机车电力电子技术 课件 第4章 直-交逆变电路

1.升压斩波电路复习提问3.斩波电路的工作原理2.二象限斩波器第4章直-交逆变电路电机供电控制三相交流永磁同步电机问题提出：新能源汽车动力电池为直流电源，电机为三相交流变压变频电机，电源和负载之间需要什么样的设备才能完成变压变频控制呢？动力电池包（直流电）新课引入驱动电机汽车工况控制驱动电机控制三相交流电控制（幅值、频率、相位、相序）1.逆变概述2.电压型全桥逆变器3.电压型三相桥式逆变器4.脉宽调制控制电路第4章直—交逆变电路1.逆变分类2.逆变器组成3.逆变器分类4.逆变器的基本原理重点难点4-1认知逆变电路概述一、逆变的分类

1.有源逆变把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去，称之为有源逆变。4-1认知逆变电路概述

2无源逆变把直流电变换为交流电能后，直接向非电源负载供电的电路。4-1认知逆变电路概述一、逆变的分类

2无源逆变（VVVF电源）变压变频逆变器无源逆变电路简称逆变器。（CVCF电源）定压定频逆变器电机逆变器为（VVVF）HXD3机车辅助逆变器泵类负载为CVCF逆变器，风机类负载为VVVF逆变器。5-1认知逆变电路概述一、逆变的分类

3.变频器（变流器）

交-交变频器交-直-交变流器优点：能量可以双向流动，可实现牵引或再生制动及电阻制动；转矩脉动小；功率因数可接近于±1，容易实现三相异步电动机所要求的恒转矩控制。（采用适当的PWM技术）4-1认知逆变电路概述二、逆变器的组成①主电路，包括电力电子器件、缓冲电路、构成电路的导线及相关控制电器；电网用电装置主电路驱动电路反馈信号参考值输入输出控制电路4-1认知逆变电路概述②电力电子器件的门极控制与驱动电路；③控制电路，实现逆变器的调压、调频或稳压及通信等功能，通常由微处理器、模拟电子电路及数字电子电路等组成。三、逆变器的分类1.根据逆变器直流环节的性质分：①电压型逆变器采用大电容作Cd为储能和滤波元件的逆变器，Cd的存在是为了保证直流环节电压稳定，因此也称为支撑电容，直流环节相当于电压源。②电流型逆变器采用大电感Ld作为储能和滤波元件，Ld设置为了使直流环节电流保持恒定，直流环节相当于电流源。4-1认知逆变电路概述三、逆变器的分类2.根据逆变器主电路结构不同可分为单相逆变器、三相逆变器；半桥逆变器全桥逆变器；二电平逆变器、三电平逆变器、多电平逆变器等。3.逆变器按所用电力电子器件可分为半控型和全控型。4.按元器件导通角度可分为180°导通型和120°导通型两种。5.根据逆变器输出电压和频率的控制方法的不同可分为以下三种：①脉冲宽度调制（PWM），用此方法的逆变器称为PWM逆变器，目前应用最广泛。②脉冲幅值调制（PAM），用此方法的逆变器称为PAM逆变器。③方波逆变器或阶梯波逆变器，这是最基本、控制最简单的逆变器。4-1认知逆变电路概述怎样设计电路才能输出负压呢？uoOtUd－Udt1t2t3TOUdt直流电压直流电电压脉冲交流电（矩形波）斩波电路逆变电路+RUd_SuouoOtUdtontoffTUo+Ud_RuoS1S2S3S44-1认知逆变电路概述（1）S1、S4

闭合，S2、S3断开，R上电压左正右负，UO=Ud；

电路原理图＋－四、逆变器的基本原理uoOtUd－Ud电压波形

Udtt1t2t3（2）S2、S3

闭合，S1、S4断开，R上电压左负右正，UO=－Ud。输入为直流电，输出为矩形波交流电，电压一个周期内，前半周为正，后半周为负。T☞4-1认知逆变电路概述高速开关IGBT

