直流-交流变换电路教学教材.ppt

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1、直流-交流变换电路4.2 有源逆变电路有源逆变电路4.2.1 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（0 90）w当当等等于于零零时时，输输出出电电压压瞬瞬时时值值ud在在整整个个周周期期内内全全部部为为正正；当当900时时，ud在在整整个个周周期期内内有有正正有有负负，但但正正面面积积总总是是大大于于负负面面积积，故故平平均均值值Ud为为正正值值，其其极极性性是是上上正正下下负负，如如上上图图a。通通常常Ud略略大大于于E，此此时时电电流流Id从从Ud的的正正端端流流出出，从从E的的正正端端流流进进。电电机机

2、M吸吸收收电电能能，作作电电动动运运行行，电电路路把把从从交交流流电电网网吸吸收收的的电电能能转转变变成成直直流流电电能能输输送送给给电电动动机机，电电路路工工作在整流状态，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（90 180）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由由于于晶晶闸闸管管的的单单向向导导电电性性，负负载载电电流流Id不不能能改改变变方方向向，只只有有将将E反反向向，即即电电机机作作发发电电运运行行才才能能回回馈馈电电能能；为为避避免免Ud与与E顺顺接接，此此时时将将Ud的的极极

3、性性也也反反过过来来，如如上上图图b示示。要要使使Ud反反向向，应该大于应该大于90。w当当在在90180间间变变动动时时，输输出出电电压压瞬瞬时时值值ud在在整整个个周周期期内内有有正正有有负负，但但负负面面积积大大于于正正面面积积，故故平平均均值值Ud为为负负值值，见见上上图图b所所示示。此此时时E略略大大于于Ud，电电流流Id的的流流向向是是从从E的的正正端端流流出出，从从Ud的的正正端端流流入入，逆逆变变电电路路吸吸收收从从电电机机反反送送来来的的直直流流电电能能，并并将将其其转转变变成成交交流流电电能能反反馈馈回回电电网网，这这就就是是该该电电路的有源逆变状态。路的有源逆变状态。w要

4、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为逆

5、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：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可可控控整整流流电电路路运运行行在在逆逆变变状状态态时时，一一旦旦发发生生换换相相失失败败，电电路路又又重重新新工工作作在在整整流流状状态态，外外接接的的直直流流电电源源就就会会通通过过晶晶闸闸管管电电路路形形成成短短路路，使使变变流流器器的的输输出出平平均均电电压压Ud和和直直流流电电动动势势E变变成成顺顺向向串串联联，由由于于变变流流电电路路的的内内阻阻很很小小，将

6、将出出现现很很大大的的短短路路电电流流流流过过晶晶闸闸管管和和负负载载，这这种种情情况况称称为为逆逆变变失失败败，或称为逆变颠覆。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）触触发发电电路路工工作作不不可可靠靠。不不能能适适时时、准准确确地地给给各各晶晶闸闸管分配触发脉冲，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）晶晶闸闸管管发发生生故故障障。器器件件失失去去阻阻断断能能力力，或或器器件件不不能能导通。导通。（3）交交流流电电源源异异常常。在在逆逆变变工工作作时时，电电源源发发生生缺缺相相或或突突然消失而造成逆变失败。然消失而造成逆变失败。（

7、4）换换相相裕裕量量角角不不足足，引引起起换换相相失失败败。应应考考虑虑变变压压器器漏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）换换相相重重叠叠角角。此此值值与与电电路路形形式式、工工作作电电流流大大小小、触触发发角大小有关。即角大小有关。即 根据根据=-，设，设=，则则：（2）晶晶闸闸管管关关断断时时间间 tq 所所对对应应的的电电角角度度。折折算算后后的的电电角角度度约约4度度5度；度；（

8、3）安安全全裕裕量量角角。考考虑虑到到脉脉冲冲调调整整时时不不对对称称、电电网网波波动动、畸畸变变与与温温度度等等影影响响，还还必必须须留留一一个个安安全全裕裕量量角角，一一般般取取为为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为为了了可可靠靠防防止止进进入入min区区内内，在在要要求求较较高高的的场场合合，可可在在触触发发电电路路中中加加一一套套保保护护线线路路，使使在在减减小小时时不不能能进进入入min区区内内，或或在在min处处设设置置产产生生附附加加安安全全脉脉冲冲的的装装置置，万万一一当当工工作作脉脉冲冲进进入入min区区内内时时，由由安安全全脉脉冲

