PWM的基本电路 基本的脉宽调制控制电路组成原理如图 是由电压 脉宽转换器和开关功率放大器组成 电压 脉冲转换器的核心是运算放大器 其输入信号有调制 信号uT 负偏置电压uP 控制电压信号uC 二 PWM的典型电路 典型的PWM电路按照调制信号的特点分 有锯齿波PWM电路 三角波PWM电路等 按控制电压波形的不同有矩形波PWM控制电路和正弦波PWM控制电路等 5 2 1脉宽调制控制电路的基本原理 二 PWM的典型电路 1 三角波脉宽调制电路 如图 三角波脉宽调制器由三角波发生器和比较器构成
28、 二 PWM的典型电路 图 a 为三角波发生器电原理图 图 b 为其波形图 A1输出为方波脉冲 其电压的大小由稳压管的稳定值决定 极性由方波与三角波电压的比较决定 A2输出为三角波 二 PWM的典型电路 由于方波脉冲正 负电压幅值相等 积分电容的冲放电通道参数相同 因此 在T1 T2时 产生的三角波是对称的 其周期为 F为电位器的分压比 二 PWM的典型电路 三角波脉宽调制是一种应用广泛的调制方式 其组成原理如下图所示 图 a b c 分别给出uC uF 0 uC uF 0和uC uF 0时ub的波形 显然ub的占空比由uC决定 二 PWM的典型电路 2 锯齿波脉宽调制电路 锯齿波脉宽调制电路
29、是由锯齿波发生器和电压比较器组成 锯齿波发生器提供PWM所需频率的锯齿波调制电压 二 PWM的典型电路 下图为锯齿波发生器的一种电路实现方式 图中Rs R s 二 PWM的典型电路 锯齿波发生器还可以由NE555无稳态多谐振荡器实现 其工作过程是通过电容C2的充电与其迅速放电的来实现的 二 PWM的典型电路 3 数字式脉宽调制电路 脉宽调制器PWM信号的产生是通过控制电压与调制电压比较实现的 调制电压的频率决定了PWM信号的频率 而PWM信号对负载两端的电压控制 是由控制电压对脉宽的控制实现 二 PWM的典型电路 数字式脉宽调制器实现方法由模拟电路方法 数字电路方法和软件计算方法等 软件方式是
30、直接利用对延时大小的控制来改变脉冲宽度 这种方式硬件电路简单 灵活 精度较高 但CPU资源占用较多 实时性不高 硬件方式电路复杂 但占用CPU资源较少 实时性高 因此较为常用 二 PWM的典型电路 硬件方式的基本原理如图 计数器输出一个周期T为2n倍时钟周期Tc的数字锯齿波调制信号NB 与来自CPU的数字控制信号NA比较 得到PWM输出信号 这种方式精度较高 占空比控制方便 二 PWM的典型电路 下图为计数比较式脉宽调制电路 计数器CD450形成数字三角波A 与来自CPU的数字控制信号B比较得到PWM信号 脉宽由CPU输出的数字控制信号决定 频率由计数器最大计数值决定 返回本节目录 5 2 2
31、常用触发脉宽调制方法 一 矩形波控制电压 如图 三角波电压UT与矩形波控制电压Uc比较 显然输出脉宽由控制电压决定 5 2 2常用触发脉宽调制方法 二 正弦波控制电压 载波信号采用等腰三角波 控制信号采用正弦波 则称之为正弦波脉宽调制 SPWM 采用这种方法产生的触发脉冲宽度近似呈正弦变化 如图 5 2 2常用触发脉宽调制方法 三角波调制电压的频率越高 脉宽就越接近正弦 正弦控制信号的幅度改变 对应的触发脉宽相应变化 逆变器输出交流电压也随之相应的增加和降低 但是触发脉宽却仍呈正弦变化的规律 则逆变器的输出交流电压也按正弦变化 使其谐波分量大大减小 故这种控制方式效果最理想 实际应用广泛 5
32、2 2常用触发脉宽调制方法 在SPWM中 定义载波频率fP与调制频率fD之比为载波比N 即N fP fD 根据载波比的变化与否 可分为同步式调制控制异步式调制控制 5 2 2常用触发脉宽调制方法 N为常数时 为同步式调制控制 其特点是控制中始终保持着脉宽调制信号波形和相位不变 能保持逆变器输出波形的正 负半波始终保持对称 三相SPWM调制控制基本结构如图所示 图中开关管T为IGBT快速开关管 5 2 2常用触发脉宽调制方法 当N不为常数时 则三角波频率固定 只改变正弦波频率 这称为异步式调制控制 异步式脉宽调制控制也可以改变输出电压的频率 在低频输出时 每周内所包含的脉冲数增多 可以减小负载电
