直流-交流变换电路

1、第第4章章 直流直流-交流变换电路交流变换电路w本章要点本章要点w有源逆变电路、有源逆变的条件、逆变失败与最有源逆变电路、有源逆变的条件、逆变失败与最小逆变角的限制；小逆变角的限制；w无源逆变电路、变频器概述；无源逆变电路、变频器概述；w交交-直直-交变频器、电压型和电流型变频器、变频交变频器、电压型和电流型变频器、变频器器180度和度和120度导电规则的原理与分析；度导电规则的原理与分析；wSPWM变频（电压正弦变频（电压正弦PWM、电流正弦、电流正弦PWM、磁通正弦磁通正弦PWM）的原理与分析。）的原理与分析。4.1 逆变的概念逆变的概念 逆变电路是把直流电逆变成交流电的电路。按照负载逆变

2、电路是把直流电逆变成交流电的电路。按照负载性质的不同，逆变分为有源逆变和无源逆变。当可控性质的不同，逆变分为有源逆变和无源逆变。当可控整流电路工作在逆变状态时，如果把该电路的交流侧整流电路工作在逆变状态时，如果把该电路的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变成与交流电源同频率接到交流电源上，把直流电逆变成与交流电源同频率的交流电返送到电网上去，则称作有源逆变。如果可的交流电返送到电网上去，则称作有源逆变。如果可控整流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到无源控整流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到无源负载，则称为无源逆变或变频。负载，则称为无源逆变或变频。 4.2 有源逆变电路有源逆变电路4.2.

3、1 单相双半波有源逆变电路单相双半波有源逆变电路w1 1、电路结构、电路结构 2、工作原理、工作原理w1）整流状态（）整流状态（090）w当当等于零时，输出电压瞬时值等于零时，输出电压瞬时值ud在整个周期内全部为正；在整个周期内全部为正；当当900时，时，ud在整个周期内有正有负，但正面积总是在整个周期内有正有负，但正面积总是大于负面积，故平均值大于负面积，故平均值Ud为正值，其极性是上正下负，如为正值，其极性是上正下负，如上图上图a。通常。通常Ud略大于略大于E，此时电流，此时电流Id从从Ud的正端流出，从的正端流出，从E的正端流进。电机的正端流进。电机M吸收电能，作电动运行，电路把从交吸收

4、电能，作电动运行，电路把从交流电网吸收的电能转变成直流电能输送给电动机，电路工流电网吸收的电能转变成直流电能输送给电动机，电路工作在整流状态，电机作在整流状态，电机M工作在电动状态工作在电动状态。 w2）逆变状态（）逆变状态（90180）w逆变是将电机吸收的直流电能转变成交流反馈回电网。逆变是将电机吸收的直流电能转变成交流反馈回电网。w由于晶闸管的单向导电性，负载电流由于晶闸管的单向导电性，负载电流Id不能改变方向，只有不能改变方向，只有将将E反向，即电机作发电运行才能回馈电能；为避免反向，即电机作发电运行才能回馈电能；为避免Ud与与E顺接，此时将顺接，此时将Ud的极性也反过来，如上图的极性也

5、反过来，如上图b示。要使示。要使Ud反反向，向，应该大于应该大于90。w当当在在90180间变动时，输出电压瞬时值间变动时，输出电压瞬时值ud在整个在整个周期内有正有负，但负面积大于正面积，故平均值周期内有正有负，但负面积大于正面积，故平均值Ud为负为负值，见上图值，见上图b所示。此时所示。此时E略大于略大于Ud，电流，电流Id的流向是从的流向是从E的的正端流出，从正端流出，从Ud的正端流入，逆变电路吸收从电机反送来的正端流入，逆变电路吸收从电机反送来的直流电能，并将其转变成交流电能反馈回电网，这就是的直流电能，并将其转变成交流电能反馈回电网，这就是该电路的有源逆变状态。该电路的有源逆变状态。

6、w要使整流电路工作在逆变状态，必须满足两个条件：要使整流电路工作在逆变状态，必须满足两个条件：w1）变流器的输出）变流器的输出Ud能够改变极性（内部条件）。由于晶闸能够改变极性（内部条件）。由于晶闸管的单向导电性，电流管的单向导电性，电流Id不能改变方向，为实现有源逆变，不能改变方向，为实现有源逆变，必须改变必须改变Ud的极性。即让变流器的控制角的极性。即让变流器的控制角90即可。即可。w2）须有外接的提供直流电能的电源）须有外接的提供直流电能的电源E。E也要能改变极性，也要能改变极性，且有且有 （外部条件）。（外部条件）。w3、逆变角、逆变角w逆变状态时的控制角称为逆变角逆变状态时的控制角称

