交-直-交变频电路

t
➢uo波形同半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud
➢io波形和半桥电路的io相同，幅值增加一倍。
三. 三相桥式电压型逆变器
1.主电路结构
+
V1
V3
V5
Ud 2
VD 1
VD 3
VD 5
N'
U
V
N
Ud 2
VD 4
W VD 6
VD 2
-
V4
V6
V2
逆变器6个桥臂的电子开关由晶体管和反馈二极管组成 V1 ~ V6为主开关元件VD1 ~图VD56-为9 反馈二极管
ua
ub
uc
Z
u2
ZN
Z
O
wt
V4 V6 V2
任何时刻都有3个电子开关导通，换流在同一相的两个桥臂上进行。
半周期内星形负载的等值电路为：
A
+
Z
ECZ -
BZ
0 0 ~ 60 0
+ E
A B
Z
-
Z
CZ
60 0 ~ 120 0
A
+
Z
E BZ -
CZ
120 0 ~ 180 0
按电子开关的开关频率分类
1200导电型逆变器 当三相逆变器的6个电子开关按顺序相差600导通，
uuNNu'uU=uN'uV13uN13('-)W(N)' UNVNWN
➢ 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是
1 uNN' = 3 (uUN' uVN' uWN' )
+
V1
V3
Ud 2
VD1
N'
U
V
Ud 2
VD4
-
V4
V6
V5 VD3
VD 5
W VD6 V2
VD 2
负载相电压
io
Ud S2
uo S4
t1 t2
t
a)
b)
S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 用可控开通，可控关断的电力电子开关，切换电流方向，将
直流电能转换成交流电能。
变频器的工作原理
➢S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正 ➢S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负
变频器的工作原理
➢改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。
➢电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。
➢阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。 阻感负载工作过程分析：
uo
S1 io 负载 S3
io
Ud S2
uo S4
t1 t2
t
a)
b)
t1前：S1、S4通，uo和io均为正。
g) O
路的工作波形
t
+
三相桥式电压型逆变器
U
2 V1 VD1 V3 VD3 V5 VD5
O +A U
B C
M 3~
U V4 VD4 V6 VD6 V2 VD2
2
-
6.5 PWM控制技术
PWM (Pulse Width Modulation)：脉宽调制
脉宽调制技术：通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等 效的获得所需要的波形（含形状和幅值）
t
-
V4
V6
V2
u UV
Ud
uUN = u图UN5-' 9- uNN'
uVN = uVN' - uNN'

uWN = uWN' - uNN '
uNN'
=
1 3 (uUN'
uVN'
uWN'
)
d)
O
t
u NN '
e)
O
u UN
f)
O
2U d 3
Ud 6
t
Ud 3
t
iU
电压型三相桥式逆变电
电流型逆变器： 中间直流环节采用大电感作为滤波器， 逆变器的输入电流平直且电源阻抗很大， 类似于电流源。
2.按电子开关的开关频率分类：
1800 导电型逆变器
+
V1 V3 V5
E
A
B
C
1800 导电型逆变器和1200 导电型逆变器
当三相逆变器的 6个电子开关按顺序相差600导通， 每个电子开关导通1800
t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向。
io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量 向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大
变频器的工作原理
3.变频器常用的调压方法:
可控整流器调压：根据负载对变频器输出电压的要求，通过可控整流器 实现对变频器输出电压的调节。
180°导电方式
➢ 每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相 开始导电的角度差120 °
➢ 任一瞬间有三个桥臂同时导通
➢ 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为 纵向换流
+
V1
V3
V5
Ud 2
VD 1
VD 3
VD 5
N'
U
V
N
Ud 2
VD 4
W VD 6
VD 2
-
V4
V6
V2
三相桥式电压型逆变器
冲宽度，使输出脉冲列电压在斩控周期内的平均值对时间 按正弦规律变化。
对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波
形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：
Ud
O
wt
-U d
正弦波脉宽调制（SPWM）技术
根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM
Ud 2
VD 1
VD 3
VD 5
N'
U
V
N
Ud 2
VD 4
W VD 6
VD 2
-
V4
V6
V2
按V1
V2
V3
V4
V5
图V56的-9顺序触发，6个元件依次相差
T 6
，
每个元件可以导通 T (1200导电型),也可以导通 T (1800导电型)，
3
2
全控器件逆变器多采用1800导电型
三相桥式电压型逆变器
uUN = uUN' - uNN'
N uVN = uVN' - uNN'

uWN = uWN' - uNN '

