2.1逆变电路与变频电路ppt课件

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1、第七章第七章 逆变电路与变频电路逆变电路与变频电路 逆变的概念逆变的概念 与整流相对应，将直流电变成交流电，实现与整流相对应，将直流电变成交流电，实现DC/ACDC/AC变换。变换。 交流侧接电网，为有源逆变，第五章内容。交流侧接电网，为有源逆变，第五章内容。 交流侧接负载，为无源逆变，本章主要讲述无源逆变。交流侧接负载，为无源逆变，本章主要讲述无源逆变。逆变与变频逆变与变频 变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换整流和直交变换两部分组成，后一部分就交直交变频由交直变换整流和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。是逆变。主要应用主

2、要应用 在已有的各种电源中，如蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电在已有的各种电源中，如蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。 不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。 交流电机调速用变频器、家用电器等。交流电机调速用变频器、家用电器等。n第一节第一节 电力变流器换相方式电力变流器换相方式 n第二节第二节 单相无源逆变电路单相无源逆变电路 n第三节第三节 三相无源逆变电路三相无源逆变电路 n第四节第四节 脉

3、宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路n第五节第五节 交交-直直-交变频电路交变频电路n第六节第六节 交交-交变频电路交变频电路n本章小结本章小结第七章第七章 逆变电路与变频电路逆变电路与变频电路 第一节第一节 电力变流器换相方式电力变流器换相方式 换流换流 电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。 图图7-1 熄灭和换相熄灭和换相熄灭熄灭换相换相当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内 部终止流通而变为零，则称为熄灭。部终止流通而变为零，则称为熄灭。研究换相方式主要是研究

4、如何使器件关断。研究换相方式主要是研究如何使器件关断。第一节第一节 电力变流器换相方式电力变流器换相方式 交流电网换相交流电网换相 电网提供换相电压的换相方式。电网提供换相电压的换相方式。如可控整流电路、有源逆变电路和交如可控整流电路、有源逆变电路和交流调压及交交变频电路。流调压及交交变频电路。 将负的电网电压施加在欲关断的将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。有交流电网的无源逆变电路。换相方式分为以下四种：换相方式分为以下四种：第一节第一节 电力变流

5、器换相方式电力变流器换相方式 负载谐振式换相负载谐振式换相 由负载提供换相电压的换相方式。由负载提供换相电压的换相方式。 负载电流的相位超前于负载电压的负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流，如电容性负场合，都可实现负载换流，如电容性负载和同步电动机。载和同步电动机。 右图是基本的负载换相逆变电路，右图是基本的负载换相逆变电路，整个负载工作在接近并联谐振状态而略整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性，直流侧串大电感，工作过程可呈容性，直流侧串大电感，工作过程可认为认为id基本没有脉动。基本没有脉动。 负载对基波的阻抗大而对谐波的负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以阻抗小，所

6、以uo接近正弦波。接近正弦波。 注意触发注意触发VT2、VT3的时刻的时刻t1必必须在须在uo过零前并留有足够的裕量，才能过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。使换流顺利完成。 t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4第一节第一节 电力变流器换相方式电力变流器换相方式 脉冲换相脉冲换相 设置附加的换相电路，给欲关断的晶闸管强设置附加的换相电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换相方式称为脉冲换相。迫施加反压或反电流的换相方式称为脉冲换相。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也

7、称为电容换相。因此也称为电容换相。 分类分类 直接耦合式：由换流电路内电容直接提供直接耦合式：由换流电路内电容直接提供换相电压。如图换相电压。如图1，当晶闸管，当晶闸管VT处于通态时，预处于通态时，预先给电容充电。当先给电容充电。当S合上，就可使合上，就可使VT被施加反压被施加反压而关断。而关断。 电感耦合式：通过换流电路内的电容和电感电感耦合式：通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换相电压或换相电流。如图的耦合来提供换相电压或换相电流。如图2a中晶中晶闸管在闸管在LC振荡第一个半周期内关断，图振荡第一个半周期内关断，图2b中晶中晶闸管在闸管在LC振荡第二个半周期内关断。振荡第二个半周期内关

8、断。图图1 直接耦合式原理图直接耦合式原理图图图2 电感耦合式原理图电感耦合式原理图第一节第一节 电力变流器换相方式电力变流器换相方式 器件换相器件换相 利用全控型器件的自关断能力进行换相。利用全控型器件的自关断能力进行换相。 在采用在采用IGBT 、电力、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件等全控型器件的电路中的换相方式是器件换相。的电路中的换相方式是器件换相。换相方式总结换相方式总结 器件换相只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶器件换相只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。闸管而言的。 器件换相和脉冲换相属于强迫换相，电网换相和负载换相属器件换相和脉冲

