交-直-交变换器
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交-直-交变换器
5.2 电压型与电流型变换器
交-直-交变换器
5.2.1 电压型变换器
1．电路结构
电压型变换器的特点是直流电源接有很 大的滤波电容，从逆变器向直流电源看 过去电源内阻为很小的电压源，保证直 流电压稳定。
交-直-交变换器
交-直-交变换器
2. 输出电压波形
开关元件每隔60°电角度按标号1、2、3、4、5、 6的次序导通，每个元件导通180°就关断，即 同一支臂的两个元件一个导通，另一个关断， 经过360°完成输出电压波形的一个周期。
第5章 交-直-交变换器
交-直-交变换器
主要内容：
电压型和电流型变换器原理； SPWM型变换器。
交-直-交变换器
5.1 简 介
交-直-交变换器就是把工频交流电先通过整流器整流成 直流，而后再通过变换器，把直流电逆变成为频率可 调的交流电。 交-直-交变换器可分为电压型和电流型。SPWM型变换 器是给逆变器固定的直流电压，通过开关元件有规律 的导通和关断，得到由宽度不同的脉冲组成的电压波 形，削弱和消除某些高次谐波，得到具有较大基波分 量的正弦输出电压。
交-直-交变换器
5.4.1 正弦脉宽调制原理及其优点
1．SPWM原理
根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲作 用于惯性系统上时，其输出响应基本相同，且脉冲越 窄，输出的差异越小。它表明，惯性系统的输出响应 主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉 冲的形状无关. 图5-11给出了几种典型的形状不同而冲量相同的窄脉 冲。他们的面积(冲量)均相同。当它们分别作用在同一 个的惯性系统上时，其输出响应波形基本相同。当窄 脉冲变为图5-11 (d)所示的单位脉冲函数时，系统的响 应则变为脉冲过渡函数。
交-直-交变换器
图5-11 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
交-直-交变换器
图5-12画出了一正弦波的正半波，并将其划分为k等分 (图中k＝7)。将每一等分中的正弦曲线与横轴所包围 的面积都用一个与此面积相等的等高矩形波所替代， 从而得到一组等效于正弦波的一组等幅不等宽的矩形
脉冲的方法称为逆变器的正弦脉宽调制(SPWM)。
交-直-交变换器
图 53 三 相 变 换 器 输 出 电 压 波
形
交-直-交变换器
三相线电压为120°宽交变方波。图5-3(a)、(b)、(c)中
电压波形幅值为Ud/2的矩形波。
线电压的有效值：
U L 1 0 2 3 (U A )2 B d (ω ) t1 0 2 3 U d 2 d (ω ) t3 2 U d 0 .8U 1 d(56 -4)
交-直-交变换器
3. 输出电流波形
图5-6 三相变换器△接阻抗负载电压电流波形
交-直-交变换器
5.2.2 电流型变换器
1. 电路结构
电流型变换器的电路原理图如图5-7所示，电流型变换 器的特点是直流电源接有很大的电感，从逆变器向直 流电源看过去电源内阻为很大的电流源，保证直流电 流基本无脉动。
交-直-交变换器
线电压基波分量有效值：
U1L 6ud 0.78ud
Hale Waihona Puke Baidu(5-5)
这种变换器向对称的星形连接的负载供电，输出线对 中点的电压即相电压波形，在每个周期中有六个不同 状态，故称六阶梯波，如图5-4所示。
交-直-交变换器
图5-4 三相变换器相电压波形和在每周期的六个状态
交-直-交变换器
状态1，0°~60°期间，开关元件5、6、1导通，相当于5、6、 1开关闭合。输出端U、W接到电源正极，V端接电源负极，
线 电 压 UUV=Ud ， UVW= -Ud ， UWU=0 ， UUN=UWN=+Ud/3 ， UVN= -Ud/3。依次类推其他5个状态内UUN。UVN和UWN波形与 UUN一样，只是时间上滞后120°和240°。
综上所述，交-直-交变频原理为频率不变的交流电源经整流 器变为直流电，再经逆变器，在其开关元件有规律的导通和 关断，即每隔60°导通一个，导通180°后关断，一个周期中 变换器输出的线电压为方形波，相电压为六阶梯波的交流电。 改变元件导通与关断的频率快和慢，就能改变输出交流电频 率高和低，改变直流环节电压高和低，就能调节交流输出电 压幅值大与小。
2．工作原理
电流型变换器的基本工作方式是120º导通方式，即每 个开关管导通120º，按VT1到VT6的顺序每隔60º依次导 通。其变换器输出电流波形如图5-8所示。