7、为逆变角，规定以规定以=处作为计量处作为计量角的起点，大小由计量起点向左计算。满足如下关系：角的起点，大小由计量起点向左计算。满足如下关系： dUE 4.2.2 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制1 1、逆变失败、逆变失败w可控整流电路运行在逆变状态时，一旦发生换相失败，电可控整流电路运行在逆变状态时，一旦发生换相失败，电路又重新工作在整流状态，外接的直流电源就会通过晶闸路又重新工作在整流状态，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，使变流器的输出平均电压管电路形成短路，使变流器的输出平均电压Ud和直流电和直流电动势动势E变成顺向串联，由于变流电路的内阻很小，将出现变成顺向

8、串联，由于变流电路的内阻很小，将出现很大的短路电流流过晶闸管和负载，这种情况称为逆变失很大的短路电流流过晶闸管和负载，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。败，或称为逆变颠覆。w造成逆变失败的原因：造成逆变失败的原因：（1 1）触发电路工作不可靠。不能适时、准确地给各晶闸）触发电路工作不可靠。不能适时、准确地给各晶闸管分配触发脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等。管分配触发脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等。（2）晶闸管发生故障。器件失去阻断能力，或器件不能晶闸管发生故障。器件失去阻断能力，或器件不能导通。导通。（3）交流电源异常。在逆变工作时，电源发生缺相或突交流电源异常。在逆变工作时，电源发生缺相或突然

9、消失而造成逆变失败。然消失而造成逆变失败。（4）换相裕量角不足，引起换相失败。应考虑变压器漏换相裕量角不足，引起换相失败。应考虑变压器漏抗引起的换相重叠角、晶闸管关断时间等因素的影响。抗引起的换相重叠角、晶闸管关断时间等因素的影响。 w交流侧电抗对逆变换相过程的影响2、最小逆变角最小逆变角确定的方法确定的方法 最小逆变角最小逆变角的大小要考虑以下因素：的大小要考虑以下因素：（1）换相重叠角换相重叠角。此值与电路形式、工作电流大小、触发。此值与电路形式、工作电流大小、触发角大小有关。即角大小有关。即 根据根据= -，设，设 =，则则 ：（2）晶闸管关断时间）晶闸管关断时间 tq 所对应的电角度所

10、对应的电角度。折算后的电角度。折算后的电角度约约4度度5度；度； mUXIsin2)cos(cos2BdmUXIsin21cos2Bd （3）安全裕量角）安全裕量角。考虑到脉冲调整时不对称、电网波动、。考虑到脉冲调整时不对称、电网波动、畸变与温度等影响，还必须留一个安全裕量角，一般取畸变与温度等影响，还必须留一个安全裕量角，一般取为为10度左右。度左右。w综上所述，最小逆变角为：综上所述，最小逆变角为：w w为了可靠防止为了可靠防止进入进入min区内，在要求较高的场合，可区内，在要求较高的场合，可在触发电路中加一套保护线路，使在触发电路中加一套保护线路，使在减小时不能进入在减小时不能进入min

11、区内，或在区内，或在min处设置产生附加安全脉冲的装置，处设置产生附加安全脉冲的装置，万一当工作脉冲进入万一当工作脉冲进入min区内时，由安全脉冲在区内时，由安全脉冲在min处处触发晶闸管，防止逆变失败。触发晶闸管，防止逆变失败。00min35304.2.3 有源逆变的应用有源逆变的应用w一、应用之一一、应用之一 晶闸管串级调速晶闸管串级调速w串级调速的原理：转子电流表达式w 22022f202sXREsEIw工程上为实现方便，次同步串级调速系统是用不可控整流器工程上为实现方便，次同步串级调速系统是用不可控整流器将转子电动势将转子电动势sE20整流为直流电动势，并与转子整流回路中整流为直流电动

12、势，并与转子整流回路中串入的直流附加电动势进行合成，通过改变逆变角的大小，串入的直流附加电动势进行合成，通过改变逆变角的大小，实现低同步转速的电动运行。采用直流附加电动势的原因是：实现低同步转速的电动运行。采用直流附加电动势的原因是：由于工程上获取与转子感应电势由于工程上获取与转子感应电势sE20反相位同频率且频率随反相位同频率且频率随转子频率变化的交流变频电源转子频率变化的交流变频电源Ef比较困难，所以在次同步串比较困难，所以在次同步串级调速系统中采用整流器将转子电动势级调速系统中采用整流器将转子电动势sE20整流为直流电动整流为直流电动势，再与转子回路中串入的直流附加电动势进行比较。而可势