9、换相属于强迫换相，电网换相和负载换相属于自然换相。于自然换相。 逆变电路所采用的换相方式有负载换相、脉冲换相和器件换逆变电路所采用的换相方式有负载换相、脉冲换相和器件换相三种。相三种。第二节第二节 单相无源逆变电路单相无源逆变电路 一、基本原理及分类一、基本原理及分类以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 S1S4是桥式电路的是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2图图7-3逆变电路工作原理逆变电路工作原理 当开关当开关S1、S4闭合，闭合，S

10、2、S3断开时，负载电压断开时，负载电压uo为正；当开关为正；当开关S1、S4断断开，开，S2、S3闭合时，闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。为负，这样就把直流电变成了交流电。 改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流io和和uo的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，阻感负载时，io相位滞后于相位滞后于uo，波形也不同。，波形也不同。第二节第二节 单相无源逆变电路单相无源逆变电路 一、基本原理及分类一、基本原理及分类根据直流侧电源性质的不同，可以分为电压型和

11、电流型两类。根据直流侧电源性质的不同，可以分为电压型和电流型两类。 电压型逆变电路：直流侧是电压源。电压型逆变电路：直流侧是电压源。 电流型逆变电路：直流侧是电流源。电流型逆变电路：直流侧是电流源。根据交流侧输出相数，可以分为单相和三相两种。根据交流侧输出相数，可以分为单相和三相两种。 单相逆变电路单相逆变电路 三相逆变电路三相逆变电路根据换相方式的不同，晶闸管构成的逆变电路有很多种，如：根据换相方式的不同，晶闸管构成的逆变电路有很多种，如： 并联谐振式并联谐振式 串联谐振式串联谐振式 辅助晶闸管换相式麦克墨莱）辅助晶闸管换相式麦克墨莱） 串联二极管式串联二极管式第二节第二节 单相无源逆变电路

12、单相无源逆变电路 二、电压型逆变电路的主要特点二、电压型逆变电路的主要特点图图7-4电压型逆变电路电压型逆变电路 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。载阻抗不同而不同。 阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。图图 7-6 串联谐振逆变电路串联谐振逆变

13、电路 第二节第二节 单相无源逆变电路单相无源逆变电路 三、电流型逆变电路的主要特点三、电流型逆变电路的主要特点图图7-5 电流型逆变电路电流型逆变电路 图图 7-9 并联谐振逆变电路并联谐振逆变电路 直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。 交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同。负载不同而不同。 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。第三节第三节 三相无源逆变电路三

14、相无源逆变电路 一、电压型三相逆变电路一、电压型三相逆变电路 图图7-11 三相辅助晶闸管换相逆变电路三相辅助晶闸管换相逆变电路 VT1VT6间隔间隔60o依次触通，且同一桥臂换相纵向换相），每依次触通，且同一桥臂换相纵向换相），每只主晶闸管在一个周期内导电只主晶闸管在一个周期内导电180o。电路构成电路构成辅助晶闸管换相式辅助晶闸管换相式 工作原理工作原理三相六拍三相六拍180o导电型导电型第三节第三节 三相无源逆变电路三相无源逆变电路 一、电压型三相逆变电路一、电压型三相逆变电路 为了防止同一相上下两桥臂的晶闸管同时导通而引起直流侧为了防止同一相上下两桥臂的晶闸管同时导通而引起直流侧电源的

15、短路，要采取电源的短路，要采取“先断后通的方法。先断后通的方法。同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 ，任，任一瞬间有三个桥臂同时导通。一瞬间有三个桥臂同时导通。图图7-15 180o导电型逆变电路两种情况的等效由路导电型逆变电路两种情况的等效由路（a0o60o区间区间 （b60o120o区间区间第三节第三节 三相无源逆变电路三相无源逆变电路 一、电压型三相逆变电路一、电压型三相逆变电路 对于图对于图7-15a），），U点和点和W点等电位，则点等电位，则0 o60 o区间相电区间相电压为：压为： （7-5） 同理，对图同理，对图7-15

16、b可求得可求得60o120o区间相电压为：区间相电压为： （7-7） （7-8）（7-6）第三节第三节 三相无源逆变电路三相无源逆变电路 一、电压型三相逆变电路一、电压型三相逆变电路 输出线电压可根据相电压由下式求得：输出线电压可根据相电压由下式求得： （7-9）负载参数已知时，可以由负载参数已知时，可以由uUN的波形求出的波形求出U相电流相电流iU的波形。的波形。图图7-16列出了一个周期内各晶闸管的导通次序和列出了一个周期内各晶闸管的导通次序和 U、V、W三点的电压三点的电压极性以及输出的相电压、线电压和极性以及输出的相电压、线电压和U相负载电流相负载电流iU的波形。的波形。图图7-16

