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第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-1
第四章 交流调压电路第四章 交流调压电路和交交变频电路和交交变频电路
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-2
要 求 及 重 点要 求 及 重 点
• 掌握交流调压器的基本类型、用途和电路,简要分析单、三相交流调压电路,理解和掌握交流斩波调压的原理与基本性能。掌握交-交变频电路的原理及电路,分析其优缺点,掌握三相交交变频电路的有环流和无环流运行。
• 重点:
– 交流调压电路和交交变频电路的原理及电路。
第四章
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4. 1 4. 1 交流调压器的类型、用途和电路交流调压器的类型、用途和电路• 交流调压器的调压方式:
– 通断控制– 相位控制– 斩波控制
• 交流调压的应用:– 调温的工频加热和感应加热– 灯光调节– 泵及风机的感应电动机调速– 变压器的初级调压
第四章
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单相调压器的基本电路单相调压器的基本电路
A. 反并联电路 B. 混合反并联电路
第四章
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单相调压器的基本电路单相调压器的基本电路(续)(续)
C. 二极管桥式电路 D. 混合桥式电路
第四章
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三相调压器的基本电路三相调压器的基本电路
A. 反并联电路 B. 混合反并联电路
第四章
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三相调压器的基本电路三相调压器的基本电路(续)(续)C. 形负载内接 D. 形负载内接 反并联电路 形反并联电路
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三相调压器的基本电路三相调压器的基本电路(续)(续)
E. 形负载内接 三个可控元件 电路
第四章
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4. 2 4. 2 单相交流调压电路的分析单相交流调压电路的分析• 以反并联交流调压电路为例• 电阻负载
– 交流电压有效值 UR
– 负载的电流有效值
π2
sin2
π
-πUtdsinU2
π
1U 1
21R
)( t
π2
sin2
π
-π
π2
sin2
π
-π
R
U
R
UI 0
1R IR
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-10
– 功率因数
– 晶闸管的电流平均值
– 晶闸管的电流有效值 I 及通态平均电流 IT
π2
sin2
π
-π
IU
IU
R1
RR =视在功率有功功率
cos1
2
2sin2
2
1
R
1I 01
IttdUdT
4
2sin)(2sin
2
2
1I 0
21 ItdtR
U)(
R
UI 1maxT 45.0
57.1I
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• 交流调压器 R 负载时的参数与关系
第四章
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单相交流调压电路的分析单相交流调压电路的分析(续)(续)
• 电感性负载 a. 电路 b. 电压与电流波形
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c. 负载电流表达式– 感性负载电流 iL 的两个分量
iL1 、 iL2
– 电流表达式
tan/0
21
sinsin2 t
LLL
etI
iii
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d. 控制角、功率因数角与导通角的关系
– 单相交流调压器 时的 = f ( 、 ) 曲线
tan/)sin()sin( e
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e. 几种典型情况:
(1) = 0
(2) 不等于 0
< 180
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(3) =
(4)
窄脉冲 宽脉冲
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-17
单相交流调压电路的分析单相交流调压电路的分析(续)(续)
• 感性负载时晶闸管电流和负载电流的有效值– 晶闸管电流有效值
式中 I* --- 晶闸管的标幺电流有效值
– 晶闸管电流有效值
*02 III
02*
I
II
*02 III L
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– 晶闸管标幺电流有效值 I* 与 、的关系
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-19
4. 3 4. 3 三相交流调压电路的分析三相交流调压电路的分析
• 分析举例电路
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• 三相交流调压器正常工作的基本条件
– 在三相电路中至少有一相正向晶闸管与另一相反向晶闸管同时导通。
– 为了保证电路起始工作时两个晶闸管能同时导通,并且在感性负载和控制角较大时,也能使不同相的正、反两个晶闸管同时导通,要求采用宽脉冲,或者双窄触发脉冲电路。
– 各触发信号应与相应的交流电源电压相序一致,并且与电压同步。
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• 三相交流调压电路在电阻负载下的波形与参数
– 波形(见图)
– 输出电压有效值 Ua
1 21 i
itduU a
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– 电阻负载三相调压电路输出电压
(a) 晶闸管反 并联电路
(b) 晶闸管与 二极管反 并联电路
第四章
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• 三相交流调压电路在感性负载下的工况– 三相交流调压电路的 I* 与 、 的关系
第四章
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– 感性负载( = 45 )下三相调压电路的电流波形
