第3章2直流-交流变换电路

第3章直流-交流变换电路本章要点有源逆变电路、有源逆变的条件、逆变失败与最小逆变角的限制；无源逆变电路、变频器概述；交-直-交变频器、电压型和电流型变频器、变频器180度和120度导电规则的原理与分析；SPWM变频（电压正弦PWM、电流正弦PWM、磁通正弦PWM）的原理与分析。3.1逆变的概念

逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。按负载性质的不同，逆变分为有源逆变和无源逆变。1）有源逆变——可控整流电路工作在逆变状态，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的交流电返送到电源。2）无源逆变或变频——可控整流电路的交流侧不与电源联接，而直接接到无源负载。

3.2有源逆变电路

3.2.1单相双半波有源逆变电路1、电路结构

图3-1单相全波变流装置（a）单相全波整流电路

（b）

单相全波逆变电路

2、工作原理1）整流状态（0≤α﹤90°）当α等于零时，输出电压瞬时值ud在整个周期内全部为正；当90°>α>0时，ud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Ud为正值，其极性是上正下负，如上图a。通常Ud略大于E，此时电流Id从Ud的正端流出，从E的正端流进。电机M吸收电能，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，电路工作在整流状态，电机M工作在电动状态。2）逆变状态（90°﹤α≤180°）逆变是将电机吸收的直流电能转变成交流反馈回电网。由于晶闸管的单向导电性，负载电流Id不能改变方向，只有将E反向，即电机作发电运行才能回馈电能；为避免Ud与E顺接，此时将Ud的极性也反过来，如上图b示。要使Ud反向，α应该大于90°。当α在90°﹤α≤180°间变动时，输出电压瞬时值ud在整个周期内有正有负，但负面积大于正面积，故平均值Ud为负值，见上图b所示。此时E略大于Ud，电流Id的流向是从E的正端流出，从Ud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，这就是该电路的有源逆变状态。

（a）α=60°的整流状态（b）α=120°的逆变状态单相双半波电路α=60°的整流和α=120°的逆变时的仿真波形要使整流电路工作在逆变状态，必须满足两个条件：1）变流器的输出Ud能够改变极性（内部条件）。由于晶闸管的单向导电性，电流Id不能改变方向，为实现有源逆变，必须改变Ud的极性。即让变流器的控制角α＞90°即可。2）须有外接的提供直流电能的电源E。E也要能改变极性，且有（外部条件）。3、逆变角β逆变状态时的控制角称为逆变角β，规定以α=π处作为计量β角的起点，大小由计量起点向左计算。满足如下关系：3.2.2逆变失败与最小逆变角的限制

1、逆变失败

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管电路形成短路，使变流器的输出平均电压Ud和直流电动势E变成顺向串联，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败，或称为逆变颠覆。造成逆变失败的原因：（1）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。（2）晶闸管发生故障。器件失去阻断能力，或器件不能导通。（3）交流电源异常。在逆变工作时，电源发生缺相或突然消失而造成逆变失败。（4）换相裕量角不足，引起换相失败。应考虑变压器漏抗引起的换相重叠角、晶闸管关断时间等因素的影响。

交流侧电抗对逆变换相过程的影响图3-3

2、最小逆变角β确定的方法

最小逆变角β的大小要考虑以下因素：1）换相重叠角γ。此值与电路形式、工作电流大小、触发角大小有关。即根据α=π-β，设β=γ，则：2）晶闸管关断时间tq所对应的电角度δ。折算后的电角度约4度～5度；

3）安全裕量角θ′。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θ′为10度左右。综上所述，最小逆变角为：

为了可靠防止β进入βmin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β在减小时不能进入βmin区内.（或在βmin处设置产生附加安全脉冲的装置，万一当工作脉冲进入βmin区内时，由安全脉冲在βmin处触发晶闸管），防止逆变失败。LIU例如图所示单相桥式变流电路，U2＝220V，E＝120V，R＝2Ω，当β＝60°时能否实现有源逆变？若能，电动机的制动电流为多大?解