17、180o导电型逆变电路的电压及电流波形导电型逆变电路的电压及电流波形 第三节第三节 三相无源逆变电路三相无源逆变电路 二、电流型三相逆变电路二、电流型三相逆变电路 VT1VT6间隔间隔60o依次触通，且相邻桥臂换相横向换相），每依次触通，且相邻桥臂换相横向换相），每只晶闸管在一个周期内导电只晶闸管在一个周期内导电120o。电路构成电路构成串联二极管式串联二极管式 工作原理工作原理三相六拍三相六拍120o导电型导电型图图7-18 三相串联二极管逆变电路三相串联二极管逆变电路 第三节第三节 三相无源逆变电路三相无源逆变电路 二、电流型三相逆变电路二、电流型三相逆变电路 每一时刻上下桥臂组各有一个晶

18、闸管导通每一时刻上下桥臂组各有一个晶闸管导通,并按并按1,2一一2,3一一3,4一一4,5一一5,6一一6,1的顺序导通。的顺序导通。 波形分析波形分析 输出电流波形和负载性输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各质无关，正负脉冲各120的矩的矩形波。形波。 输出电流和三相桥整流输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波带大电感负载时的交流电流波形相同。形相同。 输出线电压波形和负载输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波，但性质有关，大体为正弦波，但叠加了一些脉冲。叠加了一些脉冲。 图图7-21 120 o导电型逆变电路的电压及电流波形导电型逆变电路的电压及电流波形第三节第三节 三相无源

19、逆变电路三相无源逆变电路 三、电压型和电流型逆变电路的比较三、电压型和电流型逆变电路的比较 表表7-1 电压型和电流型逆变器的比较电压型和电流型逆变器的比较第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路 PWMPulse Width Modulation控制技术就是对脉冲的宽度进控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形含形状和幅值）。得所需要波形含形状和幅值）。PWM控制技术的地位控制技术的地位 PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性控制技术在逆变电路中的应用最具代表

20、性, 除功率很大的除功率很大的逆变装置外，不用逆变装置外，不用PWM控制的逆变电路已十分少见。控制的逆变电路已十分少见。 正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，才奠定了正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制控制技术在电力电子技术中的突出地位技术在电力电子技术中的突出地位, 并对电力电子技术产生了十分并对电力电子技术产生了十分深远的影响。深远的影响。PWM技术与器件的关系技术与器件的关系 IGBT、电力、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础。控制技术提供了强大的物质基础。第四节第四节 脉宽调制脉宽调制

21、PWM型逆变电路型逆变电路 一、一、PWM的基本原理的基本原理面积等效原理面积等效原理 原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。基本相同。 冲量即指窄脉冲的面积。冲量即指窄脉冲的面积。 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。略有差异。 实例实例 将图将图1a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图所示的脉

22、冲作为输入，加在图2a所示的所示的R-L电路上，设其电路上，设其电流电流i(t)为电路的输出，图为电路的输出，图2b给出了不同窄脉冲时给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。的响应波形。 图图1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 图图2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路 一、一、PWM的基本原理的基本原理用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 将正弦半波看成是由将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为个彼此相连的脉冲宽度为/N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的，但幅值顶部是曲

23、线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。脉冲序列组成的。 把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积冲量相等，这就是分面积冲量相等，这就是PWM波形。波形。 对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到到PWM波形。波形。 脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称波形，也称SPWMSi

24、nusoidal PWM波形。波形。 基于等效面积原理，基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其他波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形如矩形波等。如矩形波等。 图图7-23 SPWM原理波形图原理波形图 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路 一、一、PWM的基本原理的基本原理计算法计算法 根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，将冲数，将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出来，按照波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出来，按照计算结果控制逆

25、变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的要的PWM波形，这种方法称之为计算法。波形，这种方法称之为计算法。 计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。相位变化时，结果都要变化。 调制法调制法 把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。波形。 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波通常采用等腰三角波或锯齿波作

26、为载波，其中等腰三角波应用最多。应用最多。 调制度：调制度： M=Urm / Ucm 载波比：载波比： N=f c / f r（7-10） （7-11） 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路 二、单相二、单相SPWM逆变电路逆变电路单极性单极性PWM控制方式控制方式 调制信号调制信号ur为正弦波，载波为正弦波，载波uc在在ur的正半周的正半周为正极性的三角波，在为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三的负半周为负极性的三角波。角波。 在在ur的正半周，的正半周，V1保持通态，保持通态，V2保持断态。保持断态。 当当uruc时使时使V4导通，导通，V3关断，关断， uo=