33、动机的转矩脉冲 改善低频工作特性 但异步式脉宽调制控制系统中 正负半周的脉冲数和相位在不同的频率下不完全对称 会出现偶次谐波 返回本节目录 5 2 3PWM功率转换电路 PWM功率转换电路的功能是控制电路通过其发出的PWM信号去触发可关断晶闸管和功率开关管 向负载馈送交流电 驱动负载 馈送交流电的电压与频率取决于PWM信号 PWM功率转换电路的结构与控制策略应考虑到负载的运行要求 如是否要运行于制动回馈 是否要求可逆 对功率开关的脉冲极性要求等 5 2 3PWM功率转换电路 PWM功率转换电路的分类 按调制脉冲的极性 可分为单极性和双极性两类 按载波信号与基准信号的频率之间的关系 可分为同步式
34、和异步式 从对工作状态要求不同有制动与无制动 可逆与不可逆 5 2 3PWM功率转换电路 一 简单的不可逆PWM功率转换电路 下图为一个简单的不可逆PWM功率转换电路电路原理及波形图 二极管在关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路 功率开关元件由脉宽可调的脉冲电压驱动 5 2 3PWM功率转换电路 在一个周期内 当0 t 时 ub为正 T饱和导通 E加在电动机电枢两端 当 t T时 ub为负 T截止 电动机失去电源并经二极管续流 这样 电动机得到的平均电压为 式中 为PWM电压的占空比 在此功率转换电路中 电动机电枢电流不能反向流动 只适用于速度要求不高的场合 在轻载或空载时可能出现断流现
35、象 5 2 3PWM功率转换电路 二 制动不可逆PWM功率转换电路 图为具有制动不可逆PWM功率转换电路 图中T1是主控管 T2为辅助管 来自PWM电路的两个极性相反的脉冲电压ub1和ub2分别作用到两个开关管T1和T2上 5 2 3PWM功率转换电路 图 b 给出了电动机在电动状态时电压 电流波形 此时 电枢电压平均值Ua大于电动机转动反电势ED 5 2 3PWM功率转换电路 图 c 给出了电动机工作在制动状态时电压 电流波形 此时 Ua ED ia 0 电动机处于发电运行状态 5 2 3PWM功率转换电路 图 d 给出了电动机在电动和制动交替状态时的电流波形 5 2 3PWM功率转换电路
36、三 H形双极性可逆PWM功率转换电路 H形双极性可逆PWM功率转换电路如图 a 所示 由四个大功率晶体管T1 T4和四个续流二极管D1 D4组成 四个大功率晶体管分成两组 T1与T4和T2与T3 在两组极性相反的PWM信号作用下 交替导通与截止 5 2 3PWM功率转换电路 工作时的负载电压和电流波形如图 b 实曲线表示电动机负载较重 电动机始终工作在电动状态 虚曲线表示电动机负载较轻 电动机工作于电动与制动交替状态 5 2 3PWM功率转换电路 双极性可逆PWM转换电路的可逆性由正 负脉冲电压的宽度决定 当 T 2时 电枢两端的平均电压为正 电动机正转 当 T 2时 电枢两端的平均电压为负
37、电动机反转 当 T 2时 电枢两端的平均电压为零 电动机停转 5 2 3PWM功率转换电路 四 T形双极式可逆PWM功率转换电路 图 a 为T形双极性可逆PWM功率转换电路原理图 它由两只功率晶体管T1 T2和两只续流二极管D1 D2 两个电源 E E组成 5 2 3PWM功率转换电路 图 b 为T形双极性可逆PWM功率转换电路工作波形图 当 T 1 2时 ia 0 电动机不动 当 T 1 2时 ia 0 电动机正转 当 T 1 2时 ia 0 电动机反转 5 2 3PWM功率转换电路 T形双极性PWM功率转换电路结构简单 但要求双电源供电 且晶体管承受反压且为电源电压的二倍 此电路只适合于小
38、功率 低电压伺服电动机系统 返回本节目录 5 2 4开关电源 开关电源是由PWM控制电路及功率管构成 是一种通过控制功率开关管开通和断开时间的比率来维持稳定输出电压的一种电源 开关电源有交流 直流 AC DC 直流 直流 DC DC 5 2 4开关电源 DC DC主要有脉宽调制 PWM 和脉冲调频 PFM 两种方式 脉宽调制法周期为常数 改变接通持续时间 即通过控制占空比来达到对输出电压的控制 脉冲调频法则是接通持续时间不变 通过改变周期来达到对输出电压的控制 5 2 4开关电源 斩波器 直流调压器 广泛应用在恒定直流电源中需要调节电压的装置上 负载上的平均电压为 斩波器的原理线路及波形图 5