9、冲在在min处处触触发发晶闸管，防止逆变失败。晶闸管，防止逆变失败。4.2.3 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 w工工程程上上为为实实现现方方便便，次次同同步步串串级级调调速速系系统统是是用用不不可可控控整整流流器器将将转转子子电电动动势势sE20整整流流为为直直流流电电动动势势，并并与与转转子子整整流流回回路路中中串串入入的的直直流流附附加加电电动动势势进进行行合合成成，通通过过改改变变逆逆变变角角的的大大小小，实实现现低低同同步步转转速速的的电电动动运运行行。采采用用直直流流附附加加电电动动势势的的原原

10、因因是是：由由于于工工程程上上获获取取与与转转子子感感应应电电势势sE20反反相相位位同同频频率率且且频频率率随随转转子子频频率率变变化化的的交交流流变变频频电电源源Ef比比较较困困难难，所所以以在在次次同同步步串串级级调调速速系系统统中中采采用用整整流流器器将将转转子子电电动动势势sE20整整流流为为直直流流电电动动势势，再再与与转转子子回回路路中中串串入入的的直直流流附附加加电电动动势势进进行行比比较较。而而可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晶晶闸闸管管串串级级调调速速系系统统的的基基本本构构成成如如下下图图所所示示。系系统统中中，直直流流附

11、附加加电电动动势势是是由由晶晶闸闸管管有有源源逆逆变变器器UI产产生生的的，改改变变逆逆变变角角就就改改变变了了逆逆变变电电势势，相相当当于于改改变变了了直直流流附附加加电电动动势势，即即可可实实现现串级调速。串级调速。二二、应应用用之之二二两两组组晶晶闸闸管管反反并并联联时时电电动动机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，N为反组，电路有四种工作状态。w（1）正组整流）正组整流w上上左左图图为为正正组组整整流流工工作作状状态态。设设P在在控控制制角角作作用用下下输输出出整整流流电电压压Ud，加加于于电电动动机机M使使其其正正转转。当当P组组处处于于整整流流工工

12、作作状状态态时时，反反组组N不不能能也也工工作作在在整整流流状状态态，否否则则会会使使电电流流Id1不不经经过过负负载载M，而而只只在在两两组组晶晶闸闸管管之之间间流流通通，这这种种电电流流称称为为环环流流，环环流流实实质质上上是是两两组组晶晶闸闸管管电电源源之之间间的的短短路路电电流流。因因此此，当当正正组组整整流流时时，反反组组应应关关断断或或处处于于待待逆逆变变状状态态。所所谓谓待待逆逆变变，就就是是N组组由由逆逆变变角角控控制制处处于于逆逆变变状状态态但但无无逆逆变变电电流流。要要做做到到这这一一点点，可可使使 。这这样样，正正组组P的的平平均均电电流流供供电电动动机机正正转转，反反组

13、组N处处于于待待逆逆变变状状态态。由由于于 ，故没有平均电流流过反组，不产生真正的逆变故没有平均电流流过反组，不产生真正的逆变。w（2）反组逆变）反组逆变w当当要要求求正正向向制制动动时时，流流过过电电动动机机M的的电电流流Id必必须须反反向向才才能能得得到到制制动动力力矩矩，由由于于晶晶闸闸管管的的单单向向导导电电性性，这这只只有有利利用用反反组组N的的逆逆变变。为为此此，只只要要降降低低 且且使使 ，则则N组组产产生生逆逆变变，流流过过电电流流Id2，电电机机电电流流Id反反向向，反反组组有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

14、（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，产生反向制动转矩，其过程与组反逆变类似。4.3 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

15、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 Variable 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

16、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。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 此此装装置置的的调调压压和和调调频频在在两两个个环环节节上上分分别别进进行行。但但输输入入环环节节采采用用晶晶闸闸管管可可控控整整流流，电电网网端端功功率率因因数数低低，而而输输出出环环节节采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