27、Ud。 当当uruc时使时使V4关断，关断，V3导通，导通， uo=0。 在在ur的负半周，的负半周，V1保持断态，保持断态，V2保持通态。保持通态。 当当uruc时使时使V3关断，关断，V4导通，导通， uo=0。 urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图图7-25 单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路 图图7-26 单极性脉宽调制波形单极性脉宽调制波形 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路 二、单相二、单相SPWM逆变电路逆变电路双极性双极性PWM控制方式控制方式 在调制信号在调制信号ur和载波信号和载波信号uc的交点时刻控的交点时刻控制各开关器件的通断。制各

28、开关器件的通断。 在在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的所得的PWM波也是有正有负，在波也是有正有负，在ur的一个周期的一个周期内，输出的内，输出的PWM波只有波只有Ud两种电平。两种电平。 在在ur的正负半周，对各开关器件的控制规的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。律相同。 当当uruc时，时，V1和和V4导通，导通，V2和和V3关断，关断，这时如这时如io0，则，则V1和和V4通，如通，如io0，则，则VD1和和VD4通，不管哪种情况都是通，不管哪种情况都是uo=Ud。 当当uruc时，时，V2和和V3导通，导通，V1和和V4关断，关断，这时

29、如这时如io0，则，则VD2和和VD3通，不管哪种情况都是通，不管哪种情况都是uo=-Ud。 图图7-25 单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路 urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图图7-27 双极性脉宽调制波形双极性脉宽调制波形 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路 三、三相三、三相SPWM逆变电路逆变电路图图7-28 三相三相SPWM逆变电路逆变电路 采用双极性控制方式。采用双极性控制方式。 U、V和和W三相的三相的PWM控制通常控制通常公用一个三角波载波公用一个三角波载波uc，三相的调制，三相的调制信号信号urU、urV和和urW依次相差依次相差120。

30、电路工作过程电路工作过程U相为例）相为例） 当当urUuc时，上桥臂时，上桥臂V1导通，下桥臂导通，下桥臂V4关断，则关断，则U相相对于直流电源相相对于直流电源假想中点假想中点N的输出电压的输出电压uUN=E/2。 当当urUuc时，时，V4导通，导通，V1关断，则关断，则uUN=-E/2。 V1和和V4的驱动信号始终是互补的。的驱动信号始终是互补的。 当给当给V1(V4)加导通信号时，可能是加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。 uUN、uVN和和uWN的

31、的PWM波形都只有波形都只有E/2两种电平，波形如图两种电平，波形如图7-29所所示。示。 图图7-29 三相双极性脉宽调制波形三相双极性脉宽调制波形 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路 三、三相三、三相SPWM逆变电路逆变电路图图7-28 三相三相SPWM逆变电路逆变电路 输出线电压输出线电压PWM波由波由E和和0三种电三种电平构成。平构成。 当臂当臂1和和6导通时，导通时，uUV=E。 当臂当臂3和和4导通时，导通时，uUV=E。 当臂当臂1和和3或臂或臂4和和6导通时，导通时，uUV=0。 为了防止上下两个臂直通而造成短为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两臂通

32、断切换时要留一小段上路，在上下两臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。下臂都施加关断信号的死区时间。 图图7-29 三相双极性脉宽调制波形三相双极性脉宽调制波形 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路 四、四、PWM逆变电路的控制方式逆变电路的控制方式根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式可分为同步调制方式可分为同步调制和异步调制两种。调制和异步调制两种。 同步调制同步调制 载波比载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为

33、同步调制。制。 fr变化时载波比变化时载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。位也是固定的。 在三相在三相PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波，为了使三相输出波形逆变电路中，通常公用一个三角波载波，为了使三相输出波形严格对称和一相的严格对称和一相的PWM波正负半周镜对称，取波正负半周镜对称，取N为为3的整数倍且为奇数。的整数倍且为奇数。 当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的fc也很低，也很低，fc过低时由调制带来过低时由调制带来的谐波不易滤除，当负载为电动机时也会带来较

34、大的转矩脉动和噪声；当逆变的谐波不易滤除，当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声；当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的电路输出频率很高时，同步调制时的fc会过高，使开关器件难以承受。会过高，使开关器件难以承受。第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路 四、四、PWM逆变电路的控制方式逆变电路的控制方式异步调制异步调制 载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。 通常保持载波频率通常保持载波频率fc固定不变，因而当信号波频率固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比变化时，载波比N是是变化的。变化的。 在信号

