交直交变频电路基础

三相桥式电压型逆变器
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
Ud 2
V3 VD U
1
V5 VD
3
VD
5
N'
Ud 2
V
VD
4
W VD 6
N VD
以单相桥式逆变电路为例
uo S1 Ud S2 io 负载 S3 uo S 4 io 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
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。 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)
VD5
N VD2
b)
U d 2
t
N'
Ud 2
O u
WN '
t
c) u d) u e) u f)
O
UV
-
V4
t
U
d
uUN
图5 -9- u =u
UN'
NN'
uVN = uVN' - uNN' uWN = uWN' - uNN '

O
U d 6
t
NN '
O O
UN
t
2U 3
d
U d 3
uNN'
t
t3 t4
t 1 t2
t5 t6
t
V1 V2 V1 V2 导通 元件 VD1 VD 2 VD 1 VD2
Leabharlann Baidub)
二.单相全桥式逆变器
+
1.主电路
V1 VD1 C V2 V3 VD3 R io L VD2 a) Um O -Um io t3 O t1 t2 V1 V4 V2 V3 t4 t5 t6 V1 V4
2
V6
反馈二极管用于提供负载滞后电流通路，可向电源 图 5 -9 反馈能量。反馈二极管与晶体管配合工作，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。
三相桥式电压型逆变器--主电路结构
+
V1
Ud 2
V3 VD 1 U V
V5 VD 3 VD 5 N
N'
Ud 2
VD 4
V6
W VD 6
=uuu UVUN'VN' =uuu VWVN'WN' =uuu WUWN'UN'
+
V1
Ud 2

V3
=uuu UNUN' NN' =uuu VNVN' NN' =uuu WNWN' NN '
V5
1

VD
U
VD
3
VD
5
N'
Ud 2
V VD
4
W VD 6 V2
N VD
2
2
-
V4
V6
V2
三相桥式电压型逆变器
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
Ud 2
V3 VD U
1
V5 VD
3
VD
5
N'
Ud 2
V VD
4
W VD 6 V2
N VD
2
-
V4
V6
图 5 -9
三相桥式电压型逆变器--波形分析
负载线电压 负载相电压
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 输入
整流器
DC
滤波器
DC
逆变器
AC 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。 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。
半周期内星形负载的等值电路为：
A + E Z C B Z Z
0 0 ~ 60 0
+ E -
A B C Z Z Z
60 0 ~ 120 0
A + E Z B Z Z
C
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，
每个电子开关导通1200
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。
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 a)方波窄脉冲
t O
t t O t O b) 三角波窄脉冲 c)正弦半波窄脉冲 d)单位冲击函数
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 Ud
S2
io 负载 S3 uo S4
io
t1 t2 b) t
a)
t1前：S1、S4通，uo和io均为正。 t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向。
1 = (uUN' uVN' uWN' ) 3
t
iU g) O
电压型三相桥式逆变电 路的工作波形
t
+
三相桥式电压型逆变器
U
V1 O + A
U 2
U 2
VD1
V3
VD3
V5
VD5
B
VD4
M
VD6
V4
V6
C V2
3~
VD2
-
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） 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。
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。 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：
180 0 导电型逆变器和120 0 导电型逆变器
180 0 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
+
E
V1
A
V3
V5 Z u2 N O
ua
ub
uc
B C V4 V6 V2
Z Z
wt
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。
uo
V4
VD4
-
t
t
导通 元件VD1
VD4
uo波形同半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud
VD2 VD3
VD2 VD3
VD1 VD4 b)
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
Ud 2
V3
V5
VD 1 U V VD 4
V6
VD 3 W VD 6
C1 io R
V1 VD 1 L uo VD 2
Ud
Ud 2
2.工作过程及波形分析
V2
C2 a)
uo Um O -Um
io O
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 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。
图 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
PWM控制的基本原理 • 实例
i (t) e ( t)
电路输入：e(t)
电路输出：i(t)
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
ωt
O
> ω tt
>
u
O
ωt
>
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。
60 0 ~ 120
0
A + E B C
120
0
Z Z Z
~ 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)
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
+
Ud 2
1.主电路
CC 电 容 和 一 方 面 是 直 流 电 源 的 分 压 电 路 ， 12 另 一 方 面 又 是 直 流 电 源 的 滤 波 环 节 。
V2
VD 2
-
V4
三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路 图 5 -9 应用最广的是三相桥式逆变电路 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
Ud 2
V3 VD 1 U V VD 4 V6
V5 VD 3 W VD 6 V2 VD
5
N'
Ud 2
N VD
2
-
V4
T 按V1 V2 V3 V4 V5 V6的顺序触发，个元件依次相差 6 ， 5 9 6 图 T T 每个元件可以导通 (1200 导电型), 也可以导通 (1800 导电型)， 3 2 全控器件逆变器多采用1800 导电型
负载相电压
N'
Ud 2
U
V VD 4 V6
uUN = uUN' - uNN' uVN = uVN' - uNN' uWN = uWN' - uNN '
-
V4

三相桥式电压型逆变器--波形分析
+
u
UN '
V1
Ud 2
V3
V5
a)
O
u
VN '
VD1
U V VD4 V6
VD3
W VD6 V2
-
V4
V6
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
11 =- uuuuuuu ()() NN' UN' VN' WN' UNVNWN 33
负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是
uNN'
+
V1
Ud 2
1 = (uUN' uVN' uWN' ) 3
V3 VD 1 V5 VD 3 W VD 6 V2 VD 5 N VD 2
2.工作过程及波形分析
V1和V4一对， V2和V3另一对，成对 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 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；
Ud
变频器的电路构成
AC 输入 DC DC AC 输出
整流器
滤波器
逆变器
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
V2
VD 5 N VD 2
N'
Ud 2
1 6
V4
逆变器6个桥臂的电子开关由晶体管和反馈二极管组成 5 -为反馈二极管 9 图 V ~ V 为主开关元件VD ~ VD
1 6
三相桥式电压型逆变器--主电路结构
+ V1 Ud 2 N' Ud 2 V4 U VD V3 VD V5 VD VD
1
3
5
V
4
N W VD 6 V2 VD
+
V1 A B C V3
V5
Z Z Z N
ua u2
O
ub
uc
E
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 B C Z Z Z
0 0 ~ 60 0
+ E -
A
Z B C Z Z