17、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 该该装装置置的的输输入入环环节节采采用用不不可可控控整整流流器器，只只整整流流不不调调压压，再再增增设设斩斩波波器器进进行行脉脉宽宽调调压压。输输入入功功率率因因数数高高，但但输输出出逆逆变变环节谐波仍较大。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 这这类类装装置置的的输输入入用用不不可可控控整整流流器器，输输入入功功率率因因数数高高；用用PWM逆逆变变，则则输输出出谐谐波波可可以以减减少少。输输出出波波形形已已经经

18、非非常常逼逼近正弦波，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

19、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-交交变变频频器器就就是是把把工工频频交交流流电电先先通通过过整整流流器器整整成成直直流流，然然后后再再通通过过变变换换器器，把把直直流流电电逆逆变变成成为为频频率率可可调调的的交交流流电电。根根据据交交-直直-交交变变压压变变频频器器的的中中间间滤滤波波环环节节是是采采用用电电容容性性元元件件或或是是电电感感性性元元件件，可可以以将将交交-直直-交交变变频频器器分分为为电电压压型型变变频频器器和和电电流流型型变变频频器器两两大大类类。两两类类变变频频器器的的区区别别主主要要在在于于中间直流

20、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当当直直流流环环节节采采用用大大电电容容滤滤波波时时，电电压压波波形形比比较较平平直直，相相当当于于一一个个内内阻阻抗抗为为零零的的恒恒压压源源，输输出出交交流流电电压压是是矩矩形形或或阶阶梯梯波波，这这类类变变频频装装置置叫叫电电压压型型变变频频器器，如如图图所所示示的的电电压压型型变变频器输入采用二极管整流，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当当中中间间直直流流环环节节采采用用大大电电感感滤滤波

21、波时时，电电流流波波形形较较平平直直，因因而而电电源源内内阻阻抗抗大大，输输出出是是一一个个恒恒流流源源，输输出出交交流流电电流流是是矩矩形波或阶梯波，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变变频频器器带带感感性性负负载载时时，无无功功能能量量只只能能靠靠直直流流环环节节中中滤滤波波器器的的储储能能元元件件来来缓缓冲冲。电电压压型型变变频频器器用用电电容容储储能能，而而电电流流型型变变频频器用电感储能。器用电感储能。w2 2）调

22、速时的动态响应调速时的动态响应 w电电流流型型变变频频器器的的直直流流电电压压可可迅迅速速改改变变，所所以以由由它它供供电电的的调调速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 电电压压型型变变频频器器适适用用于于多多台台电电动动机机同同步步运运行行时时的的供供电电电电源源而而不不要要求求快快速速加加减减速速的的场场合合。电电流流型型变变频频器器由由于于滤滤波波电电感感的的作作用用，对对负负载载变变化化的的反反应应迟迟缓缓，适适合合于于单单电电机机传传动动，但但可可以以满满足足快快速起制动和可逆运行的要求

23、。速起制动和可逆运行的要求。w4）回馈制动）回馈制动 w电电流流型型变变频频调调速速系系统统易易实实现现回回馈馈制制动动。当当UR工工作作在在整整流流状状态态（90，则则电电动动机机进进入入发发电电状状态态，且且直直流流电电压压Ud立立即即反反向向，而而电电流流Id方方向向不不变变。于于是是，逆逆变变器器变变成成整整流流器器，而而整整流流器器UR转转入入有有源源逆逆变变状状态态，电电能能由由电机回馈给交流电网。如图电机回馈给交流电网。如图b。w电电压压型型变变频频调调速速系系统统要要实实现现回回馈馈制制动动却却比比较较困困难难，因因中中间间环环节节大大电电容容的的电电压压极极性性不不能能反反向

24、向，原原装装置置无无法法实实现现回回馈馈制制动动。若若要要制制动动只只有有采采用用能能耗耗制制动动或或与与可可控控整整流流器器反反并并联联设设置置另另一一组组反反向向整整流流器器，并并使使其其工工作作在在有有源源逆逆变变状状态态，以以通通过过反反向向制制动电流，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