在电流型变换器中，为吸收换相时负载电感中的能量， 如图5-7所示，在交流输出侧加入了电容器。在换相时， 由于负载电感中的能量给电容充电，从而变换器的输 出电压出现电压尖峰。
交-直-交变换器
2．单极性调制
交-直-交变换器
3．双极性调制
交-直-交变换器
一般将正弦调制波的幅值与三角载波的峰值之 比定义为调制度M(亦称调制比或调制系数。
在SPWM变换器中，使用最多的是三相桥式逆 变器。三相桥式逆变器一般都采用双极性控制 方式。U、V和W三相的SPWM的控制通常公用 一个三角波载波信号，用三个相位互差120°的 正弦波作为调制信号，以获得三相对称输出。 U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同。
交-直-交变换器
图5-8 电流型变换器输出电流波形
由电压型变换器的波形分析可类推得电流型变换器的
输出基波电流有效值为
IU1
6
Id
0.78Id
(5-6)
交-直-交变换器
5.3 电压型变换器与电流型 变换器的比较
交-直-交变换器
5.4 脉宽调制(SPWM)变换器
交-直-交变换器
功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极 型晶体管(BJT、MOSFET、IGBT)是自关断器件。 用它们作开关元件构成的SPWM变换器，可使 装置的体积小、斩波频率高、控制灵活、调节 性能好、成本低。SPWM变换器，简单地说， 是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间分配 规律，在变换器输出端获得等幅、宽度可调的 矩形波。这样的波形可以有多种方法获得。
交-直-交变换器
三相桥式逆变器
交-直-交变换器
在双极性SPWM控制方式中，同一相上、下两 个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防 止上、下两个臂直通而造成短路，在给一个臂 施加关断信号后，再延迟时间，才给另一个臂 施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开 关器件的关断时间决定。这个延迟时间将会给 输出的SPWM波形带来影响，使其偏离正弦波。
5.2 电压型与电流型变换器
交-直-交变换器
5.2.1 电压型变换器
1．电路结构
电压型变换器的特点是直流电源接有很 大的滤波电容，从逆变器向直流电源看 过去电源内阻为很小的电压源，保证直 流电压稳定。
交-直-交变换器
交-直-交变换器
2. 输出电压波形
开关元件每隔60°电角度按标号1、2、3、4、5、 6的次序导通，每个元件导通180°就关断，即 同一支臂的两个元件一个导通，另一个关断， 经过360°完成输出电压波形的一个周期。
第5章 交-直-交变换器
交-直-交变换器
主要内容：
电压型和电流型变换器原理； SPWM型变换器。
交-直-交变换器
5.1 简 介
交-直-交变换器就是把工频交流电先通过整流器整流成 直流，而后再通过变换器，把直流电逆变成为频率可 调的交流电。 交-直-交变换器可分为电压型和电流型。SPWM型变换 器是给逆变器固定的直流电压，通过开关元件有规律 的导通和关断，得到由宽度不同的脉冲组成的电压波 形，削弱和消除某些高次谐波，得到具有较大基波分 量的正弦输出电压。
交-直-交变换器
5.4.1 正弦脉宽调制原理及其优点
1．SPWM原理
根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲作 用于惯性系统上时，其输出响应基本相同，且脉冲越 窄，输出的差异越小。它表明，惯性系统的输出响应 主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉 冲的形状无关. 图5-11给出了几种典型的形状不同而冲量相同的窄脉 冲。他们的面积(冲量)均相同。当它们分别作用在同一 个的惯性系统上时，其输出响应波形基本相同。当窄 脉冲变为图5-11 (d)所示的单位脉冲函数时，系统的响 应则变为脉冲过渡函数。
交-直-交变换器
图5-11 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
交-直-交变换器
图5-12画出了一正弦波的正半波，并将其划分为k等分 (图中k＝7)。将每一等分中的正弦曲线与横轴所包围 的面积都用一个与此面积相等的等高矩形波所替代， 从而得到一组等效于正弦波的一组等幅不等宽的矩形
脉冲的方法称为逆变器的正弦脉宽调制(SPWM)。
