异步电动机变频调速系统.

u0 ωt
VT1 C i0 R VT2 u0
VT3
i
0
Ed
L VT4
i 0 uVT ω t1
iVT2 iVT3
ωt ωt
uVT1 uVT4 b） ωt
a）
0 负载换流电路及工作波形 a）电路图 b）波形图
2、强迫换流 逆变器中大量使用电容元件组成换流电路，利用 电容器的储能作用在需要换流的时刻产生短暂的反向 脉冲电压，强迫导通的管子关断。
u0 i0 Ld id 0 i0 iVT1 iVT4 iVT2 iVT3 ω t1 uVT1 uVT4 ωt ωt u0 ωt
VT1 C i0 R VT2 u0
VT3
i 0
Ed
L VT4
i 0 uVT
a）
0 负载换流电路及工作波形 a）电路图 b）波形图
使电流流通路 径改变，所以 负载电流基本 呈矩形波。因 为负载工作在 对基波电流接 近并联谐振的 状态，故对基 波的阻抗很大 而对谐波的阻 抗很小，因此 负载电压u0波 形接近正弦波。
b）
ωt
换流方式：1、负载换流
设在ω t1时刻前VT1、VT4为通态，VT2、VT3为断态，u0、i0均为正，VT2、 VT3上施加的电压即为u0。在ωt1时刻触发VT2、VT3使其开通，负载电压u0 就通过VT2、VT3分别加到VT4、VT1上，使其承受反向电压而关断，电流从 VT1、VT4转移到VT3、VT2。触发VT2、VT3的时刻ωt1必须在u0过零前并 留有足够的裕量，才能使换相顺利完成。从VT2、VT3到VT4、VT1的换流过 程和上述情况类似。
26.1 变频调速的基本工作原理
将直流电变换为某一频率或可变 频率的交流电直接供给负载使用的 过程称为无源逆变。 在无源逆变电路中，晶闸管由直 流电源供电，并承受正向直流电压， 因此晶闸管的关断不能像整流电路 中依靠交流电压过零来实现。
无源逆变是将直流电转变为负载所需要的不同频率和电压 值的交流电。实现无源逆变的装置称为无源逆变器（简称逆变 器），因无源逆变经常与变频概念联系在一起，所以又把调压、 调频的逆变器特称为变频器，逆变器应包括3部分电路。 （1）主电路。它是能量变换的主体，包括相应的电力电子器 件及吸收电力电子器件上换流过电压的缓冲电路，其电路结构 也像整流电路那样有零式和桥式、单相和多相之分。 （2）电力电子器件的门控电路。 （3）控制电路。完成对主电路的控制，实现逆变。 无源逆变被广泛应用在交流电动机变频调速，这种交流传 动装置性能可靠，动、静态性能卓越，节能恒频的逆变器主要 用于感应加热炉的电源，逆变器还被应用于不停电电源UPS等 方面。
逆变电路的基本类型
1、按直流侧电源性质
根据直流侧电源的性质可分为电压型逆变器（VSI）和电流型逆变器 （CSI）。直—交逆变器都由直流电源提供能量。为了使直流电源的电压或 电流稳定，并与负载进行无功功率的交换，在逆变器的直流侧必须设置储 能元件，如电感器或电容器。采用大电容Cd作为储能和滤波元件的逆变器， Cd 的存在是为了保证电压的稳定，故称之为电压型逆变器；采用大电感 Ld作为储能和滤波元件的逆变器， Ld 的设置是为了使直流电流保持稳定， 故称之为电流型逆变器。
全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。对全桥逆变器 输出电压的波形定量分析如下：把幅值为Ud的矩形波u0按傅氏 级数展开得 4U d 1 1 u0 (sin t sin 3t sin 5t ) 3 5
由此可得基波的幅值U01m和基波有效值U01分别为：
U 01m 4U d
2、单相全 桥逆变电路
它有四个桥臂，把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为 加一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通 180°。直流电压Ud接有大电容C，使电源电压稳定。 其输出电压u0的波形和单相半桥逆变电路的波形相同， 也是矩形波，其幅值为Um=Ud，较单相半桥电路输出 电压幅值高出1倍，在负载相同的情况下，其输出电 流的波形同上，仅幅值增加1倍。
