變流技術(shù)與原理匯總

1、5.2變流電路：可控整流電路（AC DC變換），逆變電路（DCAC變換）及脈 寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。整流：交流電-整流器-直流電-用電器 逆變：直流電-逆變器-交流電-用電器（電網(wǎng)）整流電路從相數(shù)上來分有單相，兩相，三相，六相等，從控制方式上來區(qū)分,有半控、全控。分析與計(jì)算整流電路時(shí)一定要抓住整流電路的要點(diǎn)：晶閘管什么 時(shí)候?qū)?，又在什么時(shí)候關(guān)斷，繪制出整流輸出負(fù)載上的波形。根據(jù)輸出波形, 應(yīng)用電工學(xué)基礎(chǔ)中的平均值、有效值的概念，推導(dǎo)出輸出波形隨控制角a變化的 函數(shù)表達(dá)式，然后代入數(shù)值即可達(dá)到要求。r單相半波可控整流電路r 單相可控整流電路 < 單相全波可控整流電路L單相橋式可控整流電路

2、可控整流電路<r三相半波可控整流電路I 三相可控整流電路 < 三相橋式全控整流電路J三相橋式半控整流電路逆變分有源逆變和無源逆變。變流器工作在逆變狀態(tài)時(shí)，如果把交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反送到電網(wǎng)去，叫做有源逆變。如 果變流器的交流側(cè)不于電網(wǎng)連接，而直接接到負(fù)載，把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或 可調(diào)的頻率的交流電供給負(fù)載，叫做無源逆變。逆變電路中，晶閘管在正向直流電壓下工作，觸發(fā)導(dǎo)通較容易，而關(guān)斷比較 麻煩，所以必須采取另外的關(guān)斷措施，因此，逆變器能否正常工作的關(guān)鍵是如何 保證晶閘管可靠關(guān)斷。脈寬調(diào)制變頻電路常采用電壓型逆變器， 它是利用控制逆變器開關(guān)元件的導(dǎo) 通

3、和關(guān)斷時(shí)間比即調(diào)節(jié)脈沖寬度，來控制逆變電壓的大小和頻率。以電壓型單相逆變電路為例。VT1、VT4正半周導(dǎo)通，VT2、VT3負(fù)半周導(dǎo)通，逆變波形如圖是。在正負(fù)半周內(nèi)使功率開關(guān)元件多次導(dǎo)通關(guān)斷，得到正負(fù)電 壓脈沖系列，采用脈寬調(diào)制，使每一個(gè)輸出矩形脈沖的面積與對應(yīng)的正弦撥電壓 的面積成正比，獲得等幅不等寬的正負(fù)脈沖列。UdUd*UlVT3i 氏VT4t0ttt圖 2-16 PWM6數(shù)字電路6.1基本邏輯門電路與門、或門、非門、與非門的邏輯功能表2-1常用邏輯運(yùn)算表1010101110016.2組合邏輯電路：邏輯代數(shù)的基本公式，組合邏輯電路的分析方法，譯碼器表2-2邏輯代數(shù)的基本公式序號公式序號公式

4、10 " = 0101 =0；=121 “ = A111 +A = 13AA = A120 + A = A4A .A =013A + A = A5A B = B A14A + a16A(B C ) = (A*B hC15A + B = B + A7A(B+C )=A*B+A*C16A + (B +C)=(A+B)+C8A B = A +B17A + B*C =(A +Bi(A + C)9A = A18A+ B = A*B組合邏輯電路的分析方法步驟: 由邏輯圖寫出各輸出端的邏輯表達(dá)式 化簡和變換各邏輯表達(dá)式 列出真值表 根據(jù)真值表和邏輯表達(dá)式對邏輯電路進(jìn)行分析，確定其功能。6.3譯碼器

5、譯碼器的邏輯功能是將每個(gè)輸入的二進(jìn)制代碼譯成對應(yīng)的輸出高、低電平信號。常用的譯碼器電路有二進(jìn)制譯碼器、二卜進(jìn)制譯碼器和顯示譯碼器三類。表2-3基本RS觸發(fā)器真值表RdSdQ10101011不變00不變6.4時(shí)序邏輯電路觸發(fā)器從表中可以看出,Q的狀態(tài)和Rd的狀態(tài)保持一致，當(dāng)Rd和Sd的狀態(tài)一致時(shí),觸發(fā)器保持原態(tài)。表2-4時(shí)鐘RS觸發(fā)器真值表SRQnQn十說明0000輸出狀態(tài)不變00110100輸出狀態(tài)與S狀態(tài)相同01101001輸出狀態(tài)與S狀態(tài)相同1011110輸出狀態(tài)不定111從表中可以看出，當(dāng)S和R的狀態(tài)都為0時(shí)，保持原態(tài)；當(dāng)R和S的狀態(tài)不同時(shí)，輸出與S狀態(tài)相同；當(dāng)S和R的狀態(tài)都為1時(shí)，輸出

