电力电子课程设计交直交变频器的设计..

电力电子技术课程设计

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综述

交-直-交变频器由主要由AC-DC、DC-AC两类基本电路组成，先通过AC-DC整流电路将交流电转换为直流电，经过滤波等处理后，再通过DC-AC逆变电路，将直流电转换为交流电。整流电路采用三相全控桥整流，输出的整流电压脉动小、易于滤波；经过滤波处理后的直流电进入逆变电路，逆变电路采用PWM控制电压式逆变电路，通过PWM技术控制逆变电路中IGBT的通断时间，实现对输出交流电的控制，以更好的满足电机对供电电源的要求。

主电路的驱动与控制，主要是对各部分开关器件的控制，即对晶闸管和IGBT的驱动与控制。晶闸管是半控型器件，门极收到脉冲触发才能够导通，IGBT是全控型器件，门极电压触发导通，由芯片控制生成的PWM信号给IGBT触发信号，控制IGBT的通断，从而实现对主电路的精确控制。

交-直-交变频器的设计

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1 主回路单元电路分析与设计

1.1 变频器概述

交-直-交变频器是由AC-DC、DC-AC两种基本变流电路组成，先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，因此，此类电路又称为间接交流变流电路。

交-直-交变频器与普通交-交变频器相比，最主要的优点是输出频率不再受输入电源频率的制约。国内应用的低压变频器几乎全是电压源型，中间直流是用电容平波，整流后面可加电容滤波，再经过逆变输出理想交流电压，可以做交流电机的电压源。

1.2 整流部分

整流电路AD-DC的作用是将交流电变为直流电。按组成器件可以分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可以分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数可以分为单相电路和三相电路。三相整流电路输出直流电压脉动较小，易于滤波处理，故采用三相整流电路。常用的三相整流电路有三相半波可控整流电路与三相桥式全控整流电路。

1.2.1 三相半波可控整流电路

三个晶闸管阴极连接在一起，为三相半波共阴极接法，为了得到零线，变压器二次侧接成星形，一次侧连成三角形，避免三次谐波流入电网。

当晶闸管触发角α为0°时，在一个周期之内，当某一相电压最高时，对应的晶闸管导通，三相电压依次为最高电压，则三个晶闸管依次导通，输出电压ud 时时与最高相电压一致，输出波形如上图所示，带阻感负载或电阻负载α＜30°时，输出电压平均值为

Ud =1.17U2 cosα，

输出电压最大值为1.17U2 。

1.2.2 三相桥式全控整流电路

如图为三相桥式全控整流电路，当晶闸管触发角α为0°时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通，对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最小的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。电路带阻感负载或电阻负载α＜60°时，输出电压平均值为

Ud =2.34U2 cosα，

输出电压最大值是2.34U2 。可见三相半波可控整流电路用元件少、电路简单，但由于整流元件的单向导电性，只允许每相一个周期的正半周（或者负半周）经过整流元件，形成单向的脉动电流，输出的平均电压较低，效率较低；三相全控桥式整流电路电路较复杂、用整流元件较多，每相的正半周和负半周分别经两组整流元件输出，再同极性叠加，形成单向电流提供给负载，效率高，电源利用率高，输出电流脉动较小、直流品质较好，与半波相比能提供给负载较大更稳定的电流。

因此三相整流电路选用三相全控桥式整流电路。交-直-交变频器的设计

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图1-4 输入电压与输出电压波形

如图为三相桥式全控整流电路，当晶闸管触发角α为0°时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通，对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最小的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。电路带阻感负载或电阻负载α＜60°时，输出电压平均值为

Ud =2.34U2 cosα，

输出电压最大值是2.34U2 。

可见三相半波可控整流电路用元件少、电路简单，但由于整流元件的单向导电性，只允许每相一个周期的正半周（或者负半周）经过整流元件，形成单向的脉动电流，输出的平均电压较低，效率较低；三相全控桥式整流电路电路较复杂、用整流元件较多，每相的正半周和负半周分别经两组整流元件输出，再同极性叠加，形成单向电流提供给负载，效率高，电源利用率高，输出电流脉动较小、直流品质较好，与半波相比能提供给负载较大更稳定的电流。因此三相整流电路选用三相全控桥式整流电路。