35、波的半个周期内，在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。周期的脉冲也不对称。 当当fr较低时，较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小，都较小，PWM波形接近正弦波。波形接近正弦波。 当当fr增高时，增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响脉冲不对称的影响就变大，输出就变大，输出PWM波和正弦波的差异变大，对于三相波和正

36、弦波的差异变大，对于三相PWM型逆变电路来说，型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。三相输出的对称性也变差。 在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。较高时仍能保持较大的载波比。 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路四、四、PWM逆变电路的控制方式逆变电路的控制方式（a a同步调制同步调制 （b b异步调制异步调制 图图7-30 同步调制和异步调制同步调制和异步调制 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路四、四、PWM逆变电路的控制方式逆变电路

37、的控制方式分段同步调制分段同步调制 把把fr范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比N为恒定，为恒定，不同频段的载波比不同。不同频段的载波比不同。 在在fr高的频段采用较低的载波比，以使高的频段采用较低的载波比，以使fc不致过高，限制在功率不致过高，限制在功率开关器件允许的范围内。开关器件允许的范围内。 在在fr低的频段采用较高的载波比，以使低的频段采用较高的载波比，以使fc不致过低而对负载产生不致过低而对负载产生不利影响。不利影响。 为了防止为了防止fc在切换点附近的来回跳动，在各频率切换点采用了在切换点附近的来回跳动，在各频率切换点采用了滞后

38、切换的方法。滞后切换的方法。 有的装置在低频输出时采用异步调制方式，而在高频输出时切有的装置在低频输出时采用异步调制方式，而在高频输出时切换到同步调制方式，这样可以把两者的优点结合起来，和分段同步换到同步调制方式，这样可以把两者的优点结合起来，和分段同步方式的效果接近。方式的效果接近。 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路四、四、PWM逆变电路的控制方式逆变电路的控制方式图图7-31 分段同步调制分段同步调制 图图7-32 异步和分段同步调制异步和分段同步调制 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路五、五、PWM波形的生成技术波形的生成技术 SPWM的模拟

39、控制的模拟控制图图7-33 SPWM模拟控制电路原理框图模拟控制电路原理框图 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路五、五、PWM波形的生成技术波形的生成技术 SPWM的数字控制的数字控制等效面积法等效面积法 图图7-34 单极性单极性SPWM电压波形电压波形（7-13） 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路五、五、PWM波形的生成技术波形的生成技术自然采样法自然采样法图图7-35 生成生成SPWM波形的自然采样法波形的自然采样法 （7-14） 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路五、五、PWM波形的生成技术波形的生成技术规则采样法规则

40、采样法图图7-36 生成生成SPWM波形的规则采样法波形的规则采样法 （7-15）（7-16）第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路五、五、PWM波形的生成技术波形的生成技术SPWM专用集成电路芯片专用集成电路芯片 （HEF4752V 、SLE4520 等）等） 图图7-38 HEF4752V管脚排列管脚排列 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路五、五、PWM波形的生成技术波形的生成技术谐波消除法谐波消除法图图7-41 谐波消除法电压波形谐波消除法电压波形 第四节第四节 脉宽调制脉宽调制PWM型逆变电路型逆变电路五、五、PWM波形的生成技术波形的生成技术跟

41、踪控制技术跟踪控制技术图图7-42 电流跟踪控制框图电流跟踪控制框图 图图7-43 电流滞环跟踪控制的一相原理图电流滞环跟踪控制的一相原理图 图图7-44 电流滞环跟踪控制时的波形电流滞环跟踪控制时的波形sie.edu sie.edu 第五节第五节 交交-直直-交变频电路交变频电路交交-直直-交变频电路是先将恒压恒频交变频电路是先将恒压恒频CVCF的交流电通过整的交流电通过整流变成直流电，再经过逆变将直流电变换成可控交流电的间接型流变成直流电，再经过逆变将直流电变换成可控交流电的间接型变频电路。变频电路。 图图7-45 交交-直直-交变频器结构框图交变频器结构框图 CVCF：Constant

42、Voltage Constant Frequency VVVF：Variable Voltage Variable Frequency 第五节第五节 交交-直直-交变频电路交变频电路分类分类按照不同的控制方式，交按照不同的控制方式，交-直直-交变频器可分成图交变频器可分成图7-46所示的所示的a）、）、（b）、（）、（c三种。三种。 图图7-46a中采用的是可控整流器调压、逆变器调频的控制方式。这种装置中采用的是可控整流器调压、逆变器调频的控制方式。这种装置结构简单，控制方便。但是，电网端功率因数较低，输出交流电的谐波较大。结构简单，控制方便。但是，电网端功率因数较低，输出交流电的谐波较大。图