25、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

26、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

27、流型变频器，下面以讨论晶闸管交交电流型变频器，下面以讨论晶闸管交-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 变变频频器器的的主主电电路路由由整整流流器器、中中间间滤滤波波电电容容及及晶晶闸闸管管逆逆变变器器组组成成，下下图图是是串串联联电电感感式式电电压压型型变变频频器器逆逆变变部部分分的的电电路路，图图中中只只画画出出了了电电容容滤滤波波器器及及晶晶闸闸管管逆逆变变器器部部分分。整整流流器器可可采采用用单单相相或或三三相相整整流流电电路路。Cd为为滤滤波波电电容容，逆逆变变器器中中VT1VT6为为主

28、主晶晶闸闸管管，VD1VD6为为反反馈馈二二极极管管，提提供供续续流流回回路路，RU、RV、RW为为衰衰减减电电阻阻，L1L6为为换换流流电电感感，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该该逆逆变变器器的的6个个晶晶闸闸管管按按一一定定的的导导通通规规则则通通断断，将将滤滤波波电电容容Cd送送来来的的直直流流电电压压Ud逆逆变变成成频频率率可可调调的的交交流流电电。调调压压靠靠前级的可控整流电路完成。前级的可控整流电路完成。（2）晶闸管导通规则及输出波形

29、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，即每导电型，即每个晶闸管导通个晶闸管导通180电角度后被关断，由同相的另一个晶闸电角度后被关断，由同相的另一个晶闸管换流导通。每组晶闸管导电间隔为管换流导通。每组晶闸管导电间隔为120。按照每个晶闸。按照每个晶闸管触发间隔为管触发间隔为60，触发导通后维持，触发导通后维持180才被关断的特征才被关断的特征(180导电型导电型)，可以得到，可以得到6个晶闸管

30、在个晶闸管在360区间里的导通区间里的导通情况，如下表所示。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（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 （8

31、）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（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 每每个个脉脉冲冲间间隔隔60区区间间内内有有3个个晶晶闸闸管管导导通通，它它们们分分属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个个导导通通元元件件中中，若若属属于于同同一一组组的的有有2个个元元件件，则则元元件件所所对对应应相相的的相相电电压压为为 ，另另1个个元元件件所所对对应应相相的的

32、相相电压为电压为 。w共共阳阳极极组组元元件件所所对对应应相相的的相相电电压压为为正正，共共阴阴极极组组元元件件所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 线线电电压压等等于于相相电电压压之之差差；三三个个线线电电压压相相位位互互差差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。2、120度导电型的交度导电型的交-直直-交电流型变频交电流型变频器器 在在180导导电电型型的的电电压压型型逆逆变变器器中中，晶晶闸闸管管的的换换流流是是在在同同一一相相中中进进行行的的。有有可可能能使使直

33、直流流电电源源发发生生短短路路；另另需需要要外外接接换换流流衰衰减减电电阻阻、换换流流电电感感、换换流流电电容容等等元元件件才才能能完完成成换换流流，使使得得逆逆变变器器体体积积增增加加、成成本本提提高高、换换流流损损耗耗加加大大。为为此此，引引入入120导导电电型型的的电电流流型型逆逆变变器器，该该逆逆变变器器晶晶闸闸管管的的换换流流是是在在同同一一组组中中进进行行的的，不不存存在在电电源源短短路路问问题题，也不需要换流衰减电阻和换流电感等元件。也不需要换流衰减电阻和换流电感等元件。（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输输入入端端采采了了可可控控整整流流，滤滤波波电

34、电感感L将将整整流流器器的的输输出出强强制制变变成成直直流流电电流流Id。逆逆变变器器部部分分没没有有调调压压功功能能，只只将将6个个晶晶闸闸管管按按一一定定的的导导通通规规则则通通断断，将将电电感感L送送来来的的恒恒流流Id逆逆变变成成频频率可调的交流电。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，各各晶晶闸闸管管的的触触发发间间隔隔为为60。电电流流型型逆逆变变器器通通常常采采用用120导导电电型型，即即每每个个晶晶闸闸管管导导通通120电电角角度度

35、后后被被关关断断，由由同同一一组组的的另另一一个个晶晶闸闸管管换换流流导导通通。按按照照每每个个晶晶闸闸管管触触发发间间隔隔为为60，触触发发导导通通后后维维持持120才才被被关关断断的的特特征征(120导导电电型型)，可可以以得得到到6个个晶晶闸闸管在管在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 导通导通导通导通 VT5 导通导通导通导通VT6导通导