︱E︱>︱Ud︱，且两个电压同极性相接，方向与晶闸管导通方向一致；满足外部条件。β＝60°＜90°。满足内部条件。即满足有源逆变实现的条件。电动机的制动电流为：

3.2.3有源逆变的应用——两组晶闸管反并联时电动机的可逆运行下图为两组晶闸管反并联电路的框图。设P为正组，N为反组，电路有四种工作状态。

（1）正组整流上左图为正组整流工作状态。设P在控制角α作用下输出整流电压Udα，加于电动机M使其正转。当P组处于整流工作状态时，反组N不能也工作在整流状态，否则会使电流Id1不经过负载M，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。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N组由逆变角β控制处于逆变状态但无逆变电流。要做到这一点，可使。这样，正组P的平均电流供电动机正转，反组N处于待逆变状态。由于，故没有平均电流流过反组，不产生真正的逆变。（2）反组逆变当要求正向制动时，流过电动机M的电流Id必须反向才能得到制动力矩，由于晶闸管的单向导电性，这只有利用反组N的逆变。为此，只要降低且使，则N组产生逆变，流过电流Id2，电机电流Id反向，反组有源逆变将电势能E通过反组N送回电网，实现回馈制动。（3）反组整流N组整流，使电动机反转，其过程与正组整流类似。（4）正组逆变P组逆变，产生反向制动转矩，其过程与组反逆变类似。反并联可逆电路四象限运行LIU

整流逆变逆变整流正转反转第一象限：正转，电动机运行，Ⅰ组工作在整流状态，αⅠ＜90°，E＜UdⅠ；第二象限：正转，发电机运行，Ⅱ组工作在逆变状态，βⅡ＜90°，E＞UdⅡ；第三象限：反转，电动机运行，Ⅱ组工作在整流状态，αⅡ＜90°，E＜UdⅠ；第四象限：反转，发电机运行，Ⅰ组工作在逆变状态，βⅠ＜90°，E＞UdⅡ。3.3无源逆变（变频）电路

3.3.1变频器概述

将电网提供的恒压恒频CVCF(ConstantVoltageConstantFrequency)交流电变换为变压变频VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)交流电供给负载”的过程称为变频，实现变频的装置叫变频器。

变频器：交-交变频器

交-直-交变频器

1)、交-交变频器(nobook)工频交流电直接变换成不同频率交流电，不通过中间直流环节，又称直接变频器或周波变换器（Cycleconverter）。基本结构和工作原理单相交-交变频电路由两组反并联的晶闸管整流器构成。2)、交-直-交变频器(nobook)

交-直-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，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。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。(1）用可控整流器调压、用逆变器调频

输入：晶闸管可控整流，功率因数低；

输出：晶闸管三相六拍逆变器，输出谐波较大。(2）用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频

输入：不可控整流器，只整流不调压，斩波器脉宽调压，输入功率因数高；

输出：逆变环节谐波较大。(3）用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器调压调频

输入：不可控整流器，输入功率因数高；

输出：用PWM逆变，则输出谐波可以减少。输出波形非常逼近正弦波。1、电压型、电流型交-直-交变频器比较P141根据交-直-交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-直-交变频器分为电压型变频器和电流型变频器两大类。电压型变频器：中间直流环节采用电容滤波元件。电流型变频器：中间直流环节采用电感滤波元件。（1）交-直-交电压型变频器直流环节：大电容，输出电压波形平直（矩形或阶梯波）-----恒压源性质-----电压型变频器；采用二极管整流，输出采用GTR的六拍逆变。图3-5（2）交-直-交电流型变频器直流环节：大电感，输出电流平直（矩形波或阶梯波）-----恒流源性质-----电流型变频器。