39、 2 4开关电源 DC DC开关电源广泛应用于仪器仪表 计算机和通信设备等领域 从输出电压与输入电压的关系可分为降压 升压和反极性等 目前 DC DC变换器 DC DC控制器大量涌现 为设计 使用提供了极大的方便 以MC34063A为例说明DC DC变换器的基本原理 5 2 4开关电源 MC34063A系列是单片式DC DC变换器 它包含温度补偿的基准电源VR 比较器 可控占空比振荡器 驱动器和大电流输出开关 其引脚及内部结构如图 5 2 4开关电源 图为用MC34063A构成升压DC DC变换器 其输出电压为 返回本章目录 5 3变频控制电路 变频调速 VVVF 具有显著的节能效果 较宽的调
40、速范围等优点 在交流调速系统中得到了广泛地应用 5 3 1变频调速的基本原理与分类 一 电动机调速原理 同步电动机 磁阻式电动机等的转速n0与定子电源频率f成正比 与电动机极对数p成反比 即 对于鼠笼式或绕线式异步电动机 其转速n0为 s为转差率 5 3 1变频调速的基本原理与分类 显然 改变极对数p 转差率s和调节定子电源频率f都可以调速 对于同步电动机 在运行中改变极对数p会引起失步 因此宜采用变频调速 对于异步电动机 变极调速是有级调速 而改变转差率s的调速方法是耗能型调速方法 因而变频调速也是最理想的调速方法 变频器能将固定的电压和频率的交流电变换为电压可调 频率可调的交流电 5 3
41、1变频调速的基本原理与分类 二 常用变频控制系统中的变频器分类 按直流电源的性质分成电压型变频器和电流型变频器 按输出电压控制方式分成PAM方式 PWM方式和高速PWM方式 按功率转换控制方式分成恒功率调速 VVVF 转差频率控制和矢量控制 按主开关器件分成IGBT BJT GTO和SCR型 5 3 1变频调速的基本原理与分类 在交流变频调速传动中 常用变频器实现 功率变频 为避免电动机出现过励磁或欠励磁现象 变频的同时必须协调改变电动机的端电压 因此 交流变频调速系统中的变频器实际上是变压变频器 其控制方式一般分为脉冲幅值调制方式 PAM方式 和脉冲宽度调制方式 PWM方式 5 3 1变频调
42、速的基本原理与分类 PAM方式如图 a 将调压和调频分开进行 PWM方式如图 b 是一种将变压与变频集中于逆变器一起完成的 功率变频 方式 5 3 2变频调速的控制方式和特性 磁通量 太弱 不能充分利用电动机的铁心 过大 会使铁心饱和 导致过大的励磁电流 使产生转矩的有功电流减小 严重时会损坏电机绕组 因此 在电动机调速时 希望保持每极磁通量 为额定值不变 对于异步电动机而言 由于 是定子和转子磁动势合成产生 故而应认真研究如何控制磁通量 5 3 2变频调速的控制方式和特性 电动机每相的反电动势为 式中 Ei为定子相反电动势 Ni为绕组串联总匝数 ki为基波绕组系数 为每极气隙磁通 当忽略定子
43、阻抗压降时 有 式中 Ui为加在定子上的相电压 k2为常数 从而有 5 3 2变频调速的控制方式和特性 由此可见 在可以忽略定子阻抗压降的情况下 只要在调频的同时 保持Ei f Ui f近似不变 即可满足磁通 不变 这时保持了电动机最大转矩不变 采用这种控制方式进行变频调速时 相同的转矩有相同的电流 而与频率的改变无关 是一种恒转矩调速方式 5 3 2变频调速的控制方式和特性 在改变频率的同时改变电源电压 使Ui f保持为常数 则可维持 不变 但在低频段 定子绕组电阻不能忽略 Ui Ei 电动机的最大转矩将随频率的减小而减小 因此 需要采用低频补偿 即随f的降低适当提高Ui f值 以补偿定子阻
44、抗压降 使 近似恒值 当电动机转速超过额定转速 即频率超过额定频率fN使 若保持Ui f为常数 会使Ui超过额定值UN 因此在f fN时 要保持Ui UN 5 3 3交流 交流变频器 AC AC变频器又称直接变频器 是一种将一种频率的交流电源直接变换为另一种频率可调的交流电源 而不需要中间直流耦合的变频电路 5 3 3交流 交流变频器 一 三相 单相直接变换电路 图为三相 单相直接变换器电路 由两个反向并联的三相桥式整流器组成 输出供给单相负载 工作原理是以一定的频率控制整流器I和整流器II交替工作 则负载上可得到交流电压 其频率等于控制频率 5 3 3交流 交流变频器 AC AC变换器的运行