6、狀態(tài)不確定。表2-5主從JK觸發(fā)器真值表JKQnQn +說明00000011輸出狀態(tài)不變0100輸出狀態(tài)與J狀態(tài)相同01101001輸出狀態(tài)與J狀態(tài)相同10111101每輸入一個(gè)脈沖，輸出狀態(tài)改變1110一次從表中可以看出，當(dāng)J和K的狀態(tài)都為0時(shí)，保持原態(tài)；當(dāng)R和S的狀態(tài)不同時(shí)，輸出與J狀態(tài)相同；當(dāng)S和R的狀態(tài)都為1時(shí)，輸出狀態(tài)隨著時(shí)鐘脈 沖反轉(zhuǎn)。Qn表2-6 D觸發(fā)器真值表說明輸出狀態(tài)與D狀態(tài)相同從表中可以看出，D觸發(fā)器的輸出狀態(tài)隨著時(shí)鐘脈沖隨時(shí)保持與D端狀態(tài)相同。6.5移位寄存器移位寄存器具有存儲代碼的功能，還具有移位功能。所謂移位功能，是指寄存器里存儲的代碼能在移位脈沖的作用下依次左移或

7、右移。因此，移位寄存器不 但可以用來寄存代碼，還可以用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行一并行轉(zhuǎn)換、 數(shù)值的運(yùn)算以及 數(shù)據(jù)處理等。6.6計(jì)數(shù)器6.6.1同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器根據(jù)二進(jìn)制加法運(yùn)算規(guī)則可知,在一個(gè)多位二進(jìn)制的末位上加1時(shí)，若其中第i位（既任何一位）以下各位皆為1時(shí)，則第i位應(yīng)改變狀態(tài)（由0變成1,由1變成0）。而最低位的狀態(tài)在每次加1時(shí)都要改變。6.6.2同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路是在同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器電路的基礎(chǔ)上略加修改 而成的。如果從0000開始計(jì)數(shù)，貝U直到輸入九個(gè)計(jì)數(shù)脈沖為止，它的工作過程與二進(jìn)制計(jì)數(shù)器相同。計(jì)入第九個(gè)計(jì)數(shù)脈沖后電路進(jìn)入1001狀態(tài)，這時(shí)Q3的低 電平使門G的是如為0,

8、而Q。和Q3的高電平使門Q3的輸出為1,所以4個(gè)觸發(fā) 器的輸入控制端分別為T0 =1、Ti =0、T2 =0、T3=1。因此，當(dāng)?shù)谑畟€(gè)計(jì)數(shù)脈 沖輸入后，F(xiàn)Fi和FF2維持0狀態(tài)不變，F(xiàn)F3和FF。從1翻轉(zhuǎn)為0,故電路返回 0000狀態(tài)。6.7數(shù)碼顯示電路表2-7七段數(shù)碼管數(shù)碼顯示的邏輯圖把模擬信號轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號的稱為模一數(shù)轉(zhuǎn)換，或簡稱為A/D轉(zhuǎn)換；把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換到模擬信號的稱為數(shù)一模轉(zhuǎn)換，或簡稱為D/A (Digital to Analog)轉(zhuǎn) 換。把實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡寫為ADC ;把實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的 電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡寫成DAC。7電力電子器件7.1晶閘管加正向陽

9、極電壓和足夠大的正向門極電壓時(shí)導(dǎo)通，晶閘管導(dǎo)通后, 門極失去控制，要使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，將陽極電流降至維持電流以下即可。分析晶閘管的控制特性電路圖。Rl10i- V 1KEaW1AEg （a）反向阻斷Al嚴(yán)一 GevtKEa三SEa三Eg (b)正向阻斷GVTKARgSEa=Eg（C）觸發(fā)導(dǎo)通EG（d）除去觸發(fā)仍導(dǎo)通1、反向阻斷特性圖（a）晶閘管VT的陽極A接電源Ea的負(fù)極,陰極K接電源Ea的正極，晶閘管VT因?yàn)槌惺艿氖欠聪螂妷?。此時(shí)，無論控制極G是否加正向電壓，電流表中均無電流，晶閘管不導(dǎo)通，具有反向阻斷特性。2、正向阻斷特性圖（b）晶閘管VT的A極和K極之間接入正向電壓，若不接通控制極G,