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-25
4. 4 4. 4 交流斩波调压电路交流斩波调压电路
• 交流斩波调压的原理与基本性能– 原理图
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May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-26
– 交流斩波电路输出电压(a) 电阻负载(b) 感性负载(d) 改善 cos
的斩波调压
导通比 :
T
ton
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• 交流斩波调压电路
GTR 交流斩波器 GTO 交流斩波器
第四章
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用 GTR 构成的三相交流斩波器
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-29
4. 5 4. 5 交-交变频电路概述交-交变频电路概述
• 交流变换的目的:
– 调节电压、频率、相位
• 形式:
– 交-直-交变频器(整流器+逆变器)
– 交-交变频器(直接变频器)
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• 基本原理及应用
– 整流电路: Ud > 0 或 Ud < 0 , Id > 0
– 三相半波整流电路: Ud = 1.17 U2 cos
• 交交变频器:
– 在 0 至 之间变化,输出交流电压
– 正、负两组整流器反并联,输出交流电流
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• 输出电压、电流波形图:
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• 三相零式交交变频器:
第四章
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• 应用领域:– 大功率、低速交流传动 (轧钢机、矿井提升机、造纸、冶炼等)
• 分类:– 单相、三相– 桥式、零式– 有环流、无环流– 高频 ( f0 > fi ) 、低频 ( f0 < fi )
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4. 6 4. 6 三相交-交变频器三相交-交变频器
• 三相输入、三相输出--应用普遍
• 常用零式及桥式交-交变频器比较:
元件 整流 脉波 输出 谐波 功率 个数 形式 数 电压 含量 等级
零式-- 18 支 半波 少 低 较高 中等
桥式-- 36 支 全波 多 高 较低 大
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• 三相输出各差 120° ,基本原理相同。
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• i0 > 0 --正组工作, UP = Ud = 1.17U2cosP ,
0 < P < , UP 可正可负。
• i0 < 0 --负组工作, UN = - Ud = - 1.17U2cosN
平均值 UN = UP , N = - P 。
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• 输出瞬时值 uN uP , u = uP – uN 。 u 在正、负组间产生环流,采用电抗器限制。
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• 有环流运行方式:
– 目的:使正、负组输出电流平滑过渡。– 特点:正、负组同时工作,
采用环流电抗器抑制组间环流。– 优点:正、负组自动切换,
输出电流连续、平滑、无死区,
系统动态性能高,稳定性好– 缺点:增加电抗器,成本高,损耗大。
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• 无环流运行方式:
– 目的:取消电抗器,降低成本及损耗。
– 特点: i0 > 0 时正组工作,封锁负组,
i0 < 0 时负组工作,封锁正组。
– 优点:无组间环流,成本低,损耗小。
– 缺点:需要检测电流过零点,控制复杂,
控制失败时,造成组间电源短路,
输出电流存在死区,波形畸变。
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• 交-交变频器输出电压:
– 输出电压峰值:
– 输出电压有效值:
– 电压降系数:– 改变 min ,可调节输出电压 U0 。
– min = 0 时, = 1 , U0 = U0max = 0.83 U2 。
min200 cos217.1
21 UUU P
20 83.0 UU
mincos
min20 cos17.1 UU P
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• 交-交变频器控制方法:
– 余弦交点法:
给定输出曲线与一余弦曲线相交,在交点处产生各晶闸管的触发脉冲。
– 改变给定曲线的频率和幅值,可控制输出电
压的频率和大小。
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• 交-交变频器输出频率: f0 / fi = 1/2 时,半周期内有 6 脉波,谐波大
f0 / fi = 1/3 时,半周期内有 9 脉波,谐波较小
f0 / fi = 1/6 时,半周期内有 18 脉波,谐波小
• 为了减小谐波含量, 降低负载转矩脉动, 应保证 f0 / fi < 1 / 3 ,
即 f0 < 16.7 Hz 。
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• 交-交变频器的功率因数:– 整流电路: cos = cos
– 交-交变频器: 因为 0 < < , 所以 cos < cosmin ,
cos = f ( , cos ) , cos -负载功率因数。– 输入侧总功率因数:
cos2
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• 交-交变频器的优点:
– 无中间直流环节,损耗小,效率高。– 开关器件采用晶闸管,以利于大功率应用,
采用电源自然换相,不需强迫换流电路。
– 可以实现能量反馈,使电机作四象限运行。
– 输出低频时,谐波含量小,负载转矩脉动低。
因此适用于大功率、低速交流传动领域。
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-47