电路工作时，两只IGBT V1、V2栅极信号交 替正偏和反偏，两者互补导通与截止。若电路 负载为感性，其工作波形如图，输出电压为矩 形波，幅值为Um=Ud/2。负载电流i0的波形与 负载阻抗角有关。设t2时刻之前V1导通，电容 器C1两端的电压通过导通的V1加在负载上， 极性为右正左负，使负载电流i0由右向左。在 t2时刻给V1关断信号，给V2导通信号，则V1 关断，使感性负载中的电流i0方向不能突变， 于是VD2导通续流，电容器C2两端电压通过 导通的VD2加在负载两端，极性为左正右负。 当t3时刻i0降至零时，VD2截止，V2导通，i0开 始反向。同样，在t4时刻给V2关断信号，给V1 导通信号后，V2关断，i0方向不能突变，由 VD1导通续流，t5时刻i0降至零时，VD1截止， V1导通，i0反向。 由上分析可见，当V1或V2导通时，负载电流与电压同方向，直流侧向负载提 供能量，而当VD1或VD2导通时，负载电流与电压反方向，负载中电感的能量向直 流侧反馈，反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，电容器起缓冲作用。由于二 极管VD1、VD2是负载向直流侧反馈能量的通道，故称反馈二极管；同时VD1、 VD2又起着使负载电流连续的作用，因此也称为续流二极管。如电路中的开关器件 为普通晶闸管，则需附加电容换流电路才能正常工作。半桥逆变电路常用于几千瓦 以下的小功率逆变电源中。
由上分析可见，当V1或V2导通时，负载电流与电压同方向， 直流侧向负载提供能量，而当VD1或VD2导通时，负载电流与 电压反方向，负载中电感的能量向直流侧反馈，反馈回的能量 暂时储存在直流侧电容器中，电容器起缓冲作用。由于二极管 VD1、VD2是负载向直流侧反馈能量的通道，故称反馈二极管； 同时VD1、VD2又起着使负载电流连续的作用，因此也称为续 流二极管。如电路中的开关器件为普通晶闸管，则需附加电容 换流电路才能正常工作。半桥逆变电路常用于几千瓦以下的小 功率逆变电源中。
10.4.1 逆变器的工作原理
如右图所示，四个桥臂由开关构成，输 入直流电压E，负载为电阻R。当将开 关S1和S4闭合，S2和S3断开时，电阻 上得到左正右负的电压，间隔一段时间 后将开关S1、S4打开，S2、S3闭合， 电阻上得到右正左负的电压。若以频率f 交替切换S1、S4和S2、S3，在电阻上 就可以得到图b所示的电压波形。
S
C VT +
负载
直接耦合式强迫换流工作原理图
在强迫换流方式中，由换流电路 内电容直接提供换流电压的方式 称为直接耦合式强迫换流（电压 换流），其工作原理如左图所示， 在晶闸管VT处于通态时，预先 给电容器C按图中所示极性充电， 如果合上开关S，就可以使晶闸 管被施加反向电压关断。
2、强迫换流
如果通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流， 则称为电感耦合式强迫换流（电流换流）。图a）中的晶闸在LC振荡第一个 半周期内关断，图b）中的晶闸在LC振荡第二个半周期内关断，因为在晶闸 管导通期间，两图中电容器所充的电压极性不同。在图a）中，接通开关S后， LC振荡电流将反向流过晶闸管VT，与VT的负载电流相减，直到VT的合成正 向电流减到零后，再流过二极管VD。在图b）中，接通开关S后，LC振荡电 LC 流正向流过VT并和VT中原有负载电流叠加，经半个振荡周期
～
交流输入
—
Cd
交流输出
—
电压型逆变器
～ —
Ld
～
交流输入
交流输出
—
电流型逆变器
～
2、按主电路结构 半桥逆变器、全桥逆变器、二电平逆变器、多电平逆变器。 3、按所用器件及其关断方式 依据逆变器所用的电力电子器件及其关断（换流）方式的 不同可分为自关断（用全控型开关，如IGBT、电力MOSFET、 MCT和IGCT等）、强迫关断（换流）、交流电源电动势换流 逆变器（有源逆变器）、负载反电动势或负载谐振换流逆变器。 4、按负载的控制要求 当逆变器向负载供电时，其输出的电压（电流）和频率往 往是需要根据负载的控制要求而变化，所以根据逆变器的电压 和频率的控制方式的不同可分为： （1）脉冲宽度调制（PWM），PWM逆变器。 （2）脉冲幅值调制（PAM），PAM逆变器。 （3）用阶梯波调幅或用数台逆变器通过变压器实现串并联的 移相调压，方波或阶梯波逆变器。
