中國(guó)礦業(yè)大學(xué)-電力電子-考研課件第6章-逆變電路

第六章逆變電路—交-直-交變頻電路基礎(chǔ)6.1變頻器的基本概念6.2電壓逆變器6.4PWM控制技術(shù)6.3電流逆變器6.5PWM整流器原理和控制方法6.1變頻器的基本概念一.變頻器的基本工作原理1.變頻器的電路構(gòu)成整流器:將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能,可以是不可控的，也可以是可控的。6.1變頻器的基本概念一.變頻器的基本工作原理1.變頻器的電路構(gòu)成濾波器:將脈動(dòng)的直流量濾波成平直的直流量,可以對(duì)直流電壓濾波(用電容),也可以對(duì)直流電流濾波(用電感)

因?yàn)槟孀兤鞯呢?fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載，無(wú)論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會(huì)為1，總會(huì)有無(wú)功功率的交換，要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件來(lái)緩沖。逆變器:將直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔?直接供給負(fù)載,它的輸出頻率和電壓均與交流輸入電源無(wú)關(guān),稱為無(wú)源逆變器。它是變頻器的核心。6.1變頻器的基本概念一.變頻器的基本工作原理1.變頻器的電路構(gòu)成2.變頻器的工作原理以單相橋式逆變電路為例S1~S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。用可控開通、關(guān)斷的電力電子開關(guān)來(lái)切換電流方向，將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。6.1變頻器的基本概念一.變頻器的基本工作原理S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)直流電交流電2.變頻器的工作原理改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同。改變Ud電壓或開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，可改變輸出交流電電壓大小。2.變頻器的工作原理6.1變頻器的基本概念一.變頻器的基本工作原理單相交交變頻電路原理圖阻感負(fù)載工作過(guò)程分析：t1前：S1、S4通，uo和io均為正。t1時(shí)刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負(fù)，但io不能立刻反向。io從電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時(shí)刻降為零，之后io才反向并增大2.變頻器的工作原理6.1變頻器的基本概念一.變頻器的基本工作原理3.變頻器常用的調(diào)壓方法(1)可控整流器調(diào)壓根據(jù)負(fù)載對(duì)變頻器輸出電壓的要求，通過(guò)相控整流器實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器輸出電壓的調(diào)節(jié)。分為可控整流器調(diào)壓、直流斬波器調(diào)壓和逆變器自身調(diào)壓三種。特點(diǎn)：電路組成簡(jiǎn)單，低壓深控時(shí)候電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)下降嚴(yán)重，諧波含量大。一般用于電壓變化不大的場(chǎng)合。6.1變頻器的基本概念一.變頻器的基本工作原理（2）直流斬波器調(diào)壓

采用不可控整流器，保證變頻器電源側(cè)有較高的功率因數(shù)，在直流環(huán)節(jié)中設(shè)置直流斬波器完成電壓調(diào)節(jié)。特點(diǎn)：電路增加了斬波環(huán)節(jié)，提高了電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，調(diào)壓方便3.變頻器常用的調(diào)壓方法6.1變頻器的基本概念一.變頻器的基本工作原理逆變器自身控制方案（3）逆變器自身調(diào)壓