• 交-交变频器的缺点:
– 晶闸管元件数量多,成本高,控制复杂。
– 最高输出频率受限制, f0 / fi < 1 / 3 。
– 输入侧功率因数低,当输出电压较低时,功
率因数更低。
第四章
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第五章 无源逆变电路第五章 无源逆变电路
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-49
5. 1 5. 1 无源逆变电路的原理及分类无源逆变电路的原理及分类• 无源逆变
直流 交流(向负载直接供电)• 变频器
– 既能调压又能调频• 无源逆变器
– 旋转变频器– 静止变频器
• 交-交变频器• 直-交变频器
第四章
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逆变器的基本类型逆变器的基本类型• 按结构分类
– 桥式– 零式
• 按电网相数分类– 单相– 多相
• 按器件分类– 半控型– 全控型
• 按调制方法分类– SPWM
– 阶梯波• 按导通的角度分类
– 180– 120
• 按强迫换流的特点– 谐振型– 并联电容型等
第四章
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逆变器的基本类型(续)逆变器的基本类型(续)• 按储能元件的性质分类
– 电压型逆变器
– 电流型逆变器
第四章
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5. 2 5. 2 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路
• 示意图
• 组成:– 主电路– 门控电路– 控制电路
第四章
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• 单相桥式逆变电路的原理( R 负载)– 主电路
– 波形图• 输出电压(图 b )• 输出电流(图 c )• 直流输入电流(图 d )
第四章
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• 单相桥式逆变电路的原理( L 负载)– 主电路
– 波形图• 输出电压(图 b )• 输出电流(图 c )• 直流输入电流(图 d )
第四章
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• 单相半桥 GTO 逆变电路及波形– 主电路
– 波形图• 输出电压(图 b )• 输出电流(图 c )
第四章
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• 单相零式逆变电路及波形– 主电路
– 波形图• 见右图
第四章
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• 感性负载下 SCR 单相零式逆变电路
第四章
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• M 相零式逆变电路的简化原理图
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-59
5. 3 5. 3 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路• 电路结构
第四章
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• 根据各管导通时间分:– 180 导通型– 120 导通型
• 线电压由相电压相减得出
BOAOAB UUU
COBOBC UUU
AOCOCA UUU
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• 180 导通型各阶段的等值电路及电压值
第四章
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• 180 导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形 线电压波形
第四章
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• 180 导通型三相逆变器的参数– 相电压表达式
– 线电压表达式
...)11sin11
17sin
7
15sin
5
1(sin
2 ttttUU dAO
...)11sin11
17sin
7
15sin
5
1(sin
32 ttttUU dAB
第四章
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• 180 导通型三相逆变器的参数(续)– 相电压有效值
– 线电压有效值
ddd
AO UUU
U 471.033
22
334
2
122
ddAB UUU 816.0)3
(2
4 2
第四章
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• 120 导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形 线电压波形
第四章
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• 180 导通方式和 120 导通方式的比较:
– 120 方式上下两管间有 60 的间隙,对换流有利,但是管子的利用率低,且若采用星形接法,则始终有一相断开,在换流时会引起较高的感应电势,而 180 方式无论在三角形还是星形接法时,正常工作都不会产生过电压,故 180 方式应用较为普遍。
第四章
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• 感性负载情况– 负载电流滞后角
小于 60
( a ) A 相电压波形
( b ) A 相电流波形
( c ) T1 的电流波形
( d ) D4 的电流波形
( e )直流输入电流
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• 感性负载情况(续)– 负载电流滞后角
大于 60
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-69
• 感性负载下逆变器中可能有三种电流:– 功率电流 它通过两个或三个逆变管,将能量从直流电源送到
负载。– 环路电流 它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管,
形成环流,但此环流不经过电源。– 反馈电流 它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电