电路原理图方波交变电压＋－四、逆变器的基本原理uoOtUd－Ud电压波形

Udtt1t2t3

结论：当以频率f交替切换S1、S4和S2、S3时，负载获得交变电压，其波形如图所示。切换周期T=1/f，这样，就将直流电压Ud变换成交流电压uo。开关S1～S4是由电力电子器件构成的电子开关，通常为全控型器件IGBT。T直流电压4-1认知逆变电路概述开关的切换频率即为交流电的频率☞小结1.逆变分类；2.逆变器组成；3.逆变器分类；4.逆变器的基本原理。4-1认知逆变电路概述uoOtUd－UdUdtt1t2t3T辽宁铁道职业技术学院铁道机车学院谢谢大家！再见机车教研室|铁道机车教学团队变频变压调速三相交流电机调速控制问题提出：新能源汽车动力电池为直流电源，电机为三相交流变压变频电机，电源和负载之间需要什么样的设备才能完成变压变频控制呢？动力电池包（直流电）新课引入驱动电机3.三相异步牵引电动机为何要采用变频变压调速？知识准备

改变定子频率即可改变电机转速，随着定子频率的增加，电机转速相应增加，如果电压不增加，将导致电机磁场减弱；另一方面，低频起动时，如果电压很高时，将导致电机过分饱和。因此异步变频时，电压也应在一定范围内保持一定比例的变化。所以三相牵引电动机要采用变频变压调速。知识准备1.直流牵引电机2.交流牵引电机（三相）调压调速变频调速1.交-直-交变频器的优点：优点：能量可以双向流动，可实现牵引或再生制动及电阻制动；转矩脉动小；功率因数可接近于±1，容易实现三相异步电动机所要求的恒转矩控制。2.变频器的类型（中间直流环节的性质）：

电压型逆变器

电流型逆变器复习提问3.根据逆变器输出电压和频率的控制方法的不同可分为以下三种4.分析逆变器的工作原理①脉冲宽度调制（PWM）；②脉冲幅值调制（PAM）；③方波逆变器或阶梯波逆变器。当以频率f交替切换S1、S4和S2、S3时，负载获得交变电压，交变电压频率为开关切换频率。复习提问3000W逆变器，6000W峰值输出；

DC

输入：12V

/

24V，AC

输出：110V

/

220V

/

240V

；1.单相全桥逆变器结构、原理、输出波形2.三相桥式逆变器结构、原理、输出波形新课引入重点、难点逆变器技术数据+Ud_S1S2S3S4Ruo_+问题提出：实际电路开关是什么样的电力电子器件？4-2电压型逆变器+Ud_VT1Ruo_+VT3VT2VT41.单相全桥逆变器(阻性负载）输出电压波形问题：感性负载，电流连续咋办？一、电压型单相全桥逆变器负载为纯电阻，负载电流波形怎样？开关元件为IGBT，储能元件为电容4-2电压型逆变器uoOtUdUdtt1t2t3TOtt1t2t3Tio输出电流波形一、电压型单相全桥逆变器（1）电路结构2.单相全桥逆变器(感性负载）+Ud_VT1Zuo_+VT3VT2VT4释放无功能量加二极管续流感性负载，电流连续开关切换电压由正变负电流不同步变化电流连续不能突变4-2电压型逆变器一、电压型单相全桥逆变器C储能电容，Z感性负载，四个桥臂.（1）电路结构2.单相全桥逆变器(感性负载）感性负载电流波形怎样？全桥IGBT4-2电压型逆变器（2）工作原理uoOtVT1VT4正半周，输出电压为Ud，t1~t2段，电源向负载供电，电流由0增大到最大值。Ud－UdT

/2T

输出电压波形输入电压波形UdOuoVT2VT3i

tt1t2t3t4iot5输出电流波形t一、电压型单相全桥逆变器2.单相全桥逆变器(感性负载）4-2电压型逆变器uoOtVT1VT4Ud－UdT

/2T

输出电压波形输入电压波形UdOuoVT2VT3i

tt1t2t3t4iot5输出电流波形t负半周，输出电压为﹣Ud，t2~t3段，电流由最大减小到0，负载向电容反馈电能。（2）工作原理2.单相全桥逆变器(感性负载）一、电压型单相全桥逆变器4-2电压型逆变器uoOtVT1VT4Ud－UdT