（3）交-直-交电压型和电流型变频器比较1）无功能量的缓冲电压型：电容储能；电流型：电感储能。2）调速时的动态响应电流型：直流电压可迅速改变，动态响应比较快；电压型：直流电压不可改变，动态响应慢。3）适用范围电压型：多电机同步运行，不可快速加减速。电流型：单电机传动，可快速起制动和可逆运行。4）回馈制动电流型变频器-----电动：UR整流α<90°、CSI逆变，如图a所示；回馈制动：UR有源逆变α>90°，Ud反向，CSI整流，电机发电，电流Id方向不变。如图b。电压型变频器——电动：与上同；制动：电容电压极性不能反向，无法回馈制动。只可用能耗制动或反并联另一组反向整流器，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

3.3.2无源逆变（变频）电路的原理1、单相半桥逆变电路

图3-82、单相全桥逆变电路

图3-93、三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路如下图所示。三相桥式逆变电路：180°导电型交-直-交电压型120°导电型交-直-交电流型图3-103.3.3180度导电型的交-直-交电压型变频器6个晶闸管按一定的规则通断，将Cd送来的直流电压Ud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。1、主电路组成图3-11主电路=整流器+滤波电容+晶闸管逆变器整流器：单相或三相整流电路。滤波电容：Cd。逆变器：VT1~VT6主晶闸管；VD1~VD6续流二极管；RU、RV、RW为衰减电阻；L1~L6为换流电感；C1~C6为换流电容；ZU、ZV、

ZW三相对称负载。2、晶闸管导通规则及输出波形分析逆变器一个周期中：（1）6个晶闸管的导通顺序为：VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1，则各晶闸管的触发间隔为60°。（2）每组晶闸管触发间隔为120°。每相晶闸管触发间隔为180°。（3）按顺序，晶闸管触发间隔为60°，每个晶闸管维持导通180°后关断(180°导电型)。6个晶闸管在360°区间里的导通情况如下表。（1）逆变器中晶闸管的导通情况（180°电压型）晶闸管区间00~600~1200~1800~2400~3000~3600VT1导通导通导通╳╳╳VT2╳导通导通导通╳╳VT3╳╳导通导通导通╳VT4╳╳╳导通导通导通VT5导通╳╳╳导通导通VT6导通导通╳╳╳导通

（2）每个60°区间内的负载等效电路

图3-12（4）输出线电压（3）输出相电压（5）60°~120°区间的相、线电压值

（6）逆变器相电压和线电压计算值（180°电压型）

（7）180°逆变器输出的相电压、线电压波形图3-13（8）相、线电压波形的有效值（10）180°导电型逆变器工作规律总结①每个脉冲间隔60°区间内有3个晶闸管导通，它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。②在3个导通元件中，若属于同一组的有2个元件，则元件所对应相的相电压为，另1个元件所对应相的相电压为。③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。④三个相电压相位互差120°；相电压之和为0。⑤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0。⑥线电压为倍相电压。3.3.4、120度导电型的交-直-交电流型变频器

180°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生短路。为此，引入120°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，不存在电源短路问题。1、主电路的组成输入端可控整流，滤波电感L将输出强制变成直流电流Id。逆变器没有调压功能，只将6个晶闸管按一定的规则通断，将电感L送来的恒流Id逆变成频率可调的交流电。图3-15主电路=整流器+滤波电感+晶闸管逆变器整流器：单相或三相整流电路。滤波电感：Ld。逆变器：VT1~VT6主晶闸管；VD1~VD6隔离二极管；C13、C35、C51、C46、C62、C24为换流电容；电动机的电感和换流电容组成换流电路。2、晶闸管导通规则及输出波形分析1）逆变器中6个晶闸管的导通顺序为：VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1，各晶闸管的触发间隔为60°。2）每个晶闸管导通120°电角度后被关断，由同一组的另一个晶闸管换流导通。3）按照每个晶闸管触发间隔为60°，触发导通后维持120°才被关断的特征(120°导电型)，可以得到6个晶闸管在360°区间里的导通情况如下表。（1）晶闸管的导通情况（120°电流型）

p149晶闸管区间00~600~1200~1800~2400~3000~3600VT1导通导通╳╳╳╳VT2╳导通导通╳╳╳VT3╳╳导通导通╳╳VT4╳╳╳导通导通╳VT5╳╳╳╳导通导通VT6导通╳╳╳╳导通