源中去。
第四章
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• 逆变器的能量反馈及电机的再生制动图电压型的能量反馈 电流型的能量反馈
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-71
• 逆变器 - 感应电动机系统的电压矢量
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-72
5. 4 5. 4 电流型逆变电路电流型逆变电路
• 优点:
– 由于有大电感抑流,短路的危险性也比电压型逆变器小得多。电路对晶闸管关断时间(即晶闸管的快速性)的要求比电压型逆变器的要求低,电路相对电压型也比较简单,造价略低。
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-73
• 三相电流型逆变电路
– 主电路
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-74
• 波形图(a) 相电压(b) 线电压(c) PWM 时
的相电流
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-75
• 表达式– 相电流
– 线电流
...)11sin11
17sin
7
15sin
5
1(sin
32 ttttIi ssssdA
...)11sin11
17sin
7
15sin
5
1(sin
2 ttttIi ssssdAB
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-76
• 理想情况下,相电流中:– 基波电流的幅值为
– 基波电流有效值为
– 相电流的有效值为
ddAm III 1.132
)1(
ddA III 78.06
)1(
ddA III 816.0432
1 2
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-77
5. 5 IGBT5. 5 IGBT 三相逆变电路和三电平逆变电路三相逆变电路和三电平逆变电路
• IGBT 三相逆变器电路图
第四章
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– 六阶梯波时的电压、电流波形
– PWM 时的电压、电流波形
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-79
• IGBT 的选择– 电压定额的选择额定电压 = 输入的 AC 电源电压 ×
+再生电压增加值+浪涌电压 简化公式: US :交流电源的峰值电压
K1 :电网电压波动系数, K1 1.15
K2 :直流中间回路有反馈时的泵升电压 K2 1.2
K3 :必要的电压安全系数, K3 1.3~ 1.5
3212 KKKUU SCE
2
2
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-80
– 电流定额的选择
cos : 电动机的功率因数U : 交流电源相电压有效值K4 : 电流的安全系数,取 K4 = 2
K5 : 电流脉动率,取 K5 = 1.2
54
3
23cos
10KK
U
PI
L
MC
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-81
• 三点式(三电平)逆变电路示意图
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-82
• 三点式(三电平)逆变电路的 A 相电路
(a) Holtz 电路 (b) Nabae 电路
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-83
• 三点式逆变器的输出电压波形– 逆变器的相电压波形
(a) 方波输出 (b) PWM 方式输出
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-84
– 三点式逆变电路在不同控制角时的负载相电压波形
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-85
• GTO 的定额选择– 电压定额US :交流电源的电压有效值K1 :电网电压波动系数, K1 1.15
K2 :直流中间回路的反馈电压, K2 1.2
– 电流定额IL :负载电流的有效值K4 、 K5 :考虑安全裕量和电流脉动,这里取 2 和 1.2 。
)( 32122
1KKKUU S
)LLL IxIKKII 42.1222 54
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-86
• 续流二极管的定额和特性选择– 续流二极管的电流定额为主管 GTO 电流定额的 1/3左右。
– 二极管的反向恢复特性及 Ldi r/dt
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-87
5. 6 5. 6 逆变电路的调压、逆变电路的调压、脉冲宽度调制和谐波消除脉冲宽度调制和谐波消除
• 逆变器调压的基本方法
– 调节输出变压器的变化
– 调节逆变器的直流输入电压
– 逆变器的相位位移或多重化技术(见下页)
– 通过对逆变器本身的控制实现调压调频
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-88
• 逆变器相位移调压原理
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-89
• 逆变器相位移调压输出波形
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-90
• 逆变器的正弦波脉宽调制( SPWM )– 基本原理
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-91
• 单极性正弦脉宽调制
(a) 输出电压波(b) 两种控制电压波的相交
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-92
• 单极性 SPWM 在载波比为 20 时的基波与谐波
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-93
• 双极性正弦脉宽调制
(a) 三角形载波 与正弦调制 波的相交
(b) 输出相电压波
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-94
UnM :第 n 次谐波的幅值; :基波角频率n: 谐波次数, n = 1 、 3 、 5 …….