采用不可控整流器，通過(guò)逆變器自身的電子開關(guān)進(jìn)行斬波控制，使輸出電壓為脈沖列。改變輸出電壓脈沖列的脈沖寬度，便可達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。這種方法稱為脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation--PWM)3.變頻器常用的調(diào)壓方法6.1變頻器的基本概念一.變頻器的基本工作原理根據(jù)調(diào)制波形的不同，可分為：?jiǎn)蚊}沖調(diào)制：在輸出電壓波形的半周期內(nèi)只有一個(gè)脈沖。多脈沖調(diào)制：在輸出電壓波形的半周期內(nèi)有多個(gè)脈沖。正弦波脈寬調(diào)制：在輸出電壓波形的半周期內(nèi)為多脈沖調(diào)制，而且每個(gè)脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化。（3）逆變器自身調(diào)壓特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，控制電路復(fù)雜3.變頻器常用的調(diào)壓方法6.1變頻器的基本概念一.變頻器的基本工作原理二.變頻器中逆變器的基本類型1.按直流輸入端濾波器分類電壓型逆變器：電流型逆變器：中間直流環(huán)節(jié)采用大電容作為濾波器，逆變器的輸入電壓平直且電源阻抗很小，類似于電壓源。中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為濾波器，逆變器的輸入電流平直且電源阻抗很大，類似于電流源。2.按電子開關(guān)的開關(guān)頻率分類（三相逆變器）6.1變頻器的基本概念電壓型變頻器電流型變頻器三.逆變器中的電子開關(guān)1.逆變器對(duì)電子開關(guān)的要求：對(duì)正向電流既能控制開通，又能控制關(guān)斷。高開關(guān)速度和低能量損耗。有足夠的電壓和電流定額。提供滯后電流通路。實(shí)現(xiàn)負(fù)載與電源間的無(wú)功交換。電壓型逆變器采用逆導(dǎo)型電力電子開關(guān)。逆導(dǎo)型由單向?qū)щ婋娮娱_關(guān)與開關(guān)二極管反并聯(lián)而成。6.1變頻器的基本概念三.逆變器中的電子開關(guān)2.器件換流方式：電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱換相6.1變頻器的基本概念開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使器件開通。關(guān)斷：全控型器件可通過(guò)門極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷。一般在晶閘管電流過(guò)零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。三.逆變器中的電子開關(guān)2.換流方式：電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱換相。分為器件換流、電網(wǎng)換流、負(fù)載換流和強(qiáng)迫換流四種。后三種用于晶閘管電路。（1）器件換流：采用全控型器件。6.1變頻器的基本概念（2）電網(wǎng)換流：利用電網(wǎng)提供換流電壓（例可控整流電路）。器件換流原理圖三.逆變器中的電子開關(guān)2.換流方式：6.1變頻器的基本概念負(fù)載換流原理圖wtwtwtwtOOOOiit1uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4（3）負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓的換流方式，用于負(fù)載為容性場(chǎng)合。直流側(cè)串電感，工作過(guò)程可認(rèn)為id

基本沒(méi)有脈動(dòng)，整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。負(fù)載對(duì)基波的阻抗大而對(duì)諧波的阻抗小。所以u(píng)o接近正弦波。三.逆變器中的電子開關(guān)2.器件換流方式：(4)強(qiáng)迫換流：附加強(qiáng)迫換流環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)晶閘管的關(guān)斷。6.1變頻器的基本概念直接耦合強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖換流方式總結(jié)：器件換流——適用于全控型器件。其余三種方式——針對(duì)晶閘管。器件換流和強(qiáng)迫換流——屬于自換流。電網(wǎng)換流和負(fù)載換流——屬于外部換流。當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅。三.逆變器中的電子開關(guān)6.1變頻器的基本概念1）逆變電路的分類——根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同電壓型逆變電路——又稱為電壓源型逆變電路VoltageSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電壓源電流型逆變電路——又稱為電流源型逆變電路CurrentSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電流源6.2電壓型逆變電路2）電壓型逆變電路的特點(diǎn)電壓型全橋逆變電路

(1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)。

(2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。

(3)阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)續(xù)流二極管。6.2電壓型逆變電路6.2電壓型逆變器一.單相半橋式電壓型逆變器1.主電路2.工作過(guò)程及波形分析V1和V2柵極信號(hào)在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補(bǔ)，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2電容C1和C2和一方面是直流電源的分壓電路，另一方面又是直流電源的濾波環(huán)節(jié)6.2電壓型逆變器一.單相半橋式電壓型逆變器2.工作過(guò)程及波形分析V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時(shí)，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為續(xù)流二極管,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，使用器件少。缺點(diǎn)：輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應(yīng)用：用于幾kW以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合。6.2電壓型逆變器一.單相半橋式電壓型逆變器二.單相全橋式電壓型逆變器1.主電路2.工作過(guò)程及波形分析V1和V4一對(duì)，

V2和V3另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通180度.當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，V1、V4關(guān)斷后，由VD2、VD3提供負(fù)載續(xù)流回路，電流過(guò)零時(shí)V2、V3導(dǎo)通；V2、V3關(guān)斷后，由VD1、VD4提供負(fù)載續(xù)流回路，電流過(guò)零時(shí)V1、V4導(dǎo)通；二.單相全橋式電壓型逆變器1.主電路2.工作過(guò)程及波形分析uo波形同半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Udio波形和半橋電路的io相同，幅值增加一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過(guò)改變直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)。阻感負(fù)載時(shí)，還可采用移相得方式來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓－移相調(diào)壓。單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式a)tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoV3的基極信號(hào)比V1落后q

（0＜q

＜180°）。V3、V4的柵極信號(hào)分別比V2、V1的前移180°－q。輸出電壓是正負(fù)各為q的脈沖。改變q就可調(diào)節(jié)輸出電壓。二.單相全橋式電壓型逆變器q三帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭變壓器的逆變電路Ud和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1時(shí)，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。與全橋電路的比較：比全橋電路少用一半開關(guān)器件。器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高一倍。必須有一個(gè)變壓器。交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。兩個(gè)二極管的作用也是提供無(wú)功能量的反饋通道。三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路可看成由三個(gè)半橋逆變電路組成四.三相橋式電壓型逆變器1.主電路結(jié)構(gòu)四.三相橋式電壓型逆變器1.主電路結(jié)構(gòu)三相橋式電壓型逆變器--主電路結(jié)構(gòu)