13、，再与转子回路中串入的直流附加电动势进行比较。而可调直流附加电动势在工程上比较容易实现。调直流附加电动势在工程上比较容易实现。w晶闸管串级调速系统的基本构成如下图所示。系统中，直流晶闸管串级调速系统的基本构成如下图所示。系统中，直流附加电动势是由晶闸管有源逆变器附加电动势是由晶闸管有源逆变器UI产生的，改变逆变角就产生的，改变逆变角就改变了逆变电势，相当于改变了直流附加电动势，即可实现改变了逆变电势，相当于改变了直流附加电动势，即可实现串级调速。串级调速。二、应用之二二、应用之二两组晶闸管反并联时电动机两组晶闸管反并联时电动机的可逆运行的可逆运行w下图为两组晶闸管反并联电路的框图。设P为正组，

14、N为反组，电路有四种工作状态。 w（1）正组整流）正组整流w上左图为正组整流工作状态。设上左图为正组整流工作状态。设P在控制角在控制角作用下输出整作用下输出整流电压流电压Ud，加于电动机，加于电动机M使其正转。当使其正转。当P组处于整流工作组处于整流工作状态时，反组状态时，反组N不能也工作在整流状态，否则会使电流不能也工作在整流状态，否则会使电流Id1不经过负载不经过负载M，而只在两组晶闸管之间流通，这种电流称，而只在两组晶闸管之间流通，这种电流称为环流，环流实质上是两组晶闸管电源之间的短路电流。为环流，环流实质上是两组晶闸管电源之间的短路电流。因此，当正组整流时，反组应关断或处于待逆变状态。

15、所因此，当正组整流时，反组应关断或处于待逆变状态。所谓待逆变，就是谓待逆变，就是N组由逆变角组由逆变角控制处于逆变状态但无逆变控制处于逆变状态但无逆变电流。要做到这一点，可使电流。要做到这一点，可使 。这样，正组。这样，正组P的平的平均 电 流 供 电 动 机 正 转 ， 反 组均 电 流 供 电 动 机 正 转 ， 反 组 N处 于 待 逆 变 状 态 。 由处 于 待 逆 变 状 态 。 由于于 ，故没有平均电流流过反组，不产生真正的，故没有平均电流流过反组，不产生真正的逆变逆变。ddUUddUUw（2）反组逆变）反组逆变w当要求正向制动时，流过电动机当要求正向制动时，流过电动机M的电流的

16、电流Id必须反向才能必须反向才能得到制动力矩，由于晶闸管的单向导电性，这只有利用反得到制动力矩，由于晶闸管的单向导电性，这只有利用反组组N的逆变。为此，只要降低的逆变。为此，只要降低 且使且使 ，则则N组产生逆变，流过电流组产生逆变，流过电流Id2，电机电流，电机电流Id反向，反组有反向，反组有源逆变将电势能源逆变将电势能E通过反组通过反组N送回电网，实现回馈制动。送回电网，实现回馈制动。w（3）反组整流）反组整流wN组整流，使电动机反转，其过程与正组整流类似。组整流，使电动机反转，其过程与正组整流类似。w（4）正组逆变）正组逆变wP组逆变，产生反向制动转矩，其过程与组反逆变类似。组逆变，产生

17、反向制动转矩，其过程与组反逆变类似。dU)(ddUUE4.3 无源逆变（变频）电路无源逆变（变频）电路4.3.1 变频概述及变频器的种类变频概述及变频器的种类w将直流电能变换成交流电能供给无源负载的过程称为无逆将直流电能变换成交流电能供给无源负载的过程称为无逆变。用于逆变的直流电能通常是由电网提供的交流电整流变。用于逆变的直流电能通常是由电网提供的交流电整流得来的。我们把得来的。我们把“将电网提供的恒压恒频将电网提供的恒压恒频CVCF(Constant Voltage Constant Frequency)交流电变换为变压变频交流电变换为变压变频VVVF(Variable Voltage Va

18、riable Frequency)交流电供给交流电供给负载负载”的过程称为变频，实现变频的装置叫变频器。的过程称为变频，实现变频的装置叫变频器。1 1、变频器的分类、变频器的分类 2、静止型常规变频器及特点、静止型常规变频器及特点（1）间接（交）间接（交-直直-交）变压变频装置交）变压变频装置w交交-直直-交变频器的主要构成环节如下图交变频器的主要构成环节如下图a示。它先把交流电转换为直流电，示。它先把交流电转换为直流电，经过中间滤波环节后，再把直流电逆变成变压变频的交流电，故又称为经过中间滤波环节后，再把直流电逆变成变压变频的交流电，故又称为间接变频器。间接变频器。w按照不同的控制方式，间接