10、晶閘管仍 然不導(dǎo)通，具有正向阻斷特性。3、觸發(fā)導(dǎo)通圖（C）晶閘管加正向電壓的同時(shí)，控制極G與K極間加上正向控制電壓即觸發(fā)電壓Eg，此時(shí)晶閘管導(dǎo)通。4、晶閘管導(dǎo)通后控制極失去控制作用圖（d）晶閘管導(dǎo)通后，斷開觸發(fā)極，晶閘管仍然導(dǎo)通，控制極此時(shí)失去作用。5、晶閘管導(dǎo)通后恢復(fù)阻斷的條件（1）、將陽極正向電壓改為反向電壓，晶閘管恢復(fù)阻斷。（2）、降低正向電壓或增大負(fù)載電阻Rl，使管中電流減小到維持電流以下,可使晶閘管恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。7.2 晶閘管的主要參數(shù) 1、正向阻斷峰值電壓 PFV控制極斷開， 在額定結(jié)溫下， 允許重復(fù)加在管子上的最高正向電壓稱為正向 阻斷峰值電壓，記作 PFV。2、反向阻斷峰值電

11、壓 PRV控制極斷開，在額定結(jié)溫下， 允許重復(fù)加在管子上的最高反向電壓稱為反向 阻斷峰值電壓，記作 PRV。3、額定正向平均電流 IF在環(huán)境溫度為40 C和規(guī)定的冷卻條件下，允許連續(xù)通過工頻正弦半波正向電流的平均值稱為額定正向平均電流，記作 IF 。4、正向平均電壓 UF通過正常半波額定正向電流時(shí)，管子兩端的電壓在一周內(nèi)的平均值稱為正向平均電壓，又稱為管壓降，記作 UF。一般約為 0.61.2。5、維持電流 I H在室溫下， 控制極斷開， 維持管子繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流， 記作IH，一般約為幾十至一百多毫安。6、控制極觸發(fā)電壓 UG 和觸發(fā)電流 IG在室溫下，陽極正向電壓為直流 6V

12、時(shí)，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通所需的最低直流電壓和最小直流分別稱為控制極觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流，記作Ug和Ig。一般UG約為 15V， IG 約為幾十到幾百毫安。7.3 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路uo*VTi *VT2:_J RlQ ITZivDcD2/ /zUoUlUdz4VDZ7?RlQVT3*Uc_jiUR1IUi叱_!_!ii I 1 I I ' ' ； ； I I iiiKI I I I I 1 t I I I II【1 I 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路Udz是振蕩電路的電源，在Udz的每一個(gè)波形中，對電容器 C充電，是單結(jié) 晶體管VT發(fā)射極電壓uc按指數(shù)上升，當(dāng)升高到單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓時(shí)，管子 導(dǎo)

13、通，于是電容器向電阻Ri放電，發(fā)射極電壓Uc按指數(shù)規(guī)律迅速下降，當(dāng)Uc下 降到谷點(diǎn)電壓時(shí)，單結(jié)晶體管截止，如此重復(fù)得到一系列鋸齒波電壓，在電阻Ri上得到一系列尖頂脈沖波電壓去觸發(fā)晶體管VT1和VT2,由于晶閘管導(dǎo)通后，控 制極即失去作用，所以只有第一個(gè)脈沖起作用。gtrgtr器7.4 GTR功率晶體管是一種雙極性大功率高反壓晶體管，控制方便，開關(guān)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。是電流控制型器件，正偏時(shí)大電流導(dǎo)通；反偏時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)。目前的 件有單管、達(dá)林頓管和達(dá)林頓晶體管模塊。7.5 功率 MOSFET特點(diǎn)：輸入阻抗高，屬于純?nèi)菪裕婚_關(guān)速度快；負(fù)電流溫度系數(shù)，熱穩(wěn)定性好。主要應(yīng)用在開關(guān)穩(wěn)壓調(diào)壓電源方面作主開關(guān)功

14、率器件；作功率變換器件和高 頻的主功率振蕩放大器件。導(dǎo)通條件：柵源極加正向電壓，器件導(dǎo)通；柵源極加 反向電壓，關(guān)斷。7.6絕緣門極晶體管IGBT特點(diǎn)：輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動電路簡單，通態(tài)電壓低，耐壓高，承受電流大。工作原理：IGBT的開通和關(guān)斷是由門極電壓來控制，門極加正電壓時(shí)導(dǎo)通, 門極加負(fù)電壓時(shí)關(guān)斷。因?yàn)镮GBT常用于開關(guān)工作狀態(tài)，開通時(shí)IGBT處于正向 偏置，關(guān)斷時(shí)處于反向偏置。為了使IGBT穩(wěn)定工作，要求門極驅(qū)動提供適當(dāng)?shù)卣聪蜉敵鲭妷?，是管子能夠可靠的開通和關(guān)斷；考慮IGBT的開關(guān)時(shí)間;IGBT導(dǎo)通后驅(qū)動電路能夠提供足夠的電壓和電流，保證管子在正常工作時(shí)不 致于退出飽和