三相桥式电压型逆变器--波形分析
+
V1
V3
V5
u UN '
a) O
Ud
t
Ud 2
VD1
VD3 VD5
Fra Baidu biblioteku VN '
2
N'
UV
b) O
N
t
Ud 2
W
VD4
VD6 VD2
u WN ' c) O
io
t3 t4
O t1 t2
t5 t6
V1
导通 V4
V2
V1
V3
V4
元件VD1 VD2 VD1 VD2
VD4 VD3 VD4 VD3
b)
1.主电路
VD3 2.工作过程及波形分析
➢V1和V4一对， V2和V3另一对，成对 VD4 桥臂同时导通，两对桥臂交替导通.
当负载为感性时，V1 、 V4关断后，由 VD2、VD3提供负载续流回路，电流过零 t 时V2 、 V3导通； V2 、 V3关断后，由VD1、VD4提供负载 续流回路，电流过零时V1 、 V4导通；
3.波形分析
➢ 负载各相到电源中点N‘的电压：U相，1通 uUN'=Ud/2， 4通，uUN'=-Ud/2
+
V1
V3
V5
Ud 2
VD 1
VD 3
VD 5
N'
U
V
N
Ud 2
VD 4
W VD 6
VD 2
-
V4
V6
V2
图 5 -9
三相桥式电压型逆变器--波形分析
➢ 负载线电压
uuUVuU=N'-VN' uuVWuV=N'-WN'
三相桥式电压型逆变器--主电路结构
+
V1
V3
V5
Ud 2
VD 1
VD 3
VD 5
N'
U
V
N
Ud 2
VD 4
W VD 6
VD 2
-
V4
V6
V2
三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路
应用最广的是三相桥图式5逆-9变电路
可看成由三个半桥逆变电路组成
三相桥式电压型逆变器
2.控制方式
+
V1
V3
V5
三相桥式电压型逆变器--主电路结构
+ V1
V3
V5
Ud
2
VD 1
VD 3
VD 5
U
N'
V
N
Ud
VD 4
W VD 6
VD 2
2
V4 -
V6
V2
反馈二极管用于提供负载滞后电流通路，可向电源 反馈能量。反馈二极管与晶图体5管-9 配合工作，在主开关元
件关断后，同一相另一桥臂上的反馈二极管导通，为负
载续流。
滤波器:将脉动的直流量滤波成平直的直流量,可以对直 流电压滤波(用电容),也可以对直流电流滤波(用电感)
因为逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载， 无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不 会为1，总会有无功功率的交换，要靠中间直流环节的 储能元件来缓冲。
变频器的电路构成
AC
整流器
输入
DC

uuWuUW=N-'UN'

➢ 负载相电压
uuUNuU=N'-NN' uuVNuV=N'-NN'

uuWuNW=N-' NN '