43、图7-46b采用的是不控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的控制方采用的是不控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的控制方式。在这类装置中，整流环节采用二极管不控整流器，只整流不调压，再单独设置式。在这类装置中，整流环节采用二极管不控整流器，只整流不调压，再单独设置斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但调压时输入功率因数不变，克服斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但调压时输入功率因数不变，克服了图了图7-46a装置的电网端功率因数较低的缺点。输出逆变环节未变，仍有谐波装置的电网端功率因数较低的缺点。输出逆变环节未变，仍有谐波较大的问题。较大的问题。 图图7-46c采用的是不

44、控整流器整流、脉宽调制采用的是不控整流器整流、脉宽调制(PWM)逆变器同时调压调频的逆变器同时调压调频的控制方式。在这类装置中，用不控整流，则输入功率因数不变；用控制方式。在这类装置中，用不控整流，则输入功率因数不变；用PWM逆变，逆变，则输出谐波可以减小。是当前最有发展前途的一种装置形式。则输出谐波可以减小。是当前最有发展前途的一种装置形式。 图图7-46 交交-直直-交变频电路的不同控制方式交变频电路的不同控制方式 第五节第五节 交交-直直-交变频电路交变频电路分类分类根据中间直流环节采用滤波器的不同，变频器又分为电压型和电流型根据中间直流环节采用滤波器的不同，变频器又分为电压型和电流型两

45、种。两种。 图图7-47 电压型和电流型变频器框图电压型和电流型变频器框图电压型电压型电流型电流型 第五节第五节 交交-直直-交变频电路交变频电路一、交一、交-直直-交电压型变频电路交电压型变频电路图图7-48 交交-直直-交电压型交电压型PWM变频电路变频电路二极管构成整流器，其输出直流电压二极管构成整流器，其输出直流电压Ud是不可控的；中间直流环节用大是不可控的；中间直流环节用大电容电容Cd滤波；电力晶体管滤波；电力晶体管V1V6构成构成PWM逆变器，实现输出频率和电压逆变器，实现输出频率和电压的同时调节，的同时调节，VD1VD6是电压型逆变器所需的反馈二极管。是电压型逆变器所需的反馈二极

46、管。 第五节第五节 交交-直直-交变频电路交变频电路一、交一、交-直直-交电压型变频电路交电压型变频电路图图7-49 带有泵升电压限制电路的变频电路带有泵升电压限制电路的变频电路 当负载电动机由电动状态转入制动运行时，电动机变为发电状态，当负载电动机由电动状态转入制动运行时，电动机变为发电状态，其能量通过逆变电路中的反馈二极管流入直流中间电路，使直流电压其能量通过逆变电路中的反馈二极管流入直流中间电路，使直流电压升高而产生过电压，这种过电压称为泵升电压。升高而产生过电压，这种过电压称为泵升电压。电力晶体管电力晶体管Vo和能耗电阻和能耗电阻Ro组成泵升电压限制电路。当泵升电压组成泵升电压限制电路

47、。当泵升电压超过一定数值时，使超过一定数值时，使Vo导通，把电动机反馈的能量消耗在导通，把电动机反馈的能量消耗在Ro上。上。 第五节第五节 交交-直直-交变频电路交变频电路一、交一、交-直直-交电压型变频电路交电压型变频电路图图7-50 可以再生制动的变频电路可以再生制动的变频电路 增加一套有源逆变电路，以实现再生制动。增加一套有源逆变电路，以实现再生制动。 第五节第五节 交交-直直-交变频电路交变频电路二、交二、交-直直-交电流型变频电路交电流型变频电路图图7-51 交交-直直-交电流型变频电路交电流型变频电路 晶闸管构成的可控整流电路，输出可控的直流电压晶闸管构成的可控整流电路，输出可控的

48、直流电压Ud，实现调压功，实现调压功能；中间直流环节用大电感能；中间直流环节用大电感Ld滤波；逆变器采用晶闸管构成的串联二滤波；逆变器采用晶闸管构成的串联二极管式电流型逆变电路，极管式电流型逆变电路， 实现输出频率的调节。实现输出频率的调节。 第五节第五节 交交-直直-交变频电路交变频电路二、交二、交-直直-交电流型变频电路交电流型变频电路图图7-52 电流型变频调速系统的两种运行状态电流型变频调速系统的两种运行状态 很容易实现能量回馈。很容易实现能量回馈。 第五节第五节 交交-直直-交变频电路交变频电路二、交二、交-直直-交电流型变频电路交电流型变频电路图图7-53 交交-直直-交电流型交电