1.3 逆变部分

交-直-交变频电路的整流部分采用普通的二极管整流电路即可，而逆变电路的输出就是变频器的输出，所以交-直-交变频电路的核心部分就是逆变电路，因此也把交-直-交变

频器称为逆变器。

与整流电路对应，逆变电路AD-CD是把直流电变成交流电。逆变电路按照输入直流电的性质，可以分为电压型和电流型两大类。

1.3.1 逆变电路的基本工作原理

如图1-5（a），T1~T4是桥式电路的4个桥臂，它们一般由电力电子器件及其辅助电路组成。其工作原理如下：

当T1、T4闭合，T2、T3断开时，负载电压uo 为正；当T1、T4断开，T2、T3闭合时，负载电压uo 为负。

输出电压波形如图（b）所示，这样就把直流输入电转换为交流电。改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。

1.3.2 电压型逆变电路

电压型逆变电路的直流侧为电压源，或者并联有大电容，相当于电压源，电压型逆变电路交流侧输出电压波形为矩形波，即把直流电压转换为交流电压。在三相逆变电路中，应用最广泛的逆变电路是三相桥式逆变电路，其电路图如下所示：

三相电压式桥式逆变电路采用IGBT作为开关器件，换流方式为器件换流，每个桥臂的导电角度为180°，同一相上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。即在每一瞬间，都有三个桥臂同时导通，可能是上面两个桥臂下面一个桥臂，也可能是上面一个桥臂下面两个桥臂同时导通，每次换流都在同一相上下两个桥臂之间进行，即纵向换流。由于当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，各桥臂都并联了反馈二极管。

1.3.3 电流型逆变电路

类似的，直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。一般在直流侧串联一个大电感，对电流起缓冲作用，以减小输入电流脉动，这样就可以把直流侧近似看着直流电流源，其电路图如下所示：

电流型三相桥式电路中采用的GTO为反向阻断型器件，在电路中的作用仅仅是改变直流电流的流通途径，使交流侧输出电流为矩形波，即把直流电流转化为交流电流。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起到缓冲无功能量的作用，不同于电压型，反馈无功能量时直流电不反向，因此不必给开关器件反并联二极管。

目前的电压型逆变电路基本都采用全控型器件，换流方式为器件换流，而电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多，换流方式有负载换流、强迫换流等。

1.4 PWM控制逆变电路

交流电压通过整流、滤波之后，直流电压比较稳定，它的逆变器输出的电压波形决定于逆变器的控制和调制方式。在逆变电路中应用最广泛的控制技术是PWM技术。

PWM技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形，包括波形的形状与幅值。

PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。故在本设计中，采用电压型PWM逆变电路来实现对变频器输出电压的控制。

1.4.1 PWM控制的基本原理

PWM控制是基于冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时效果基本相同的理论。这里冲量指窄脉冲的面积，效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。

面积等效原理是PWM控制的理论基础。分别将如图1-8所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，图1-9（a）所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图1-9（b）所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

PWM波形可分为等幅PWM波与不等幅PWM波，当输入电为交流电时，得到的是不等幅PWM波，输入为直流电时，得到的是等幅PWM波。交流电源经过整流之后，得到的直流电作为PWM逆变电路的输入电，因此会得到等幅PWM波形。

在此原理的基础上，可以用一些列等幅不等宽的PWM波代替正弦波半波。

将正弦半波N等分，就可看作是N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，这些脉冲宽度相等，但幅值不相等。用相同数量的等幅不等宽脉冲代替，使矩形脉冲和相应的正弦波部分脉冲的冲量相等，即面积相等，就得到PWM脉冲序列。根据面积等效原理，PWM波与正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周期，也可采用相同的方法得到PWM波形。

1.4.2 PWM逆变电路

PWM逆变电路是基于PWM控制理论，用PWM控制方式，对逆变电路中的开关器件的通断进行控制，从而达到控制输出电压的目的。

PWM的控制方法一般有计算法和调制法，计算法比较繁琐，在实际应用中主要是调制法。调制法就是把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，而等腰三角波应用最多，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系，并且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这一点恰好符合PWM控制的要求。

当调制信号的半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化时，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化，这种控制方式称为单极性PWM控制方式。当在调制信号的半个周期内，三角波载波在正负两个极性范围内变化时，所得到的PWM波也是双极性的，这种控制方式就相应称为双极性控制电路。

采用单极性或双极性控制电路时，对开关器件的通断控制规律不同，输出波形也有差别，双

极性调制输出更加稳定，故一般采用双极性调制。

如图1-11为三相桥式PWM逆变电路，采用双极性控制方式，U、V、W三相的PWM控制公用一个三角载波uc ，三相的调制信号依次相差120°。调制电路的作用，是把调制信号和载波信号同时加在一个非线性元件上(例如晶体二极管或三极管)，经非线性变换成新的频率分量，再利用谐振回路选出所需的频率成分。即在调制信号和载波信号波形的交点时刻，对开关器件进行通断控制，可以得到相应的PWM波。如图1-12所示，输入三相调制信号与载波信号的交点处，对应各相调制信号的PWM方波信号的变化，输出相电压的PWM波形可等效为正弦波。