3、器件换流 得用全控型器件自关断能力进行关断，在 采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全 控型器件的电路中，其换流方式即为器件换流。 4、电网换流 由电网提供换流电压。如前所述的可控整 流电路，无论其工作在整流状态还是有源逆变 状态，都是借助于电网电压实现换流的，都属 于电网换流。在换流时，只要把负的电网电压 施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。这种 换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也 不需要为换流附加任何元件，但是它不适用于 没有交流电网的无源逆变电路。
显然这是一种幅值为E的周期性交 变电压，随着电压的变化，电流也 从一个臂转移到另外一个臂，通常 将这一过程称为换相或换流。对逆 变器来说，关键的问题就是换流。 研究换流方式主要是研究如何使器 件关断。
换流方式：1、负载换流
由负载提供换流电压，即负载电流的相位超前负载电压的场合，都可以实现负载 电流。图a示为基本的负载电流逆变电路，4个桥臂均由晶闸管组成。其负载是电阻、 电感串联后再和电容并联，整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。在实际电 路中，电容往往是为改善负载功率因素，使其略呈容性而接入。在直流侧串入了一个 很大的电感Ld，因而在工作过程中可以认为id基本没有变动。 该电路的工作波形如图b所示。由于直流电流近似为恒值， 4个桥臂开关的切换
u0 i0 Ld id 0 i0 iVT1 iVT4 iVT2 iVT3 ω t1 uVT1 uVT4 ωt ωt u0 ωt
VT1 C i0 R VT2 u0VT
a）
0 负载换流电路及工作波形 a）电路图 b）波形图
b）
ωt
u0 i0 Ld id 0 i0 iVT1 iVT4

1.27U d
U 01
2 2U d

0.9U d
2、单相全 桥逆变电路
它有四个桥臂，把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为 加一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通 180°。直流电压Ud接有大电容C，使电源电压稳定。 其输出电压u0的波形和单相半桥逆变电路的波形相同， 也是矩形波，其幅值为Um=Ud，较单相半桥电路输出 电压幅值高出1倍，在负载相同的情况下，其输出电 流的波形同上，仅幅值增加1倍。
S C VD VT + VD VT S C +
负载
负载
后，振荡电流反向流过 VT，直到VT的合成正 向电流减至零后，再流 过二极管VD。在这两 种情况下，晶闸管都是 在正向电流减至零且二 极管开始流过电流时关 断。二极管上的管压降 就是加在晶闸管上的反 向电压。
电感耦合式强迫换流工作原理图
a）先反向电流 b）先正向电流
10.4.3 基本逆变电路
1、半桥逆变电路
单相半桥逆变电路的电路如图所示，它有两个桥臂，直流电压Ud加在 两个串联足够大的电容器两端，并使得两个电容的连接点为直流电源的中 点，即在每个电容上的电压为Ud/2。负载连接在直流电源中点和两个桥臂 连接点之间。由两个导电桥臂交替工作，使负载得到交变电压和电流，每 个导电桥臂由一个可控器件与一个反并联二极管组成，并联二极管是考虑 对于感性负载，交流电流滞后电压一个相位角。当两组开关管已经反向时， 感性负载电流仍将在滞后角时间内，保持原来的流通方向。故若强迫开断 这一感性负载电流的通路，必然引起过电压，将造成器件损坏，所以并联 二极管构成滞后电流通路。
将交流电变换成直流电的过程称为整 流，将直流电变换为交流电的过程称为逆 变。同一套可控电力电子变流电路既可作 为整流又可作逆变，这种装置称变流器， 根据逆变输出交流电能去向的不同，逆变 电路又可分为有源逆变与无源逆变。有源 逆变是将直流电变成和电网同频率、同相 位、同大小的交流反送到电网去的过程； 而无源逆变则是将直流电变成某一频率或 可调频率的交流电直接供给负载（如交流 电动机、电炉等）使用的过程。