49、流型PWM变频电路变频电路 GTO用的是反向导电型器件，因而，给每个用的是反向导电型器件，因而，给每个GTO串联了二极管以承受反串联了二极管以承受反向电压。向电压。 电容电容C是为吸收是为吸收GTO关断时所产生的过电压而设置的，它也可以对输出的关断时所产生的过电压而设置的，它也可以对输出的PWM电流波形起滤波作用。电流波形起滤波作用。若整流电路采用晶闸管，当电动机需要制动时，可以使整流部分工作在有若整流电路采用晶闸管，当电动机需要制动时，可以使整流部分工作在有源逆变状态，把电动机的机械能反馈给交流电网，从而实现快速制动。源逆变状态，把电动机的机械能反馈给交流电网，从而实现快速制动。 第六节第六

50、节 交交-交变频电路交变频电路交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交 流电的变流电路，因为没有中间直流环节，因此属于直接变频流电的变流电路，因为没有中间直流环节，因此属于直接变频 电路。交电路。交-交变频电路也叫周波变流器交变频电路也叫周波变流器Cycloconverter）。实）。实 现现AC/AC 变换，主要应用于大功率交流电动机调速系统。变换，主要应用于大功率交流电动机调速系统。 图图7-54 交交-交变频电路框图交变频电路框图分类分类按输出的相数，分为单相、两相和三相交交变频器。按输出的相数，分为单相、两相和三相交交

51、变频器。按输出波形可分为正弦波和方波变频器。按输出波形可分为正弦波和方波变频器。 第六节第六节 交交-交变频电路交变频电路1.一、单相交一、单相交-交变频电路交变频电路电路构成和基本工作原理电路构成和基本工作原理 由由P组和组和N组反并联的晶闸管相控组反并联的晶闸管相控整流电路构成，和直流电动机可逆调整流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。速用的四象限变流电路完全相同。 工作原理工作原理 P组工作时，负载电流组工作时，负载电流io为正，为正， N组工作时，组工作时，io为负。为负。 两组变流器按一定的频率交替两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。工作，

52、负载就得到该频率的交流电。 改变两组变流器的切换频率，改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率就可以改变输出频率0。 改变变流电路工作时的控制角改变变流电路工作时的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。，就可以改变交流输出电压的幅值。 图图7-55原理电路及波形原理电路及波形 第六节第六节 交交-交变频电路交变频电路1.一、单相交一、单相交-交变频电路交变频电路为使为使uo波形接近正弦波，可按正波形接近正弦波，可按正弦规律对弦规律对角进行调制。角进行调制。 在半个周期内让在半个周期内让P组组角按正角按正弦规律从弦规律从90减到减到0或某个值，再或某个值，再增加到增加到90，每个控制间隔内的

53、平，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零；另外半个周期可最高，再减到零；另外半个周期可对对N组进行同样的控制。组进行同样的控制。 uo由若干段电源电压拼接而成，由若干段电源电压拼接而成，在在uo的一个周期内，包含的电源电的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦压段数越多，其波形就越接近正弦波。波。 第六节第六节 交交-交变频电路交变频电路1.一、单相交一、单相交-交变频电路交变频电路单相正弦波交单相正弦波交交变频电路交变频电路 图图7-56 单相交单相交-交变频器主电路交变频器主电路图图7-57 电感性负载时的输出波形电感

54、性负载时的输出波形 （a） 图图7-57 电感性负载时的输出波形电感性负载时的输出波形 图图7-57(a)是电感性负载有最大输出电压时的波形，其周期为电网是电感性负载有最大输出电压时的波形，其周期为电网周周 期的五倍，电流滞后电压，正反组均出现逆变状态。期的五倍，电流滞后电压，正反组均出现逆变状态。当改变控制角时，即可改变输出幅值，降低输出时的电压波形如图当改变控制角时，即可改变输出幅值，降低输出时的电压波形如图 7-57(b)所示。所示。 第六节第六节 交交-交变频电路交变频电路1.二、三相交二、三相交-交变频电路交变频电路交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，这种系统使用交交变频电

55、路主要应用于大功率交流电机调速系统，这种系统使用的是三相交交变频电路，三相交交变频电路是由三组输出电压相位的是三相交交变频电路，三相交交变频电路是由三组输出电压相位各差各差120的单相交交变频电路组成的。的单相交交变频电路组成的。电路接线方式电路接线方式 公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式 由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120的单相交交变的单相交交变频电路构成。频电路构成。 电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。 因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离；为此，因为电源进线端公用，所以三组

56、的输出端必须隔离；为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，共引出交流电动机的三个绕组必须拆开，共引出6根线。根线。 主要用于中等容量的交流调速系统。主要用于中等容量的交流调速系统。 图图7-59 三相桥式交三相桥式交-交变频主电路公共交流母线进线）交变频主电路公共交流母线进线） 第六节第六节 交交-交变频电路交变频电路1.二、三相交二、三相交-交变频电路交变频电路输出星形联结方式输出星形联结方式 三组输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结，三组输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结，电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可。电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只