19、变频器又有下图按照不同的控制方式，间接变频器又有下图b、c、d三种情况。三种情况。整流逆变中间直流环节DCAC50Hz恒压恒频（CVCF）AC变压变频（VVVF）(a)可控整流逆变DCAC50Hz调压调频AC（VVVF）(b)不控整流逆变DCAC调频AC50Hz斩波器DC调压(c)VVVF50Hz不控整流PWM逆变ACDC（VVVF）调压调频(d)AC图6-7 间接变压变频装置的不同结构形式w1）用可控整流器调压、用逆变器调频）用可控整流器调压、用逆变器调频 此装置的调压和调频在两个环节上分别进行。但输入环节此装置的调压和调频在两个环节上分别进行。但输入环节采用晶闸管可控整流，电网端功率因数低

20、，而输出环节采采用晶闸管可控整流，电网端功率因数低，而输出环节采用晶闸管三相六拍逆变器，输出谐波较大。用晶闸管三相六拍逆变器，输出谐波较大。w2）用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频）用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频 该装置的输入环节采用不可控整流器，只整流不调压，再该装置的输入环节采用不可控整流器，只整流不调压，再增设斩波器进行脉宽调压。输入功率因数高，但输出逆变增设斩波器进行脉宽调压。输入功率因数高，但输出逆变环节谐波仍较大。环节谐波仍较大。w3）用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器调压调频）用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器调压调频 这类装置的输入用不可控整流器，输

21、入功率因数高；用这类装置的输入用不可控整流器，输入功率因数高；用PWM逆变，则输出谐波可以减少。输出波形已经非常逼逆变，则输出谐波可以减少。输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称之为正弦脉宽调制逆变器。近正弦波，因而又称之为正弦脉宽调制逆变器。（2）直接（交）直接（交-交）变压变频装置交）变压变频装置w交交-交变频器是把工频交流电直接变换成不同频率交流电交变频器是把工频交流电直接变换成不同频率交流电的过程，它不通过中间直流环节，故又称为直接变频器或的过程，它不通过中间直流环节，故又称为直接变频器或周波变换器。因为没有中间环节，仅用一次变换就实现了周波变换器。因为没有中间环节，仅用一次变换就实现了

22、变频，效率较高。主要构成环节如下图所示。变频，效率较高。主要构成环节如下图所示。4.3.2 交电压型、电流型交交电压型、电流型交-直直-交变频电路交变频电路1 1、交、交- -直直- -交电压型、电流型变频器及其比较交电压型、电流型变频器及其比较 交交-直直-交变频器就是把工频交流电先通过整流器整成直流，交变频器就是把工频交流电先通过整流器整成直流，然后再通过变换器，把直流电逆变成为频率可调的交流电。然后再通过变换器，把直流电逆变成为频率可调的交流电。根据交根据交-直直-交变压变频器的中间滤波环节是采用电容性元交变压变频器的中间滤波环节是采用电容性元件或是电感性元件，可以将交件或是电感性元件，

23、可以将交-直直-交变频器分为电压型变交变频器分为电压型变频器和电流型变频器两大类。两类变频器的区别主要在于频器和电流型变频器两大类。两类变频器的区别主要在于中间直流环节采用什么样的滤波元件。中间直流环节采用什么样的滤波元件。w（1）交）交-直直-交电压型变频器交电压型变频器w当直流环节采用大电容滤波时，电压波形比较平直，相当当直流环节采用大电容滤波时，电压波形比较平直，相当于一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形或阶梯于一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形或阶梯波，这类变频装置叫电压型变频器，如图所示的电压型变波，这类变频装置叫电压型变频器，如图所示的电压型变频器输入采用二极管整流，

24、输出采用频器输入采用二极管整流，输出采用GTR的六拍逆变的六拍逆变。 w（2）交）交-直直-交电流型变频器交电流型变频器w当中间直流环节采用大电感滤波时，电流波形较平直，因当中间直流环节采用大电感滤波时，电流波形较平直，因而电源内阻抗大，输出是一个恒流源，输出交流电流是矩而电源内阻抗大，输出是一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫电流型变频器，见下图。形波或阶梯波，这类变频装置叫电流型变频器，见下图。 （3）交）交-直直-交电压型和电流型变频器比较交电压型和电流型变频器比较w1）无功能量的缓冲不同）无功能量的缓冲不同 w变频器带感性负载时，无功能量只能靠直流环节中滤波器的变频

25、器带感性负载时，无功能量只能靠直流环节中滤波器的储能元件来缓冲。电压型变频器用电容储能，而电流型变频储能元件来缓冲。电压型变频器用电容储能，而电流型变频器用电感储能。器用电感储能。w2 2）调速时的动态响应调速时的动态响应 w电流型变频器的直流电压可迅速改变，所以由它供电的调速电流型变频器的直流电压可迅速改变，所以由它供电的调速系统动态响应比较快，而电压型供电的系统动态响应慢。系统动态响应比较快，而电压型供电的系统动态响应慢。w3 3）适用范围适用范围 w 电压型变频器适用于多台电动机同步运行时的供电电源而不电压型变频器适用于多台电动机同步运行时的供电电源而不要求快速加减速的场合。电流型变频器