36、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 每每个个脉脉冲冲触触发发间间隔隔60内内，有有2个个晶晶闸闸管管元元件件导导通通，它它们们分分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。在

37、在2个个导导通通元元件件中中，每每个个元元件件所所对对应应相相的的相相电电流流为为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。共共阳阳极极组组中中元元件件所所通通过过的的相相电电流流为为正正，共共阴阴极极组组元元件件所所通通过的相电流为负。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。

38、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等三种基本类等三种基本类型，其中电压正弦型，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SPWM，磁，磁通正弦通正弦PWM（也称为电压空间矢量（也称为电压空间矢量P

39、WM）是从电机角度出发的）是从电机角度出发的SPWM方方法。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

40、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正弦弦脉脉宽宽调调制制（SPWM）波波是是与与正正弦弦波波等等效效的的一一系系列列等等幅幅不不等等宽宽的的矩矩形形脉脉冲冲波波，如如下下图图a所所示示。等等效效的的原原则则是是每每一一区区间间的的面面积积相相等等。如如果果把把一一个个正正弦弦半半波波分分作作n等等分分，然然后后把把每每一一等等分分正正弦弦曲曲线线与与横横轴轴所所包包围围

41、的的面面积积都都用用一一个个与与之之面面积积相相等等的的矩矩形形脉脉冲冲来来代代替替，矩矩形形脉脉冲冲的的幅幅值值不不变变，各各脉脉冲冲的的中中点点与与正正弦弦波波每每一一等等分分的的中中点点相相重重合合，见见图图b。这这样样，由由n个个等等幅幅不不等等宽宽的的矩矩形形脉脉冲冲所所组组成成的的波波形形就就与与正正弦弦波波的的半半周周波波形等效，称作形等效，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

42、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。w（1）同步调制）同步调制w在在改改变变fr的的同同时时成成正正比比地地改改变变fc，使使载载波波比比N=常常数数。优优点点是是可可以以保保证证输输出出电电压压半半波波内内的的矩矩形形脉

43、脉冲冲数数是是固固定定不不变变的的，如如果果取取N等等于于3的的倍倍数数，则则同同步步调调制制能能保保证证输输出出波波形形的的正正、负负半半波波始始终终保保持持对对称称，并并能能严严格格保保证证三三相相输输出出波波形形之之间间具具有有互互差差120的的对对称称关关系系。但但是是，当当输输出出频频率率很很低低时时，由由于于相相邻邻两两脉脉冲冲间间的的间间距距增增大大，谐谐波波会会显显著著增增加加，使使负负载载电电机机产产生生较较大大的的脉脉动动转转矩矩和和较较强强的的噪噪声声，这这是是同同步步调调制制方方式式在在低频时的主要缺点。低频时的主要缺点。w（2）异步调制）异步调制w异异步步调调制制在在

44、整整个个变变频频范范围围内内，载载波波比比N不不等等于于常常数数。在在改改变变调调制制波波频频率率fr时时保保持持三三角角载载波波频频率率fc不不变变，提提高高了了低低频频时时的的载载波波比比。这这样样，输输出出电电压压半半波波内内的的矩矩形形脉脉冲冲数数可可随随输输出出频频率率的的降降低低而而增增加加，改改善善了了系系统统的的低低频频工工作作性性能能。但但异异步步调调制制在在改改善善低低频频工工作作性性能能的的同同时时，当当载载波波比比N随随着着输输出出频频率率的的降降低低而而连连续续变变化化时时，它它不不可可能能总总是是3的的倍倍数数，必必将将使使输输出出电电压压波波形形及及其其相相位位都

45、都发发生生变变化化，难难以以保保持持三三相相输输出出的的对对称称性性，因因而而引引起起电电机机工工作作不平稳。不平稳。（3）分段同步调制）分段同步调制w为为扬扬长长避避短短，可可将将同同步步调调制制和和异异步步调调制制结结合合起起来来，成成为分段同步调制方式。为分段同步调制方式。w即即在在一一定定频频率率范范围围内内采采用用同同步步调调制制，以以保保持持输输出出波波形形对对称称的的优优点点；当当频频率率降降低低较较多多时时，可可使使载载波波比比N分分段段有有级级地地加加大大，以以采采纳纳异异步步调调制制的的长长处处，这这就就是是分分段段同同步步调调制制方方式式。具具体体地地说说，把把整整个个变