交-直-交变换器
图 53 三 相 变 换 器 输 出 电 压 波
形
交-直-交变换器
三相线电压为120°宽交变方波。图5-3(a)、(b)、(c)中
电压波形幅值为Ud/2的矩形波。
线电压的有效值：
U L 1 0 2 3 (U A )2 B d (ω ) t1 0 2 3 U d 2 d (ω ) t3 2 U d 0 .8U 1 d(56 -4)
交-直-交变换器
3. 输出电流波形
图5-6 三相变换器△接阻抗负载电压电流波形
交-直-交变换器
5.2.2 电流型变换器
1. 电路结构
电流型变换器的电路原理图如图5-7所示，电流型变换 器的特点是直流电源接有很大的电感，从逆变器向直 流电源看过去电源内阻为很大的电流源，保证直流电 流基本无脉动。
交-直-交变换器
线电压基波分量有效值：
U1L 6ud 0.78ud
Hale Waihona Puke Baidu(5-5)
这种变换器向对称的星形连接的负载供电，输出线对 中点的电压即相电压波形，在每个周期中有六个不同 状态，故称六阶梯波，如图5-4所示。
交-直-交变换器
图5-4 三相变换器相电压波形和在每周期的六个状态
交-直-交变换器
状态1，0°~60°期间，开关元件5、6、1导通，相当于5、6、 1开关闭合。输出端U、W接到电源正极，V端接电源负极，
线 电 压 UUV=Ud ， UVW= -Ud ， UWU=0 ， UUN=UWN=+Ud/3 ， UVN= -Ud/3。依次类推其他5个状态内UUN。UVN和UWN波形与 UUN一样，只是时间上滞后120°和240°。
综上所述，交-直-交变频原理为频率不变的交流电源经整流 器变为直流电，再经逆变器，在其开关元件有规律的导通和 关断，即每隔60°导通一个，导通180°后关断，一个周期中 变换器输出的线电压为方形波，相电压为六阶梯波的交流电。 改变元件导通与关断的频率快和慢，就能改变输出交流电频 率高和低，改变直流环节电压高和低，就能调节交流输出电 压幅值大与小。
2．工作原理
电流型变换器的基本工作方式是120º导通方式，即每 个开关管导通120º，按VT1到VT6的顺序每隔60º依次导 通。其变换器输出电流波形如图5-8所示。
在电流型变换器中，为吸收换相时负载电感中的能量， 如图5-7所示，在交流输出侧加入了电容器。在换相时， 由于负载电感中的能量给电容充电，从而变换器的输 出电压出现电压尖峰。
交-直-交变换器
2．单极性调制
交-直-交变换器
3．双极性调制
交-直-交变换器
一般将正弦调制波的幅值与三角载波的峰值之 比定义为调制度M(亦称调制比或调制系数。
在SPWM变换器中，使用最多的是三相桥式逆 变器。三相桥式逆变器一般都采用双极性控制 方式。U、V和W三相的SPWM的控制通常公用 一个三角波载波信号，用三个相位互差120°的 正弦波作为调制信号，以获得三相对称输出。 U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同。
交-直-交变换器
图5-8 电流型变换器输出电流波形
由电压型变换器的波形分析可类推得电流型变换器的
输出基波电流有效值为
IU1
6
Id
0.78Id
(5-6)
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5.3 电压型变换器与电流型 变换器的比较
交-直-交变换器
5.4 脉宽调制(SPWM)变换器
交-直-交变换器
功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极 型晶体管(BJT、MOSFET、IGBT)是自关断器件。 用它们作开关元件构成的SPWM变换器，可使 装置的体积小、斩波频率高、控制灵活、调节 性能好、成本低。SPWM变换器，简单地说， 是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间分配 规律，在变换器输出端获得等幅、宽度可调的 矩形波。这样的波形可以有多种方法获得。
交-直-交变换器
三相桥式逆变器
交-直-交变换器
在双极性SPWM控制方式中，同一相上、下两 个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防 止上、下两个臂直通而造成短路，在给一个臂 施加关断信号后，再延迟时间，才给另一个臂 施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开 关器件的关断时间决定。这个延迟时间将会给 输出的SPWM波形带来影响，使其偏离正弦波。