开关电源技术 第9章.pptVIP

第9章 变频电源原理与应用  　　　　　　　9.1 变 频 电 源9.1.1 变频电源技术　　变频就是将直流或固定频率的交流输入转变为频率可变的交流输出。变频电源在人们的生产、生活和科研中发挥着重要的作用，不同场合对变频电源的要求也越来越高。变频技术的发展源于对交流异步电机的调速，如今变频技术已经不再局限于对电机的调速应用上，越来越多地应用在测控仪器、精密功率电源、家用电器等领域中。 　　变频电源的发展建立在电力电子器件与电力电子技术不断进步的基础之上，随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得了飞速的发展。从变频器的发展需要出发，大功率电力电子器件作为其开关器件，其研究和应用为变频技术打下了坚实的基础。大功率开关器件具有优良的特性：① 在正常开通状态下，通流容量大，导通压降小；在正常关断情况下，能承受高电压，漏电流小；② 在正常的开关状态下，开通与关断时间短，即开关频率高，而且能承受高的du/dt；③ 有全控功能，并具有寿命长、结构紧凑、体积小、散热性能良好等优点。 　　早期的开关器件主要是晶体管SCR，其开关频率低，属于半控器件，主要采用脉幅调制，但它有谐波大、功率因数低、转速脉动大、动态响应慢以及线路复杂等缺点。为了使晶闸管具有关断能力，后来推出了门极关断晶闸管GTO，但是其关断不易控制，工作频率也不够高，因此迅速被随之发展起来的大功率晶体管GTR所代替。GTR也有其不足之处，由于是用电流信号进行驱动的，所需驱动功率较大，故驱动系统比较复杂，并使工作频率难以提高。功率场效应晶体管Power MOSFET的出现很好地解决了以上问题，它用电压信号控制开通与关断，开关频率也较高。绝缘栅双极晶体管IGBT是MOSFET和GTR相结合的产物，其控制部分与场效应晶体管相同是由电压控制，输入阻抗很高，而主电路部分则与GTR相同，因此击穿电压与击穿电流很高，非常适宜用于功率开关。近年来，又出现了智能功率模块IPM等模块化产品，为电源产品的设计和应用提供了极大的方便。 9.1.2 VVVF的基本调制方法　　变频电源的发展始终伴随着变压过程，因此通常也称为变频变压电源，即VVVF电源(Variable Voltage Variable Frequency)。当输入为直流电时，又可称为逆变电源，即将直流电逆变成为幅频可调的交流电。　　实现VVVF的基本调制方法有两种：　　第一种方法称为脉幅调制(Pulse Amplitude Modulation)，简称PAM方式。该方法把变压与变频的过程分开完成，在对交流电整流的同时进行相控调压，而后逆变为可调频率的交流电；或者是把交流电整流为直流电之后用斩波器调压，然后再将直流逆变为可调频率的交流电。 　　第二种方法称为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)方式，简称PWM方式，是将变压与变频集中于逆变器一起完成的，即前部为不可控整流器，中间产生恒定直流电压，最后由逆变器完成变频、变压过程。 　　1．脉幅调制(PAM) 　　脉幅调制前后的输出电压波形如图9-1所示。由于逆变所得交流电压的幅值等于前级直流电压值，因此实现变频又变压最简单的方法便是在调节频率的同时也调节前级直流电压。设fN为调制前的频率，TN为调制前的周期，UdN为调制前的直流电压，设定调制前逆变电路的输出波形如图9-1中(a)所示。根据脉幅调制规则，则可以得到调制后逆变电路的输出波形如图(b)所示，其中，fX为调制后的频率，TX为调制后的周期，UdX为调制后的直流电压。 图9-1 脉幅调制前后的输出电压波形 　　在VVVF控制技术发展的早期均采用PAM方式，由于当时的半导体器件主要是以普通晶闸管为主，其开关频率不高，属于半控器件，所以逆变电路输出的交流电压波形只能是方波。而要使方波电压的有效值随输出频率的变化而改变，只能靠改变方波的幅值，即只能依靠前面的环节来改变逆变电路前级直流电压的大小。因此变频电源在采用脉幅调制(PAM)方式的时候，需要同时调节整流和逆变两个部分，并且两者之间还必须满足一定的关系，故其控制电路比较复杂。这种方法现在较少使用。 　　2．脉宽调制(PWM)　　脉宽调制前后的输出电压波形如图9-2所示。如果将每半个周期内输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为t1，每两个脉冲间隔宽度为t2，则脉冲的占空比为t1/(t1+t2)，由此可以看出电压的平均值与占空比成正比。所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，这样便可以实现变频变压的效果。如图9-2所示，图(a)为调制前的波形，图(b)为调制后的波形。　　脉宽调制技术只需要对逆变电路按照占空比规律进行控制便可以实现，控制电路较为简单，功率因数较高，同时又能克服PAM法的缺点。