26、由于滤波电感的作用，要求快速加减速的场合。电流型变频器由于滤波电感的作用，对负载变化的反应迟缓，适合于单电机传动，但可以满足快对负载变化的反应迟缓，适合于单电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。速起制动和可逆运行的要求。w4）回馈制动）回馈制动 w电流型变频调速系统易实现回馈制动。当电流型变频调速系统易实现回馈制动。当UR工作在整流状态工作在整流状态（90，则电动，则电动机进入发电状态，且直流电压机进入发电状态，且直流电压Ud立即反向，而电流立即反向，而电流Id方向不方向不变。于是，逆变器变成整流器，而整流器变。于是，逆变器变成整流器，而整流器UR转入有源逆变状转入有源逆变状态，电能

27、由电机回馈给交流电网。如图态，电能由电机回馈给交流电网。如图b。w电压型变频调速系统要实现回馈制动却比较困难，因中间环电压型变频调速系统要实现回馈制动却比较困难，因中间环节大电容的电压极性不能反向，原装置无法实现回馈制动。节大电容的电压极性不能反向，原装置无法实现回馈制动。若要制动只有采用能耗制动或与可控整流器反并联设置另一若要制动只有采用能耗制动或与可控整流器反并联设置另一组反向整流器，并使其工作在有源逆变状态，以通过反向制组反向整流器，并使其工作在有源逆变状态，以通过反向制动电流，实现回馈制动。动电流，实现回馈制动。电流型变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态电流型变频调速系统的电动和回

28、馈制动两种运行状态 4.4 无源逆变（变频）电路的原理无源逆变（变频）电路的原理w无源逆变电路种类很多，最常见的有单相半桥逆变电路、无源逆变电路种类很多，最常见的有单相半桥逆变电路、单相全桥逆变电路、三相全桥逆变电路等，而这些电路又单相全桥逆变电路、三相全桥逆变电路等，而这些电路又各有电压和电流型两种形式。各有电压和电流型两种形式。 4.4.1 单相半桥逆变电路单相半桥逆变电路4.4.2 单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路半桥电路结构简单，所用管子比全桥少一半，相应减少了管半桥电路结构简单，所用管子比全桥少一半，相应减少了管压降损耗，但输出电压降低一半，若要获得相同的输出电压，压降损耗，但输出电

29、压降低一半，若要获得相同的输出电压，势必需要带中间抽头的势必需要带中间抽头的2Ud的直流电源；在实际应用中，全桥的直流电源；在实际应用中，全桥逆变电路更为普遍。电压型单相全桥逆变电路如下图逆变电路更为普遍。电压型单相全桥逆变电路如下图a所示。所示。 4.4.3 三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路w在需要大功率变换或负载要求三相电源时，可采用三相桥式在需要大功率变换或负载要求三相电源时，可采用三相桥式逆变电路，其主电路比单相全桥逆变电路多了一条桥臂。电逆变电路，其主电路比单相全桥逆变电路多了一条桥臂。电压型三相桥式逆变电路如下图所示，当对波形有较高要求时，压型三相桥式逆变电路如下图所示，当对波形有

30、较高要求时，可采用可采用PWM控制方法，以抑制较大的高次谐波。控制方法，以抑制较大的高次谐波。w三相桥式逆变电路主要有三相桥式逆变电路主要有180导电型的交导电型的交-直直-交电压型和交电压型和120导电型的交导电型的交-直直-交电流型变频器，下面以讨论晶闸管交电流型变频器，下面以讨论晶闸管交交-直直-交变频器为主。交变频器为主。2、180度导电型的交度导电型的交-直直-交电压型变频器交电压型变频器 （1）主电路组成）主电路组成 变频器的主电路由整流器、中间滤波电容及晶闸管逆变器变频器的主电路由整流器、中间滤波电容及晶闸管逆变器组成，下图是串联电感式电压型变频器逆变部分的电路，组成，下图是串联

31、电感式电压型变频器逆变部分的电路，图中只画出了电容滤波器及晶闸管逆变器部分。整流器可图中只画出了电容滤波器及晶闸管逆变器部分。整流器可采用单相或三相整流电路。采用单相或三相整流电路。Cd为滤波电容，逆变器中为滤波电容，逆变器中VT1VT6为主晶闸管，为主晶闸管，VD1VD6为反馈二极管，提供续流为反馈二极管，提供续流回路，回路，RU、RV、RW为衰减电阻，为衰减电阻，L1L6为换流电感，为换流电感，C1C6为换流电容，为换流电容，ZU、ZV、ZW为变频器的三相对称负载。为变频器的三相对称负载。w三相串联电感式电压型变频器逆变部分主电路三相串联电感式电压型变频器逆变部分主电路w该逆变器的该逆变器