（2）每个60°区间内的负载等效电路p150图3-16（3）逆变器相电流计算值（120°电流型）

区间相、线电流00~600~1200~1800~2400~3000~3600IUNIdId0-Id-Id0IVN-Id0IdId0-IdIWN0-Id-Id0IdId（4）120°导电型逆变器输出的相电流波

图3-17（5）120°导电型导电规律总结①每个脉冲触发间隔60°内，有2个晶闸管元件导通，它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。②在2个导通元件中，每个元件所对应相的相电流为Id。而不导通元件所对应相的电流为0。③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。④每个脉冲间隔60°内的相电流之和为0。交-直-交变频器(nobook)

交-直-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，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。

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。3.4正弦波脉宽调制(SPWM)变频器(1）用可控整流器调压、用逆变器调频

输入：晶闸管可控整流，功率因数低；

输出：晶闸管三相六拍逆变器，输出谐波较大。(2）用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频

输入：不可控整流器，只整流不调压，斩波器脉宽调压，输入功率因数高；

输出：逆变环节谐波较大。(3）用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器调压调频

输入：不可控整流器，输入功率因数高；

输出：用PWM逆变，则输出谐波可以减少。输出波形非常逼近正弦波。3.4正弦波脉宽调制(SPWM)变频器脉宽调制（PWM）技术——利用全控型器件的导通和关断，把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频并消除谐波的技术。正弦PWM（SPWM）——输出的电压或电流波形接近于正弦波形。SPWM可分为——电压SPWM、电流SPWM和磁通SPWM等，其中电压SPWM和电流SPWM是从电源角度出发的SPWM，磁通SPWM（电压空间矢量PWM）是从电机角度出发的SPWM方法。PWM型变频器的主要特点是：1）主电路只有一个可控功率环节，开关元件少，控制线路结构简单；2）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1；3）VVVF在同一环节实现，与中间储能元件无关，动态响应快；4）通过对PWM控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次谐波，实现接近正弦形的输出交流电压波形。1、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（SPWM）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a所示。

等效的原则是每一区间的面积相等。也就是把一个正弦半波分作n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b。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半周波形等效，称作SPWM波形。

电压正弦波脉宽调制(SPWM)波形

图3-19（2）SPWM变压变频器主电路原理图

图3-20（3）单极式SPWM波的形成

图3-21图3-22

（4）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SPWM波形

图3-232、SPWM逆变器的同步调制和异步调制SPWM逆变器有一个重要参数——载波比N，它被定义为载波频率fc与调制波频率fr之比，用N表示，即

N=视载波比的变化与否，有同步调制与异步调制之分。（1）同步调制在改变fr的同时成正比地改变fc，使载波比N=常数。优点——可保证输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的，如果取N等于3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有互差120°的对称关系。缺点——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，使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。（2）异步调制在整个变频范围内载波比N不等于常数。在改变调制波频率fr时保持三角载波频率fc不变，提高了低频时的载波比。优点——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，改善了系统的低频工作性能。缺点——在改善低频工作性能的同时，当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3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，因而引起电机工作不平稳。

（3）分段同步调制分段同步调制是将同步调制和异步调制结合起来。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N分段有级地加大，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频段，每个频段内都维持载波比N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N值取大些，一般大致按等比级数安排。3、SPWM的实现方法

（1）自然采样法自然采样法是按照正弦波与三角形波交点进行脉冲宽度