直流-交流变换电路.ppt

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第4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。

4.1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。

4.2有源逆变电路4.2.1单相双半波有源逆变电路,1、电路结构,2、工作原理,1）整流状态（090）当等于零时，输出电压瞬时值ud在整个周期内全部为正；当900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（90180）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，应该大于90。

当在90180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。

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、逆变角逆变状态时的控制角称为逆变角，规定以=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：

4.2.2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,2、最小逆变角确定的方法最小逆变角的大小要考虑以下因素：

（1）换相重叠角。

此值与电路形式、工作电流大小、触发角大小有关。

即根据=-，设=，则：

（2）晶闸管关断时间tq所对应的电角度。

折算后的电角度约4度5度；,（3）安全裕量角。

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，一般取为10度左右。

综上所述，最小逆变角为：

为了可靠防止进入min区内，在要求较高的场合，可在触发电路中加一套保护线路，使在减小时不能进入min区内，或在min处设置产生附加安全脉冲的装置，万一当工作脉冲进入min区内时，由安全脉冲在min处触发晶闸管，防止逆变失败。

4.2.3有源逆变的应用,一、应用之一晶闸管串级调速串级调速的原理：

转子电流表达式,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sE20整流为直流电动势，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，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sE20反相位同频率且频率随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整流为直流电动势，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。

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UI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，即可实现串级调速。

二、应用之二两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在控制角作用下输出整流电压Ud，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。

4.3无源逆变（变频）电路4.3.1变频概述及变频器的种类,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得来的。

我们把“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。

1、变频器的分类,2、静止型常规变频器及特点

（1）间接（交-直-交）变压变频装置,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，而输出环节采用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，但输出逆变环节谐波仍较大。

3）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近正弦波，因而又称之为正弦脉宽调制逆变器。

（2）直接（交-交）变压变频装置,交-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。

4.3.2交电压型、电流型交-直-交变频电路1、交-直-交电压型、电流型变频器及其比较,交-直-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。

根据交-直-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-直-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中间直流环节采用什么样的滤波元件。

（1）交-直-交电压型变频器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，输出采用GTR的六拍逆变。

（2）交-直-交电流型变频器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，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫电流型变频器，见下图。

（3）交-直-交电压型和电流型变频器比较1）无功能量的缓冲不同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。

2）调速时的动态响应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。

3）适用范围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，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。

4）回馈制动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（90，则电动机进入发电状态，且直流电压Ud立即反向，而电流Id方向不变。

于是，逆变器变成整流器，而整流器UR转入有源逆变状态，电能由电机回馈给交流电网。

如图b。

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。

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,4.4无源逆变（变频）电路的原理,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，而这些电路又各有电压和电流型两种形式。

4.4.1单相半桥逆变电路,4.4.2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2Ud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a所示。

4.4.3三相桥式逆变电路,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PWM控制方法，以抑制较大的高次谐波。

三相桥式逆变电路主要有180导电型的交-直-交电压型和120导电型的交-直-交电流型变频器，下面以讨论晶闸管交-直-交变频器为主。

2、180度导电型的交-直-交电压型变频器,

（1）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组成，下图是串联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。

整流器可采用单相或三相整流电路。

Cd为滤波电容，逆变器中VT1VT6为主晶闸管，VD1VD6为反馈二极管，提供续流回路，RU、RV、RW为衰减电阻，L1L6为换流电感，C1C6为换流电容，ZU、ZV、ZW为变频器的三相对称负载。

三相串联电感式电压型变频器逆变部分主电路该逆变器的6个晶闸管按一定的导通规则通断，将滤波电容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。

（2）晶闸管导通规则及输出波形分析,逆变器中6个晶闸管的导通顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1，各晶闸管的触发间隔为60。

电压型逆变器通常采用180导电型，即每个晶闸管导通180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120。