/2T

输出电压波形输入电压波形UdOuoVT1VT4VT2VT3i

tt1t2t3t4iot5输出电流波形t负半周，输出电压为﹣Ud，t3~t4段，电流由0增加到反向最大，电源向负载供电。（2）工作原理2.单相全桥逆变器(感性负载）一、电压型单相全桥逆变器4-2电压型逆变器uoOtVT1VT4Ud－UdT

/2T

输出电压波形输入电压波形UdOuoVT1VT4VT2VT3i

tt1t2t3t4iot5输出电流波形正半周，输出电压为Ud，t4~t5段，电流反向最大减小到0，负载向电容反馈电能。（2）工作原理2.单相全桥逆变器(感性负载）一、电压型单相全桥逆变器4-2电压型逆变器基波分量的有效值为：（2）数值关系2.单相全桥逆变器(感性负载）一、电压型单相全桥逆变器4-2电压型逆变器uoOtUd－UdUdtt1t2t3T小结（单相全桥逆变器）VT开关管，VD续流二极管。电容C为支撑电容，起着缓冲无功能量的作用。2.波形输入直流电，输出矩形波交流电压，幅值和电源电压相等。感性负载时电流波形近似为锯齿波。频率为开关切换频率。1.电路3.数值关系方波逆变器一、电压型单相全桥逆变器4-2电压型逆变器问题提出：单相逆变电路结构已经学过，三相电路结构如何设计呢？交流变频电机情境建立4-2电压型逆变器二、电压型三相桥式逆变器1.电路结构3个半桥组成。

VT1~VT6为IGBT，

VD1~VD6为续流二极管，直流侧接有两个相互串联的足够大的电容。三相对称负载星型连接。最基本的逆变器，可分为180°导通型和120°导通型。A相B相C相4-2电压型逆变器

2.开关管的控制（规律）

每个开关管驱动信号持续180°，同一相上下两个管子交替导通（先断后通），任何时刻有三个管子导通。一个周期内，6个管子触发导通次序为VT1~VT6，导通的组合顺序为:VT1VT2VT3VT2VT3VT4VT3VT4VT5VT4VT5VT6VT5VT6VT1VT6VT1VT2每种组合工作60°电角度。讨论：每种组合电流路径。VT1VT2VT3导通时电流路径二、电压型三相桥式逆变器4-2电压型逆变器3.输出电压波形负载相电压为180°正负对称的阶梯波，又称为六拍阶梯波；接近正弦波。相位差120°。为三相对称交流电。uanOOOubnucnωtωtωt二、电压型三相桥式逆变器4-2电压型逆变器3.输出电压波形VT1VT2VT3导通等效电路：zazbzc+－n波形分析：相电压uanUd/3ubnUd/3ucn-2Ud/3uanOOOubnucnωtωtωt二、电压型三相桥式逆变器4-2电压型逆变器3.输出电压波形负载线电压为120°正负对称的矩形波；相位差120°。为三相对称交流电。uabOOOubcucaωtωtωt波形分析：线电压uab0ubcUduca-Ud相电压uanUd/3ubnUd/3ucn-2Ud/3二、电压型三相桥式逆变器4-2电压型逆变器4.频率、相序控制

改变逆变桥开关管的触发频率或者触发顺序，则能改变输出电压的频率及相序，从而实现电动机的变频调速与正反转。uanOOOubnucnωtωtωtT

二、电压型三相桥式逆变器4-2电压型逆变器改变三相交流电的相序电机旋转磁场转向改变电机转子旋转方向改变5.电压型逆变器特点：①直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。②由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形接近三角波或接近正弦波。③当交流侧为电感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各逆变臂都并联了续流二极管。

二、电压型三相桥式逆变器4-2电压型逆变器5.电压型逆变器特点：④逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。