32、的6个晶闸管按一定的导通规则通断，将滤波电个晶闸管按一定的导通规则通断，将滤波电容容Cd送来的直流电压送来的直流电压Ud逆变成频率可调的交流电。调压逆变成频率可调的交流电。调压靠前级的可控整流电路完成。靠前级的可控整流电路完成。 （2）晶闸管导通规则及输出波形分析）晶闸管导通规则及输出波形分析w逆变器中逆变器中6个晶闸管的导通顺序为个晶闸管的导通顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1，各晶闸管的触，各晶闸管的触发间隔为发间隔为60。电压型逆变器通常采用。电压型逆变器通常采用180导电型，即导电型，即每个晶闸管导通每个晶闸管导通180电角度后被关断，由同相的另一个电角度后被关断，由同相

33、的另一个晶闸管换流导通。每组晶闸管导电间隔为晶闸管换流导通。每组晶闸管导电间隔为120。按照每。按照每个晶闸管触发间隔为个晶闸管触发间隔为60，触发导通后维持，触发导通后维持180才被关才被关断的特征断的特征(180导电型导电型)，可以得到，可以得到6个晶闸管在个晶闸管在360区间区间里的导通情况，如下表所示。里的导通情况，如下表所示。（3）逆变器中晶闸管的导通情况（）逆变器中晶闸管的导通情况（180电压型）电压型）晶闸管晶闸管区间区间0060012001800240030003600VT1导通导通导通导通导通导通VT2导通导通导通导通导通导通VT3导通导通导通导通导通导通VT4导通导通导通导

34、通导通导通VT5导通导通导通导通导通导通VT6导通导通导通导通导通导通 （4）每个）每个60区间内的负载等效电路区间内的负载等效电路 dUWdVWUVdVdVWUWUUUUUZZZZUUUZZZZZUU3132/31/000dU00000000UWWUdWVVWdVUUVUUUUUUUUUUU（6）输出线电压）输出线电压（5）输出相电压）输出相电压（7）60120区间的相、线电压值区间的相、线电压值 dWdVdUUUUUUU313132000dWUVWdUVUUUUU0（8）逆变器相电压和线电压计算值（）逆变器相电压和线电压计算值（180电压型）电压型） （9）180逆变器输出的相电压、线电压

35、波形逆变器输出的相电压、线电压波形（10）相、线电压波形的有效值）相、线电压波形的有效值pldUVWUVWUVdUoWVUUUUtduUUUUtduUUU332213221202202000（11）180导电型逆变器工作规律总结：导电型逆变器工作规律总结：w 每个脉冲间隔每个脉冲间隔60区间内有区间内有3个晶闸管导通，它们分属个晶闸管导通，它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。于逆变桥的共阴极组和共阳极组。w 在在3个导通元件中，若属于同一组的有个导通元件中，若属于同一组的有2个元件，则元个元件，则元件所对应相的相电压为件所对应相的相电压为 ，另，另1个元件所对应相的相个元件所对应相的相电压为

36、电压为 。w共阳极组元件所对应相的相电压为正，共阴极组元件所共阳极组元件所对应相的相电压为正，共阴极组元件所对应相的相电压为负。对应相的相电压为负。w三个相电压相位互差三个相电压相位互差120；相电压之和为；相电压之和为0。w 线电压等于相电压之差；三个线电压相位互差线电压等于相电压之差；三个线电压相位互差120；线电压之和为线电压之和为0。w 线电压为线电压为 倍相电压。倍相电压。dU31dU3232、120度导电型的交度导电型的交-直直-交电流型变频器交电流型变频器 在在180导电型的电压型逆变器中，晶闸管的换流是在导电型的电压型逆变器中，晶闸管的换流是在同一相中进行的。有可能使直流电源发

37、生短路；另需同一相中进行的。有可能使直流电源发生短路；另需要外接换流衰减电阻、换流电感、换流电容等元件才要外接换流衰减电阻、换流电感、换流电容等元件才能完成换流，使得逆变器体积增加、成本提高、换流能完成换流，使得逆变器体积增加、成本提高、换流损耗加大。为此，引入损耗加大。为此，引入120导电型的电流型逆变器，导电型的电流型逆变器，该逆变器晶闸管的换流是在同一组中进行的，不存在该逆变器晶闸管的换流是在同一组中进行的，不存在电源短路问题，也不需要换流衰减电阻和换流电感等电源短路问题，也不需要换流衰减电阻和换流电感等元件。元件。 （1）120度度电流型变频器主电路组成电流型变频器主电路组成w输入端采