按照每个晶闸管触发间隔为60，触发导通后维持180才被关断的特征（180导电型），可以得到6个晶闸管在360区间里的导通情况，如下表所示。

（3）逆变器中晶闸管的导通情况（180电压型）,（4）每个60区间内的负载等效电路,（6）输出线电压,（5）输出相电压,（7）60120区间的相、线电压值,（8）逆变器相电压和线电压计算值（180电压型）,（9）180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,（11）180导电型逆变器工作规律总结：

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。

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。

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。

三个相电压相位互差120；相电压之和为0。

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。

线电压为倍相电压。

2、120度导电型的交-直-交电流型变频器,在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；另需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、换流损耗加大。

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，也不需要换流衰减电阻和换流电感等元件。

（1）120度电流型变频器主电路组成,输入端采了可控整流，滤波电感L将整流器的输出强制变成直流电流Id。

逆变器部分没有调压功能，只将6个晶闸管按一定的导通规则通断，将电感L送来的恒流Id逆变成频率可调的交流电。

（2）晶闸管导通规则及输出波形分析,逆变器中6个晶闸管的导通顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1，各晶闸管的触发间隔为60。

电流型逆变器通常采用120导电型，即每个晶闸管导通120电角度后被关断，由同一组的另一个晶闸管换流导通。

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，如下表所示。

（3）晶闸管的导通情况（120电流型）,（4）每个60区间内的负载等效电路,（5）逆变器相电流计算值（120电流型）,（6）120导电型逆变器输出的相电流波,（7）120导电型导电规律总结,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。

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。

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。

每个脉冲间隔60内的相电流之和为0。

4.5正弦波脉宽调制（SPWM）变频器,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。

目前，工程中主要采用的PWM技术是正弦PWM（SPWM），这是因为变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，归纳起来可分为电压正弦PWM、电流正弦PWM和磁通正弦PWM等三种基本类型，其中电压正弦PWM和电流正弦PWM是从电源角度出发的SPWM，磁通正弦PWM（也称为电压空间矢量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，控制线路结构得以简化；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，变频器的动态响应快；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。

4.5.1电压正弦脉宽调制的工作原理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。

如果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。

这样，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,

（2）SPWM变压变频器主电路原理图,（3）单极式SPWM波的形成,（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,2、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。

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。

（2）异步调制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。

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。

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与间隙时间的采样，从而生成SPWM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。

A点为脉冲发生时刻，B点为脉冲结束时刻，在三角波的一个周期Tt内，t2为SPWM波的高电平时间，称作脉宽时间，t1与t3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,

（2）规则采样法规则采样法有：

规则采样法、规则采样法。

规则采样法是将三角波的负峰值对应的正弦控制波值（E点）作为采样电压值，由E点水平截取A、B两点，从而确定脉宽时间t2。

在这种采样法中，每个周期的采样点E对时间轴都是均匀的，这时AE=EB，t1=t3，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,4.5.2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，经常采用电流正弦PWM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PI控制、滞环控制及无差拍预测控制等几种，都具有控制简单，动态响应快和电压利用率高的特点。

目前，实现电流正弦PWM控制的常用方法是电流滞环SPWM，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。

缺点是电流谐波较大。

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，电流滞环控制型逆变器一相（U相）电流控制原理框图如下图a所示。

（2）三相电流滞环控制型SPWM变频调速系统,4.5.3磁通正弦脉宽调制（电压空间向量）的工作原理（简述）,传统SPWM控制的主要目标是使逆变器输出的电压尽量接近正弦波；而电流跟踪控制的目的是使输出电流按正弦规律变化，它比电压正弦已经进了一步。

然而异步电动机输入正弦电流的最终目的是在空间产生圆形的旋转磁场，从而产生恒定的转矩。

如果能够把逆变器和异步电动机看成一体，直接按照跟踪圆形旋转磁场来控制PWM的逆变电压，使电动机磁通按照正弦脉宽调制，其控制效果一定会更好。

这样的模式叫做“磁链跟踪控制”，而磁链的轨迹是靠电压空间向量相加得到的，所以又称电压空间向量控制。

它是从电机角度出发的SPWM方法。