46、变频频范范围围划划分分成成若若干干频频段段，每每个个频频段段内内都都维维持持载载波波比比N恒恒定定，而而对对不不同同的的频频段段取取不不同同的的N值值，频频率率低低时时，N值值取取大大些些，一一般般大大致致按按等等比级数安排。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自自然然采采样样法法是是按按照照正正弦弦波波与与三三角角形形波波交交点点进进行行脉脉冲冲宽宽度度与与间间隙隙时时间间的的采采样样，从从而而生生成成SPWM波波形形。具具体体是是截截取取任任意意一一段段正正弦弦波波与与三三角角载载波波的的一一个个周周期期长长度度内内的的相相交交情情况况。A点点为为脉

47、脉冲冲发发生生时时刻刻，B点点为为脉脉冲冲结结束束时时刻刻，在在三三角角波波的的一一个个周周期期Tt内内，t2为为SPWM波波的的高高电电平平时时间间，称称作作脉脉宽宽时时间间，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。自然采样法 规则采样法 w（2）规则采样法）规则采样法w规则采样法有：规则采样规则采样法有：规则采样法、规则采样法、规则采样法。法。w规规则则采采样样法法是是将将三三角角波波的的负负峰峰值值对对应应的的正正弦弦控控制制波波值值（E点点）作作为为采采样样电电压压值值，由由E点点水水平平截截取取A、B两两点点，从从而而确

48、确定定脉脉宽宽时时间间t2。在在这这种种采采样样法法中中，每每个个周周期期的的采采样样点点E对对时时间间轴轴都都是是均均匀匀的的，这这时时AE=EB，t1=t3，简化了脉冲时间与间隙时间的计算。为此有简化了脉冲时间与间隙时间的计算。为此有（3）指定谐波消除法）指定谐波消除法 4.5.2 电流正弦脉宽调制的工作原理电流正弦脉宽调制的工作原理SPWM变频器通常用于交流电动机的变频调速，而交流电动机的控制变频器通常用于交流电动机的变频调速，而交流电动机的控制性能主要取决于转矩或者电流的控制（在磁通恒定的条件下），为满性能主要取决于转矩或者电流的控制（在磁通恒定的条件下），为满足电机控制的良好动态响应

49、，经常采用电流正弦足电机控制的良好动态响应，经常采用电流正弦PWM技术。电流正弦技术。电流正弦PWM技术本质上是电流闭环控制，实现方法很多，主要有技术本质上是电流闭环控制，实现方法很多，主要有PI控制、滞控制、滞环控制及无差拍预测控制等几种，都具有控制简单，动态响应快和电环控制及无差拍预测控制等几种，都具有控制简单，动态响应快和电压利用率高的特点。压利用率高的特点。目前，实现电流正弦目前，实现电流正弦PWM控制的常用方法是电流滞环控制的常用方法是电流滞环SPWM，即把正，即把正弦电流参考波形和电流的实际波形通过滞环比较器进行比较，其结果弦电流参考波形和电流的实际波形通过滞环比较器进行比较，其结

50、果决定逆变器桥臂上、下开关器件的导通和关断。这种方法的优点是控决定逆变器桥臂上、下开关器件的导通和关断。这种方法的优点是控制简单、响应快、瞬时电流可以被限制，功率开关器件得到自动保护。制简单、响应快、瞬时电流可以被限制，功率开关器件得到自动保护。缺点是电流谐波较大。缺点是电流谐波较大。一、滞环电流跟踪控制一、滞环电流跟踪控制电流滞环控制是一种非线性控制方法，电流滞环控制型逆电流滞环控制是一种非线性控制方法，电流滞环控制型逆变器一相（变器一相（U相）电流控制原理框图如下图相）电流控制原理框图如下图a所示。所示。（2）三相电流滞环控制型三相电流滞环控制型SPWM变频调速系统变频调速系统 4.5.3