直流交流变换电路资料.pptx

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1、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。第1页/共68页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、电路结构 图3-1第2页/共68页 2、工作原理、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

2、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。第3页/共68页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

3、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。第4页/共68页 （a）=60的整流状态 （b）=120的逆变状态单相双半波电路=60的整流和=120的逆变时的仿真波形第5页/共68页要使整流电路工作在逆变状态，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，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、逆变角逆变时的控制角称为逆

4、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：第6页/共68页3.2.2 逆变失败与最小逆变角的限制1、逆变失败、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。第7页/共68页造成逆变失败的原因：（1 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

5、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。第8页/共68页交流侧电抗对逆变换相过程的影响图3-2第9页/共68页 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；第10页/共68页 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1

6、0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。第11页/共68页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。第12页/共68页（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

7、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。第13页/共68页（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

8、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。第14页/共68页3.3 无源逆变（变频）电路无源逆变（变频）电路3.3.1 变频器概述变频器概述 将电网提供的恒压恒频将电网提供的恒压恒频CVCF(Constant Voltage Constant Frequency)交流电交流电变换为变换为变压变压变频变频VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)交流电供给负载交流电供给负载”的过程称为变频，的过程称为变频，实现变频的装置叫变频器。实现变频的装置

9、叫变频器。变频器：变频器：交交-交变频器交变频器 交交-直直-交变频器交变频器 第15页/共68页 1、交、交-交变频器交变频器工频交流电直接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（Cycloconverter）。没有中间直流环节，仅用一次变换实现变频，效率高。交-交变频器的主要构成环节。第16页/共68页2、交、交-直直-交变频器交变频器 先把交流电转换为直流电，经中间滤波环节后，再把直流电逆变成变压变频的交流电，又称为间接变频器。主要构成环节如图a所示。第17页/共68页1）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 输入输入：晶闸管可

10、控整流，功率因数低；：晶闸管可控整流，功率因数低；输出输出：晶闸管三相六拍逆变器，输出谐波较大。：晶闸管三相六拍逆变器，输出谐波较大。2）用用不不可可控控整整流流器器整整流流、斩斩波波器器调调压压、再再用用逆逆变变器器调调频频 输输入入：不不可可控控整整流流器器，只只整整流流不不调调压压，斩斩波波器器脉脉宽宽调调压，压，输入功率因数高；输入功率因数高；输出：输出：逆变环节谐波较大。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）用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器调压调频 输入：输入：不可控整流器，输入功率因数高；不可控整流器，输入功率因数高；输出：输出：用用PWM逆变，则输出

11、谐波可以减少。输出波形逆变，则输出谐波可以减少。输出波形 非常逼近正弦波。非常逼近正弦波。第18页/共68页3、电压型、电流型交、电压型、电流型交-直直-交变频器比交变频器比较较 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。第19页/共68页（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3-4第20页/共68页（2）交-直-

12、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。图3-5第21页/共68页 （3 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1 1）无功能量的缓冲）无功能量的缓冲 电压型电压型：电容电容储能；储能；电流型电流型：电感电感储能。储能。2 2）调速时的动态响应）调速时的动态响应 电流型电流型：直流电压可迅速改变，：直流电压可迅速改变，动态响应比较快动态响应比较快；电压型电压型：直流电压不可改变，：直流电压不可改变，动态响应慢动态响应慢。3 3）适用范围）适用范围 电压型电压型：多电机同步运行多电机同步运行，不可快速加减速。，不可

13、快速加减速。电流型电流型：单电机传动单电机传动，可快速起制动和可逆运行。，可快速起制动和可逆运行。第22页/共68页4）回馈制动）回馈制动 电流型变频器电流型变频器-电动电动：UR整流整流90，Ud反反向向，CSI整整流，电机发电，电流流，电机发电，电流Id方向不变。如图方向不变。如图b。电压型变频器电压型变频器电动电动：与上同；：与上同；制制动动：电电容容电电压压极极性性不不能能反反向向，无无法法回回馈馈制制动动。只只可可用用能能耗耗制制动动或或反反并并联联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动电电流流，实现回馈制动。

14、实现回馈制动。第23页/共68页电流型变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状电流型变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态态 第24页/共68页3.3.2 无源逆变（变频）电路的原理无源逆变（变频）电路的原理1、单相半桥逆变电路单相半桥逆变电路 图3-7第25页/共68页2、单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路 图3-8第26页/共68页3、三相桥式逆变电路、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导电型交导电型交-直直-交电压型交电压型 120导电型交导电型交-直直-交电交电流型流型图3-9第27页/共68页3.3.3 180度导电型的交度导电型的交-直直-交电