n
nM tnUtU )sin()(
]})(sin...)(sin
])(sin[2)(sin{2
)(sin)(2
2
12
4
3
2
10
0
i
ittdnttdn
ttdnUttdnU
ttdntuU
dd
nM
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-95
– 由上式得出:
式中 n :谐波次数, n =1 、 3 、 5 、… j :脉冲次序, j =1 、 2 、…、 i
输出的基波相电压幅值为
])cos(cos1[4
1212
i
jjj
dnM nn
n
UU
tnnnn
Utu
i
jjj
d
n
sin])cos(cos1[4
)(1
2121
])cos(cos1[4
12121
i
jjj
dM
UU
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-96
• 双极性 SPWM 在 N = 19 时的基波与谐波
第四章
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• SPWM 的载波比与输出频率
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-98
• 不同开关频率下三种逆变器的电机电流波形
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-99
• 用脉宽调制消除指定的谐波分量
式中 为了消除 3次和 5次谐波,可令 U3M=0 和 U5M
=0
可求得特定的 1 和 2
n
nM ntnUtu ...531sin)( 、、
]cos2cos21
[4 21
n
nnUU dnM
05cos25cos2103cos23cos21
21
21
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-100
• 消除 3次和 5次两种谐波的电压波形
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-101
• SPWM 逆变器的自然采样与规则采样
(a) 对称规则采样 (b) 不对称规则采样
第四章
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5. 7 5. 7 电压型脉宽调制逆变电路的控制电压型脉宽调制逆变电路的控制
• 微机实现 SPWM 控制的方法:– 表格法( ROM法)– 随时计算法( RAM法)– 实时计算法
• 自然采样法• 规则采样法
– 对称规则采样法– 不对称规则采样法
第四章
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5. 8 5. 8 电力电子器件的缓冲电路电力电子器件的缓冲电路• 缓冲电路对不同器件的作用
– 晶闸管– GTR
GTR 在开关过程中的波形 vCE 和 iC 的轨迹
第四章
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– GTO
– IGBT
关断时的 vCE 和 iC 开通时的 vCE 和 iC
第四章
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• 缓冲电路的基本结构
串并联 RLCD 缓冲电路 并联 RCD 缓冲电路
第四章
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单电容电路 桥臂模块公用的 RCD 电路
第四章
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有反馈功能的 RCD 电路 不对称有反馈功能的 RCD 电路
第四章
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三角形吸收电路
第四章
May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-109
• 缓冲电路中的杂散电感对关断波形的影响
缓冲电路中的 L’s L’s 使阳极电压产生尖峰
第四章
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• 缓冲电路中吸收电容 CS 值的确定– 晶闸管
式中 IT : SCR 的通态平均电流缓冲电路吸收电阻
– GTR
设 CS 的电压在 t = tf 时由零上升到 VCSf ,则
)(10)4~2( 3 FIC TS
30~10SR
fL
t
L tIdttiQ f
2
1)(
0
第四章
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故
在 tf 时的 VCSf 通常可取为 Ud 的 10~ 50%,
如取 VCSf = 0.5Ud
也可令 VCSf = 0.5UCEO ,则
SfL
t
LS
CSf CtIdtti
CV t 1
2
1)(
10
CSf
fLS V
tIC
2
d
fLS U
tIC
CEO
fLS V
tIC
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– IGBT
式中 LM :主电路电感
VCSP : CS上的最大充电电压
22 )(2
1
2
1dCSPSLM UVCIL
2
2
)( dCSP
LMS UV
ILC
第四章
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– GTO
(di/dt)max : GTO开通时的允许最大电流上升率(dv/dt)max : GTO 关断时的允许最大电压上升率 ITGQM : GTO阳极最大可关断峰值电流
max)/( dtdi
UL dS
max)/( dtdv
IC ATOS
第四章
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• 缓冲电路中 RS 阻值的确定– 通常可取开关器件的工作周期 T约为( 1~
2 ) 3RSC3
即
或者采用
331
CRf
T S
fCRS
33
1
fCRS
36
1