45、方式就是整流装置中可逆整流电路的运行方式 分为无环流和有环流两种 无环流运行方式 任何时刻只有一组整流器工作 另一组整流器被封锁 有环流运行方式 两组整流器可同时工作 只是一组处于工作状态 另一组处于逆变状态 对他们的控制应能满足 I II 180 5 3 3交流 交流变频器 对于有环流运行方式 由于两组整流器整流电压波形不同 在变换器回路中会出现纹波电压而产生环流 为限制纹波电压产生的环流 必须在变换器回路中设置环流电抗器 如图 5 3 3交流 交流变频器 二 三相 三相直接变频电路 三相 三相直接变频电路主要应用于大容量异步电动机的调速装置 将单相直接变换器通过三相联结即可 如图 5 3
46、4交流 直流 交流变频器 AC DC AC变频器又称间接变频器 它由整流器 变流器 和逆变器组成 按变频器控制方式可分为电流型电压型PWM型矢量控制型 5 3 4交流 直流 交流变频器 一 电流型变频器 AC DC AC电流型变频器的中间滤波环节是在直流回路中串入电抗器 直流电源对逆变器相当于一电流源 电流型变频器在电动机制动发电时 逆变器运行在整流状态 控制角 90 这样 能量可返回到电网 5 3 4交流 直流 交流变频器 电流型变频器的主要特点 主回路简单 快速响应性好 限流能力强 电流保护可靠 调速范围宽 静态性能好 主晶闸管利用率和运行效率高 主晶闸管要求耐压高 调试困难 5 3 4交
47、流 直流 交流变频器 电流型变频器的主回路常采用串联二极管式换流的逆变器 如图 逆变器为120 导通型 电容C为换流电容 二极管为隔离二极管 5 3 4交流 直流 交流变频器 电流型变频器控制系统分别由电压控制回路和频率控制回路实现对整流器和逆变器的控制 如图 5 3 4交流 直流 交流变频器 整流器控制由电压控制回路采用相位控制原理完成 通过改变晶闸管控制角的大小控制其整流电压和电流 由给定积分器 函数发生器 电压调节器 电流调节器 输入单元和移相触发器等环节组成 逆变器的控制由频率控制回路完成 由给定积分器 电压频率变换器和环形分配器等环节组成 5 3 4交流 直流 交流变频器 二 电压型
48、变频器 电压型变频器的中间滤波环节采用并联电容器滤波 直流电源相当于一个电压源 其基本构成主电路如下图 5 3 4交流 直流 交流变频器 电压型逆变器变频控制系统如下图 是一种简单的电压闭环 频率开环的控制系统 它包括整流器移相控制和逆变器频率控制两部分 5 3 4交流 直流 交流变频器 电压控制回路采用移相控制原理 改变晶闸管控制角 控制整流器的直流输出电压 频率控制回路是通过V F变换器将给定的电压信号变换为相应频率的脉冲信号 经环形分配器六分频后 将六个脉冲组成一组分别送给辅助晶闸管 延时器和主晶闸管触发器 5 3 4交流 直流 交流变频器 三 脉宽调制型 PWM 变频控制回路 脉宽调制
49、型变频控制系统由主回路 PWM信号产生电路和驱动电路等组成 如图 5 3 4交流 直流 交流变频器 脉宽调制型变频控制电路主要特点 控制系统结构简单 逆变器的输出不影响电网的功率因数 系统的动态响应迅速 在很低的转速下 也可以实现平稳运转 可实现快速电流控制 5 3 4交流 直流 交流变频器 常用的PWM信号生成方法 正弦波和三角波交点法软件生成法表格型SPWM法采样型SPWM法专用集成电路法 5 3 4交流 直流 交流变频器 1 正弦波和三角波交点法 用正弦波 调制波 和三角波 载波 相交产生PWM信号的方法 称为SPWM法 改变正弦波 三角波的频率及幅值比 即可调节PWM波形中的基波频率和
50、幅值 缺点 控制电路复杂 控制精度难以保证 可靠性不高 5 3 4交流 直流 交流变频器 2 软件生成法 利用计算机由软件生成PWM的方法 常用的方法有表格型SPWM法和采样型SPWM法 表格型SPWM法 在一个正弦波周期内 将六个功率器件利用三相SPWM方式通断时序进行区间分割和数据编码 从而得到SPWM数据表存储 CPU将此表一次输出 驱动逆变器工作 周而复始 即可得到连续的SPWM信号 5 3 4交流 直流 交流变频器 采样型SPWM法 又有自然采样法和规则采样法 自然采样法是对正弦波与三角波相交时刻进行采样 这种方法采样数量大 而且采样点对三角波中心线不对称 导致程序较大 影响控制的实