15、压型变频器交电压型变频器6个个晶晶闸闸管管按按一一定定的的规规则则通通断断，将将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。调调压压靠靠前前级级的的可可控控整整流流电电路路完完成成。1、主电路组成、主电路组成图3-10第28页/共68页 主电路主电路=整流器整流器+滤波电容滤波电容+晶闸管逆变器晶闸管逆变器整流器整流器：单相或三相整流电路。滤波电容滤波电容：Cd。逆变器：逆变器：VT1VT6主晶闸管；VD1VD6 续流二极 管；RU、RV、RW为衰减电阻；L1L6为 换流电感；C1C6为换流电容；ZU、ZV、ZW三相对称负载。第29页/共68页2、晶闸管导

16、通规则及输出波形分析、晶闸管导通规则及输出波形分析逆变器一个周期中：逆变器一个周期中：（1）6个晶闸管的导通顺序为：个晶闸管的导通顺序为：VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1，则各晶闸管的触发间隔为则各晶闸管的触发间隔为60。（2）每组晶闸管触发间隔为）每组晶闸管触发间隔为120。每相晶闸管。每相晶闸管触发间隔为触发间隔为180。（3）按顺序，晶闸管触发间隔为）按顺序，晶闸管触发间隔为60，每个晶闸，每个晶闸管维持导通管维持导通180后关断后关断(180导电型导电型)。6个晶闸个晶闸管在管在360区间里的导通情况如下表。区间里的导通情况如下表。第30页/共68页（1）逆变器中晶闸管的导通

17、情况（）逆变器中晶闸管的导通情况（180电压电压型）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 导通导通第31页/共68页（2）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 图3-11第32页/共68页（4）输出线电压）输出线电压（3）输出相电压）输出相电压第33页/共68页（5）60120区间的相、线电压值区间的相、线电压值 第34页/共68页（6）逆变器相电压和线电压

18、计算值）逆变器相电压和线电压计算值（180电压型）电压型）第35页/共68页（7）180逆变器输出的相电压、线电压波逆变器输出的相电压、线电压波形形图3-12第36页/共68页（8）相、线电压波形的有效值）相、线电压波形的有效值第37页/共68页（10）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 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

19、。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。第38页/共68页3.3.4 120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 1、主电路的组成、主电路的组成w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。第39页/共68页图3-13第40页/共68

20、页主电路=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：VT1VT6主晶闸管；VD1VD6 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。第41页/共68页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 1）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。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

21、闸管在360区间里的导通情况如下表。第42页/共68页（1）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导通导通 导通导通第43页/共68页（2）每个60区间内的负载等效电路 图3-14第44页/共68页（3）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

22、-Id0IVN-Id0IdId0-IdIWN0-Id-Id0IdId第45页/共68页（4）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 图3-15第46页/共68页（5）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通，它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。导通，它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。在在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为流为Id。而不导通元件所对应相的电流为。而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

23、为正正，共共阴阴极极组元件所通过的相电流为负。组元件所通过的相电流为负。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。第47页/共68页3.4 正弦波脉宽调制(SPWM)逆变技术脉宽调制（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

24、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。第48页/共68页3.4.1 电压正弦脉宽调制的工作原理1、电压正弦脉宽调制原理、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

25、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。第49页/共68页 电压正弦波脉宽调制(SPWM)波形 图3-16第50页/共68页（2）SPWM变压变频器主电路原理图变压变频器主电路原理图 图3-17第51页/共68页（3）单极式）单极式SPWM波的形波的形成成 图3-19第52页/共68页（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制 第53页/共68页（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

26、形 图3-20第54页/共68页2、SPWM逆变器的同步调制和异步调逆变器的同步调制和异步调制制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。第55页/共68页（1）同步调制）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

27、转矩和较强的噪声。第56页/共68页（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。第57页/共68页 （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

28、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。第58页/共68页3、SPWM的实现方法的实现方法 （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。第59页

29、/共68页 自然采样法 规则采样法 图4-28图4-29第60页/共68页（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。为此有第61页/共68页（3）指定谐波消除法 图4-30第62页/共68页4、电流正弦脉宽调制的工作原理（补充）、电流正弦脉宽调制的工作原理（补充）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

30、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是电流闭环控制，主要有PI控制、滞环控制及无差拍预测控制等。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。第63页/共68页（1）滞环电流跟踪控制）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

31、图a所示。第64页/共68页（2）三相电流滞环控制型）三相电流滞环控制型SPWM变频调速系变频调速系统统 第65页/共68页5、磁通、磁通SPWM（电压空间向量）（电压空间向量）(补充、简补充、简述）述）电压SPWM控制的目标是使逆变器的输出电压尽量接近正弦波；而电流SPWM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。第66页/共68页本章选学内容3.4.3 电压空间向量SVPWM的工作原理(选学）3.4.4 三电平逆变电路三电平逆变电路（选学）教材作者提供Word文档，各校根据教学需要自行制作PPT。第67页/共68页感谢您的观看！第68页/共68页