38、了可控整流，滤波电感输入端采了可控整流，滤波电感L将整流器的输出强制变将整流器的输出强制变成直流电流成直流电流Id。逆变器部分没有调压功能，只将。逆变器部分没有调压功能，只将6个晶闸个晶闸管按一定的导通规则通断，将电感管按一定的导通规则通断，将电感L送来的恒流送来的恒流Id逆变成逆变成频率可调的交流电。频率可调的交流电。（2）晶闸管导通规则及输出波形分析）晶闸管导通规则及输出波形分析w逆变器中逆变器中6个晶闸管的导通顺序为个晶闸管的导通顺序为wVT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1，各晶闸管的，各晶闸管的触发间隔为触发间隔为60。电流型逆变器通常采用。电流型逆变器通常采用120导电型，即导

39、电型，即每个晶闸管导通每个晶闸管导通120电角度后被关断，由同一组的另一个电角度后被关断，由同一组的另一个晶闸管换流导通。按照每个晶闸管触发间隔为晶闸管换流导通。按照每个晶闸管触发间隔为60，触发，触发导通后维持导通后维持120才被关断的特征才被关断的特征(120导电型导电型)，可以得到，可以得到6个晶闸管在个晶闸管在360区间里的导通情况，如下表所示。区间里的导通情况，如下表所示。（3）晶闸管的导通情况（）晶闸管的导通情况（120电流型）电流型） 晶闸管晶闸管 区间区间0060012001800240030003600VT1导通导通导通导通VT2导通导通导通导通VT3导通导通导通导通VT4导

40、通导通导通导通VT5导通导通导通导通VT6导通导通导通导通 （4） 每个每个 60区区 间间 内的内的 负负 载等效电载等效电 路路 （5）逆变器相电流计算值（）逆变器相电流计算值（120电流型）电流型） 相、线相、线电电 压压 区区 间间0060012001800240030003600IUNIdId0-Id-Id0IVN-Id0IdId0-IdIWN0-Id-Id0IdId（6） 120导电型逆变器输出的相电流波导电型逆变器输出的相电流波 （7）120导电型导电规律总结导电型导电规律总结 每个脉冲触发间隔每个脉冲触发间隔60内，有内，有2个晶闸管元件导通，它们个晶闸管元件导通，它们分属于逆

41、变桥的共阴极组和共阳极组。分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。 在在2个导通元件中，每个元件所对应相的相电流为个导通元件中，每个元件所对应相的相电流为Id。而。而不导通元件所对应相的电流为不导通元件所对应相的电流为0。 共阳极组中元件所通过的相电流为正，共阴极组元件所通共阳极组中元件所通过的相电流为正，共阴极组元件所通过的相电流为负。过的相电流为负。w 每个脉冲间隔每个脉冲间隔60内的相电流之和为内的相电流之和为0。4.5 正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)变频器变频器w脉宽调制（脉宽调制（PWM）技术是利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电）技术是利用全控型电力电子器件的导通和关断把

42、直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并消除谐波的技术。压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并消除谐波的技术。w目前，工程中主要采用的目前，工程中主要采用的PWM技术是正弦技术是正弦PWM（SPWM），这是因为变），这是因为变频器输出的电压或电流波形接近于正弦波形。频器输出的电压或电流波形接近于正弦波形。SPWM方案多种多样，归纳方案多种多样，归纳起来可分为电压正弦起来可分为电压正弦PWM 、电流正弦、电流正弦PWM和磁通正弦和磁通正弦PWM等三种基本等三种基本类型，其中电压正弦类型，其中电压正弦PWM和电流正弦和电流正弦PWM是从电源角度出发的是从电源角度出发的S

43、PWM ，磁通正弦磁通正弦PWM （也称为电压空间矢量（也称为电压空间矢量PWM ）是从电机角度出发的）是从电机角度出发的SPWM方法。方法。PWM型变频器的主要特点是：型变频器的主要特点是：w1）主电路只有一个可控功率环节，开关元件少，控制线路结构得以简化；）主电路只有一个可控功率环节，开关元件少，控制线路结构得以简化；w2）整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变器输出电压无关，基）整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变器输出电压无关，基本上接近于本上接近于1；w3）VVVF在同一环节实现，与中间储能元件无关，变频器的动态响应快；在同一环节实现，与中间储能元件无关，变频器的动态响