2 主电路的设计

综合各电路单元的分析，三相交流电进入电路之后，首先经过三相全控桥整流，将交流电转化为直流电，中间接大电容，起滤波作用，同时储存转换后的电能，作为三相桥式逆变电路的输入电压，再经过逆变电路，根据控制电路转换为想要得到的交流电。

故完整的交-直-交变频机设计的主电路如图2-1所示：

由于在逆变电路中，当同一相桥臂上的两个开关器件同时处于导通会出现短路现象，会烧毁器件，因此在电路中加入缓冲辅助电路，不仅可以优化电路，同时也可以在电路发生故障或出现意外状况时，对器件进行保护。

3 控制电路

本设计中对于电路的控制主要是对电路中各部分的开关器件的控制，即在整流电路中，是对晶闸管的控制，在逆变电路中，主要是对IGBT的控制。

3.1 晶闸管触发电路

相控电路一般都使用晶闸管器件，对晶闸管的控制属于相控方式，习惯上将实现对相控电路相位控制的电路称为触发电路，故晶闸管的触发电路就是它的控制电路。

整流电路中使用的开关器件是晶闸管，晶闸管是脉冲驱动，通过对晶闸管的控制，可以实现对整流电路的控制。

图3-1为晶闸管的触发电路。晶闸管触发电路的作用，是将控制信号Uk转变成延迟角（即触发角）α信号，通过触发电路向晶闸管提供门极电流，决定各个晶闸管的导通时刻。这种方法可以根据对具体的电路要求来给定控制信号Uk，从而实现对晶闸管的导通时刻的控制。以这个触发电路为基础，可以实现对整流电路中各个晶闸管的控制，即实现对整流电路的控制。

3.2 IGBT的驱动与控制

逆变电路中使用的开关器件是IGBT，每个桥臂并联的反馈二极管是不可控的电力二极管，因此对逆变电路的控制主要是对IGBT的控制。

IGBT驱动电路是驱动IGBT模块以能让其正常工作，并同时对其进行保护的电路。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的

在实际应用中，IGBT的驱动电路有直接驱动法与隔离驱动法，实用电路中，IGBT的驱动电路要求相对独立，因此常采用隔离驱动法。

隔离驱动法又可分为脉冲变压器驱动隔离与光耦驱动隔离。

由于光耦隔离具有体积小、结构简单、应用方便、适用于PWM控制器等优点，故采用光耦隔离驱动电路。

图3-2为IGBT的双电源光耦隔离驱动电路。

为了使IGBT稳定工作，使用双电源供电方式，即驱动电路要求采用正、负偏压的两电源方式，输入信号经整形器整形后进入放大级，放大级采用有源负载方式，用以提供足够的门极电流。为了消除可能出现的振荡现象，IGBT的栅射极间接入了RC网络组成的阻尼滤波。

该驱动电路的输入信号由SG3525控制芯片提供PWM信号，用PWM波控制IGBT的开通与关断。用SG3525芯片生成PWM波的电路如图3-3所示：

图3-3 SG3525PWM波发生电路

由于逆变电路中同一相桥臂上的上下两个IGBT在某一时刻只有一个导通，故每一个PWM 波可以同时给同一相上的两个IGBT触发信号，主电路中有6个IGBT，可以将两个PWM信号接入一个四线译码器，输出4个触发信号，使用其中3个即可实现对6个IGBT的控制。

4 结论

交-直-交变频器的主要构成是整流电路与逆变电路，整流电路采用普通晶闸管构成的全控整流桥即可，晶闸管的驱动主要依靠门极触发信号，逆变电路采用PWM逆变电路，就是使用PWM控制方法控制三相桥式电压型逆变电路中的IGBT的通断时间，控制逆变电路的输出。逆变电路的输出电压就是变频器的输出，因此，变频器的核心控制就是对逆变电路的控制，也就是对IGBT的控制。IGBT的控制使用双电源式，以保证其稳定工作，使用光耦隔离，以保证电路与器件的安全。

交-直-交变频器相比较于普通交-交变频器，主要优点在于，其输出频率不受输入电源频率的制约。基于PWM控制理论，可以对输出电压进行精确控制，因此，可以适用于对电机的调速、保护等要求的精确控制。