57、引出三根线即可。 因为三组输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此分别因为三组输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器供电。用三个变压器供电。 构成三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相构成三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。 同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通，两组同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通，两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。图图7-6

58、0 三相桥式交三相桥式交-交变频主电路输出星形联结）交变频主电路输出星形联结） 第六节第六节 交交-交变频电路交变频电路1.二、三相交二、三相交-交变频电路交变频电路输出波形输出波形 图图7-61 三相桥式交三相桥式交-交变频电路电感性负载交变频电路电感性负载u相输出波形相输出波形 第六节第六节 交交-交变频电路交变频电路1.三、变三、变-变频器的特点变频器的特点 和交和交-直直-交变频器相比，交交变频器相比，交-交变频器有以下优点：交变频器有以下优点：只用一次变流，且使用电网换相，提高了变流效率。只用一次变流，且使用电网换相，提高了变流效率。可以方便地实现四象限工作。可以方便地实现四象限工作

59、。低频时输出波形接近正弦波。低频时输出波形接近正弦波。其主要缺点如下：其主要缺点如下：接线复杂，使用的晶闸管较多。由三相桥式变流电路组成的三相接线复杂，使用的晶闸管较多。由三相桥式变流电路组成的三相交交-交变频器至少需要交变频器至少需要36只晶闸管。只晶闸管。受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低。受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低。采用相控方式，功率因数较低。采用相控方式，功率因数较低。由于以上优缺点，交由于以上优缺点，交-交变频器主要用于交变频器主要用于500kW或或1000kW以上，以上，转速在转速在600r/min以下的大功率、低转速的交流调速装置中。目前已在矿以下

60、的大功率、低转速的交流调速装置中。目前已在矿石破碎机、水泥球磨机、卷扬机、鼓风机及轧机主传动装置中获得了较石破碎机、水泥球磨机、卷扬机、鼓风机及轧机主传动装置中获得了较多的应用。它既可用于异步电动机传动，也可用于同步电动机传动。多的应用。它既可用于异步电动机传动，也可用于同步电动机传动。 本章小结本章小结换相方式换相方式 分为自然换相和强迫换相两大类，自然换相包括电网换相和负载分为自然换相和强迫换相两大类，自然换相包括电网换相和负载换相两种，强迫换相包括器件换相和脉冲换相两种。换相两种，强迫换相包括器件换相和脉冲换相两种。 换相概念在晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所换相概念在晶闸

61、管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。下降。逆变电路分类方法逆变电路分类方法 可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类。可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类。 按输出相数分为单相和三相两种。按输出相数分为单相和三相两种。 按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类。按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类。主讲了由晶闸管构成的三相六拍主讲了由晶闸管构成的三相六拍180导电型和三相六拍导电型和三相六拍120导电导电型逆变电路，两者均属脉冲幅度调制型逆变电路，两者均属脉冲幅度调制PAM型逆变电路。型逆变电路。 本章小结本章小结 PWM型逆变器有效

62、地抑制谐波，改善输出波形，调频的同时可调压型逆变器有效地抑制谐波，改善输出波形，调频的同时可调压且动态响应好，成为逆变器的主流和方向。且动态响应好，成为逆变器的主流和方向。PWM的控制分矩形波调的控制分矩形波调制和正弦波调制、单极性调制和双极性调制、同步调制和异步调制。制和正弦波调制、单极性调制和双极性调制、同步调制和异步调制。在变频器的逆变电路中多采用双极性的正弦波调制、分段同步控制方在变频器的逆变电路中多采用双极性的正弦波调制、分段同步控制方式。式。PWM波形的生成技术从早期的模拟控制载波调制到广泛使用的波形的生成技术从早期的模拟控制载波调制到广泛使用的数字控制再到谐波消除、跟踪控制等新的方式方法的不断涌现，使数字控制再到谐波消除、跟踪控制等新的方式方法的不断涌现，使PWM型逆变器的性能不断改善和提高。型逆变器的性能不断改善和提高。 变频器分为交变频器分为交-交变频器和交交变频器和交-直直-交变频器两种，前者为一次换能，交变频器两种，前者为一次换能，一般采用电源电压换相，变频后的输出电压是由电源电压若干线段组一般采用电源电压换相，变频后的输出电压是由电源电压若干线段组合起来的。而后者则通过两次换能，即利用整流器和逆变器，逆变器合起来的。而后者则通过两次换能，即利用整流器和逆变器，逆变器一般采用强迫换相和负载换相。一般采用强迫换相和负载换相。