15、而損壞；驅(qū)動電路中的電阻對工作性能影響很大； 驅(qū)動電路具 有較強(qiáng)的抗干擾能力及對管子的保護(hù)功能。IGBT保護(hù)有：過電流保護(hù)一通過檢測電流來切斷門極。過電壓保護(hù)一利用吸收電路抑制過電壓。溫度過高保護(hù)一檢測IGBT的溫度來決定跳閘。在G-E開路時(shí)，不要給C-E加電壓。在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，G-E端不能開路。8可控整流電路 有以下幾種:單相半波可控整流電路r單相可控整流電路單相全波可控整流電路單相橋式可控整流電路可控整流電路三相半波可控整流電路三相可控整流電路三相橋式全控整流電路三相橋式半控整流電路以三相橋式全控整流電路為例進(jìn)行分析:ZVT1 當(dāng)T3 占T5五 TV1Rd/ VT4 七T6

16、 尢丁2圖2-17三相橋式全控整流電路工作原理：該電路在自然換流點(diǎn)輪流導(dǎo)通，即VT1TVT3 TVT5 TVT1，VT2T VT4 T VT6 T VT2，每個(gè)管子輪流導(dǎo)通120°。在初始時(shí)刻，U相電壓較正，V相較負(fù)，在觸發(fā)脈沖的作用下，VT6、VT1管同時(shí)導(dǎo)通，電流流過負(fù)載。負(fù)載上得到的是線電壓。過一段時(shí)間， U相電壓還是高電位，但 W相的電位比V低，此時(shí)VT2導(dǎo)通，負(fù)載上得到的是UW兩線之間的電壓，一次類推，管子 輪流到同。任何時(shí)刻都要有兩個(gè)管子觸發(fā)導(dǎo)通。9直流斬波是將直流電源的恒定直流電壓，通過電子器件的開關(guān)作用，變換為可調(diào)直流電壓。直流斬波的關(guān)鍵是使導(dǎo)通的管子能夠可靠關(guān)斷。晶

17、閘管直流斬波器的原理：觸發(fā)晶閘管，負(fù)載電壓Ud =U，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)Ud =0，控制晶閘管使其周期性導(dǎo)通斷開，負(fù)載上便得到一系列電壓脈沖。可以采用脈沖寬度調(diào)制（PWM ）、脈沖頻率控制（PFM）和脈沖混合控制來改變負(fù)載直流電壓。脈沖寬度調(diào)制（PWM）斬波晶閘管的觸發(fā)頻率一定，調(diào)節(jié)脈沖寬度 T從而改變負(fù)載電壓。脈沖頻率控制（1PFM、脈沖寬度T 一定，改變管子通斷頻率f = -。f增加使T =T時(shí)電路全導(dǎo)通，Ud =U ； f下降周期T增大時(shí)，Ud減小。脈沖混合控制 同時(shí)改變T和T。10有源逆變電路1L i11f 11111111111111!11關(guān)斷電路1111!111斬波器卜1i 1111U

18、+O圖 2-18直流斬波電路原理工作原理：由于晶閘管的單相導(dǎo)電性,當(dāng)控制角a <9時(shí)工作在整流狀態(tài)，當(dāng)P <90 F寸工作在逆變狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)有源逆變的條件是直流側(cè)必須外接與 直流電流同方向的直流電源，其數(shù)值要大于Ud ；變流器必須工作在P <9區(qū)域, 使Ud <0，才能逆變成功。1V 晉> 1W VT3"1Udc+LdE圖2-19三相半波逆變電路+U VTt.-，滿足有源逆變的條件。以三相半波逆變電路為例，當(dāng)P <90。時(shí)，E > U 在P =60馳發(fā)VT1，由于E的電壓大于各相電壓，所以管子導(dǎo)通，按照三相交 流電的相序一次換相，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120°，這時(shí)Ud波形的負(fù)面積大于正面積, 所以直流平均功率是電源E反送到交流電源。11逆變電路和逆變電路輸出諧波控制由于相控晶閘管裝置的輸入電流是非正弦的，還有高次諧波，這些諧波造成電網(wǎng)的電壓畸變。為了減小諧波的影響，采用電阻負(fù)載時(shí)運(yùn)行于小a狀態(tài)；三相整流時(shí)采用橋式電路，整流變壓器采用不同接法；給裝置外接諧波濾波器進(jìn)行濾波；給裝置設(shè)置一個(gè)諧