⑤当用于交-直-交变频器中且负载为电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，所以只能改变直流电流的方向来实现，现在通常采用四象限脉冲整流器。二、电压型三相桥式逆变器4-2电压型逆变器电压型三相桥式逆变器1.电路2.开关管的控制4.频率、相序控制5.电压型逆变器特点4-2电压型逆变器电压型单相桥式逆变器归纳总结3.输出电压复习提问1.电压型单相桥式逆变电路、波形2.电压型三相桥式逆变电路、波形输出波形为方波交流电，频率为开关切换频率。负载相电压为180°正负对称的阶梯波，又称为六拍阶梯波；接近正弦波。相位差120°。为三相对称交流电。负载线电压为120°正负对称的矩形波；相位差120°。为三相对称交流电。复习提问3.电压型三相桥式逆变器输出电压波形频率和相序控制。改变逆变桥开关管的触发频率或者触发顺序，则能改变输出电压的频率及相序，从而实现电动机的变频调速与正反转。问题提出：1.如何控制逆变器使其输出的相电压为正弦波？2.如何控制逆变器能调节输出电压的大小？

电压型三相桥式逆变器输出相电压三相对称，波形为六拍阶梯波，而交流牵引电机需要的是三相对称正弦交流电，且为变压变频的调速的电机。一、脉宽调制技术概念、原理二、SPWM控制脉冲的生成方法1.模拟电路生成2专用集成芯片生成4-3认知脉宽调制控制电路

正弦波（调制波）

三角波（载波）比较器一、脉宽调制技术概念、原理1.脉宽调制技术：

指利用全控电力电子器件的接通和关断把直流电压变换成一定形状的交流电压脉冲序列（等效为正弦波），实现变压、变频（VVVF）控制并消除谐波的技术，简称PWM技术。思考：电压脉冲序列为什么能够等效为正弦交流电？电压脉冲序列4-3认知脉宽调制控制电路2.基本原理（面积等效性原理）形状不同而冲量相同的各种窄脉冲冲量（脉冲面积）相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其输出响应（作用效果）基本相同。一、脉宽调制技术概念、原理4-3认知脉宽调制控制电路3.正弦波脉宽调制原理：4.PWM波形：等幅不等宽的有序矩形脉冲序列。等宽不等幅等幅不等宽

5.SPWM波形：脉冲宽度按正弦波规律变化的PWM波形。一、脉宽调制技术概念、原理正弦波电压电压脉冲序列

把逆变器输出电压幅值控制转换为脉冲宽度控制。4-3认知脉宽调制控制电路（1）单极性：在正弦波任何半个周期内，波形始终为一个极性的SPWM波形。（2）双极性：在正弦波任何半个周期内，波形始终有正负两种极性的SPWM波形。6.SPWM波形分类一、脉宽调制技术概念、原理特点：三个电平特点：两个电平4-3认知脉宽调制控制电路二、SPWM波形生成单相桥式PWM逆变电路SPWM波方法：计算法、调制法开关控制规律4-3认知脉宽调制控制电路调制法：以所期望的波形（正弦波）作为调制波（ur），以接受这个调制波的信号作为载波（uc），利用二者的交点确定确定SPWM各段波形的宽度与间隔，就得到与正弦波等效面积的PWM波形。二、SPWM波形生成4-3认知脉宽调制控制电路调制波载波

调制波与载波的交点时刻，作为功率器件的开通、关断控制时刻。1.单极性SPWM波的生成（调制法）

讨论：PWM控制技术中逆变器输出电压和输出频率如何调节？单极性单极性SPWM波ur

>

uc

,控制开关管，输出﹢Ud正半周交点间：ur

<uc，控制开关管，输出0电平二、SPWM波形生成4-3认知脉宽调制控制电路

调压调频控制方法（控制调制波）：

调制波的幅值可以使输出脉冲宽度作相应的变化，这能改变逆变器输出电压的基波幅值，从而实现对输出电压的平滑调节；改变调制信号的频率则可以改变输出电压的频率，因此SPWM逆变器非常适用于交流变频调速系统。二、SPWM波形生成4-3认知脉宽调制控制电路2.双极性SPWM波的生成（调制法）双极性ur

>uc，控制开关管，输出﹢Ud

uc

>

ur，控制开关管，输出﹣Ud双极性SPWM波正负半周控制规律相同。二、SPWM波形生成4-3认知脉宽调制控制电路3.双极性三相SPWM波形生成（调制法）双极性三相SPWM波二、SPWM波形生成一般是共用一个三角波为载波，三相相位差为120°的正弦波为调制波，分别为uru、urv、urw，前三个为相电压的波形，最后一个为线电压波形。4-3认知脉宽调