+
V1
V3
V5
Ud 2
VD 1
VD 3
VD 5
N'
U
V
N
Ud 2
VD 4
W VD 6
VD 2
-
V4
V6
V2
三相桥式电压型逆变器--波形分析
➢ 负载中点和电源中点间电压
uo
C2
V2
a)
VD1 VD2
t
io
t3 t4
O t1 t2
t5 t6
t
导通 V1 V2 V1 V2
元件 VD1 VD2 VD1 VD2
b)
电容和一方面C是直1C流2电源的分压电路， 另一方面又是直流电源的滤波环节。
2.工作过程及波形分析
V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、 半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波， 幅值为Um=Ud/2
DC
滤波器
AC
逆变器
输出
逆变器:将直流电能逆变为交流电能,直接供给负载,它 的输出频率和电压均与交流输入电源无关,称为无源逆 变器。它是变频器的核心。
变频器的基本工作原理
2.变频器的工作原理
改变对负载的供电频率
对变频器的要求：
改变对负载的供电电压
以单相桥式逆变电路为例
uo
S1 io 负载 S3
根据调制波形的不同，可分为：
单脉冲调制：在输出电压波形的半周期内只有一个脉冲。
多脉冲调制：在输出电压波形的半周期内有多个脉冲。
正弦波脉宽调制：在输出电压波形的半周期内为多脉冲调制，而且每 个脉冲的宽度按正弦规律变化。
二.变频器中逆变器的基本类型
1.按直流输入端滤波器分类
电压型逆变器： 中间直流环节采用大电容作为滤波器， 逆变器的输入电压平直且电源阻抗很小， 类似于电压源。
V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载 提供能量； VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能 向直流侧反馈。 VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载 电流连续的作用，又称续流二极管。
二.单相全桥式逆变器
+
V1
Ud
C
V2
-
Um O -Um
V3 VD1
R io L
uo
VD2 V4
a)
冲量指窄脉冲的面积
f (t)
f (t)
指环节的输出响应波形基本相同
f (t)
f (t)
d (t)
O
tO
tO
tO
t
a)方波窄脉冲 b) 三角波窄脉冲 c)正弦半波窄脉冲 d)单位冲击函数
图 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
• 实例
i (t) e (t)
电路输入：e(t) 电路输出：i(t)
PWM控制的基本原理
每个电子开关导通1200
+
V1 V3 V5
ua
ub
uc
Z
u2
E
A
B
ZN
C
Z
O
wt
V4 V6 V2
-
任何时刻都有2个电子开关导通，换流在同一组相邻桥臂上进行。
其输出电压波形及基波幅值和相位均受负载功率因数的影响。
半周期内星形负载的等值电路为：
+ E
A
Z
- BZ
CZ
0 0 ~ 60 0
+A Z
E
B Z
CZ
PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展 使得实现PWM控制变得十分容易。
PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性 能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分 重要的地位。
现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。
PWM控制技术 一. PWM控制的基本原理
理论基础
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。
以上实例说明了“面积等效原理”
二.正弦波脉宽调制（SPWM）技术
1. 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替正弦半波
u
SPWM波 u
O
ω>t
O
ωω>tt
u
O
ω>t
若要改变等效输出正弦 波幅值，按同一比例改 变各脉冲宽度即可。
正弦波脉宽调制（SPWM）技术
SPWM是指按正弦波规律调制输出脉冲列电压中的各脉
60 0 ~ 120 0
A Z
+ E BZ -
CZ
120 0 ~ 180 0
三.逆变器中的电子开关
1.逆变器对电子开关的要求：
➢对正向电流既能控制开通，又能控制关断。 ➢高开关速度和低能量损耗。 ➢有足够的电压和电流定额。 ➢提供滞后电流通路。 采用逆导型电力电子开关(由单向导电电子开关与开关二极管反并联而成)
直流斩波器调压：采用不可控整流器，保证变频器电源侧有较高的功率 因数，在直流环节中设置直流斩波器完成电压调节。
逆变器自身调压：采用不可控整流器，通过逆变器自身的电子开关进行 斩波控制，使输出电压为脉冲列。改变输出电压脉冲 列的脉冲宽度，便可达到调节输出电压的目的。这种 方法称为脉宽调制(Pulse Width Modulation--PWM)
第六章 交-直-交变频电路基础
6.1 变频器的基本概念 6.4 全控型器件逆变器 6.5 PWM控制技术
6.1 变频器的基本概念
一.变频器的基本工作原理
1.变频器的电路构成
AC
整流器
输入
DC
DC
滤波器
AC
逆变器
输出
整流器:将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能, 可以是不可控的，也可以是可控的。
2.器件换流方式：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相
自换流型：采用全控型器件。 强迫换流：附加强迫换流环节实现晶闸管的关断。 负载换流：利用负载电流自然过零实现晶闸管的关断。
6.4 全控型器件逆变器
一.单相半桥式逆变器 1.主电路
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
uo Um O -Um
V1 C1 io R L