44、应快；w4）通过对）通过对PWM控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次谐波，实现接控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次谐波，实现接近正弦形的输出交流电压波形。近正弦形的输出交流电压波形。4.5.1 电压正弦脉宽调制的工作原理电压正弦脉宽调制的工作原理1、电压正弦脉宽调制原理、电压正弦脉宽调制原理（1）正弦脉宽调制原理）正弦脉宽调制原理正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM）波是与正弦波等效的一系列等幅）波是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波，如下图不等宽的矩形脉冲波，如下图a所示。等效的原则是每一所示。等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作区间的面积相等。如果把一个正弦

45、半波分作n等分，然后等分，然后把每一等分正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与之面把每一等分正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与之面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合，见图的中点与正弦波每一等分的中点相重合，见图b。这样，。这样，由由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周波形等效，称作半周波形等效，称作SPWM波形。波形。 电压正弦波脉宽调制电压正弦波脉宽调制(SPWM)波形波形 （2） SPWM变压变频器主电路原理图变压变频器主电路原理

46、图 （3）单极式）单极式SPWM波的形成波的形成 （4）正弦波与双极性三角波的调制）正弦波与双极性三角波的调制 （5）三相双极式正弦脉宽调制和）三相双极式正弦脉宽调制和SPWM波形波形 2、SPWM逆变器的同步调制和异步调制逆变器的同步调制和异步调制wSPWM逆变器有一个重要参数逆变器有一个重要参数载波比载波比N，它被定义为，它被定义为载波频率载波频率fc与调制波频率与调制波频率fr之比，用之比，用N表示表示，即即w w N=w视载波比的变化与否，有同步调制与异步调制之分。视载波比的变化与否，有同步调制与异步调制之分。rcffw（1）同步调制）同步调制w在改变在改变fr的同时成正比地改变的同时

47、成正比地改变fc，使载波比，使载波比N=常数。优点常数。优点是可以保证输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的，是可以保证输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的，如果取如果取N等于等于3的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形之间具负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形之间具有互差有互差120的对称关系。但是，当输出频率很低时，由的对称关系。但是，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声，这是同步调制

48、方式机产生较大的脉动转矩和较强的噪声，这是同步调制方式在低频时的主要缺点。在低频时的主要缺点。w（2）异步调制）异步调制w异步调制在整个变频范围内，载波比异步调制在整个变频范围内，载波比N不等于常数。不等于常数。在改变调制波频率在改变调制波频率fr时保持三角载波频率时保持三角载波频率fc不变，提高不变，提高了低频时的载波比。这样，输出电压半波内的矩形脉了低频时的载波比。这样，输出电压半波内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加，改善了系统的低频冲数可随输出频率的降低而增加，改善了系统的低频工作性能。但异步调制在改善低频工作性能的同时，工作性能。但异步调制在改善低频工作性能的同时，当载波比当载波比

49、N随着输出频率的降低而连续变化时，它不随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是可能总是3的倍数，必将使输出电压波形及其相位都发的倍数，必将使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电机生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电机工作不平稳。工作不平稳。 （3）分段同步调制）分段同步调制w为扬长避短，可将同步调制和异步调制结合起来，成为扬长避短，可将同步调制和异步调制结合起来，成为分段同步调制方式。为分段同步调制方式。w即在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形即在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点；当频率降低较多时，可使载波比对称的优点；当

50、频率降低较多时，可使载波比N分段分段有级地加大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同有级地加大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。具体地说，把整个变频范围划分成若干步调制方式。具体地说，把整个变频范围划分成若干频段，每个频段内都维持载波比频段，每个频段内都维持载波比N恒定，而对不同的恒定，而对不同的频段取不同的频段取不同的N值，频率低时，值，频率低时，N值取大些，一般大致值取大些，一般大致按等比级数安排。按等比级数安排。 3、SPWM的实现方法的实现方法 （1）自然采样法）自然采样法w自然采样法是按照正弦波与三角形波交点进行脉冲宽度与自然采样法是按照正弦波与三角形波交点进行脉冲宽度与

51、间隙时间的采样，从而生成间隙时间的采样，从而生成SPWM波形。具体是截取任意波形。具体是截取任意一段正弦波与三角载波的一个周期长度内的相交情况。一段正弦波与三角载波的一个周期长度内的相交情况。A点点为脉冲发生时刻，为脉冲发生时刻，B点为脉冲结束时刻，在三角波的一个周点为脉冲结束时刻，在三角波的一个周期期Tt内，内，t2为为SPWM波的高电平时间，称作脉宽时间，波的高电平时间，称作脉宽时间，t1与与t3则为低电平时间，称为间隙时间。显然则为低电平时间，称为间隙时间。显然Tt=t1+t2+t3。2B2Asin12/2sin12/2ttMTttMTststBA 222sinsin212 ttMTtttsst 自然采样法 规则采样法