續(xù)流二極管用于提供負(fù)載滯后電流通路，可向電源反饋能量。續(xù)流二極管與晶體管配合工作，在主開關(guān)元件關(guān)斷后，同一相（同一橋臂）上另一開關(guān)的續(xù)流二極管導(dǎo)通，為負(fù)載續(xù)流。三相橋式電壓型逆變器2.控制方式（1）180°導(dǎo)電方式

每個(gè)器件導(dǎo)電180°，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各組器件開始導(dǎo)電的角度差120°

任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通每次換流都是在同一相上下兩開關(guān)之間進(jìn)行，也稱為縱向換流三相橋式電壓型逆變器-控制方式晶閘管區(qū)間00~600~1200~1800~2400~3000~3600VT1導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通╳╳╳VT2╳導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通╳╳VT3╳╳導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通╳VT4╳╳╳導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通VT5導(dǎo)通╳╳╳導(dǎo)通導(dǎo)通VT6導(dǎo)通導(dǎo)通╳╳╳導(dǎo)通

每器件導(dǎo)電180°同一相上下兩開關(guān)交替導(dǎo)電任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通換流都是在同一相上下兩開關(guān)之間進(jìn)行各組器件開始導(dǎo)電的角度差120（1）180°導(dǎo)電方式縱向換流三相橋式電壓型逆變器-控制方式

換流在同一橋臂的兩器件進(jìn)行，需準(zhǔn)確控制，器件的開關(guān)速度高輸出電壓波形與負(fù)載的功率因數(shù)無(wú)關(guān)（1）180°導(dǎo)電方式半周期內(nèi)星形負(fù)載的等值電路為：三相橋式電壓型逆變器-控制方式U相相電壓波形

器件按順序每隔60°導(dǎo)通。每器件導(dǎo)電120°任一瞬間有二個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通換流都是在相臨兩臂之間進(jìn)行各組器件開始導(dǎo)電的角度差120（2）120°導(dǎo)電方式三相橋式電壓型逆變器-控制方式

同一橋臂上兩器件交交替導(dǎo)通，但中間有60度間隔，有利于換流任輸出電壓波形和負(fù)載相位均受負(fù)載功率因數(shù)影響，穩(wěn)定性較差。120度導(dǎo)電方式常用于電流型逆變器（2）120°導(dǎo)電方式三相橋式電壓型逆變器-控制方式半周期內(nèi)星形負(fù)載的等值電路為：電阻負(fù)載時(shí)U相相電壓波形3.180度導(dǎo)電波形分析

負(fù)載各相到電源中點(diǎn)N‘的電壓：U相，1通uUN'=Ud/2，

4通，uUN'=-Ud/2三相橋式電壓型逆變器三相橋式電壓型逆變器--波形分析

負(fù)載線電壓

負(fù)載相電壓三相橋式電壓型逆變器--波形分析

負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓

負(fù)載三相對(duì)稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是

電壓型三相橋式逆變電路的工作波形三相橋式電壓型逆變器--波形分析

三相橋式電壓型逆變器3.波形分析三相橋式電壓型逆變器--波形分析

波形分析

電流型逆變電路主要特點(diǎn)

(1)

直流側(cè)串大電感，電流基本無(wú)脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源。6.3電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。電流型三相橋式逆變電路

(2)

交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。多采用120度導(dǎo)電控制。

(3)直流側(cè)電感起緩沖無(wú)功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。6.3.1單相電流型逆變電路1)電路原理單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路由四個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器，用來(lái)限制晶閘管開通時(shí)的di/dt。工作方式為負(fù)載換相。電容C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。6.3.1單相電流型逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形2)工作分析一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。t1~t2：VT1和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，iｏ=Id，t2時(shí)刻前在C上建立了左正右負(fù)的電壓。t2~t4：t2時(shí)觸發(fā)VT2和VT3開通，進(jìn)入換流階段。6.3.1單相電流型逆變電路2)工作分析LT使VT1、VT4不能立刻關(guān)斷，電流有一個(gè)減小過(guò)程。VT2、VT3電流有一個(gè)增大過(guò)程。4個(gè)晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電容電壓經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電。LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一個(gè)經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4到C。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形6.3.1單相電流型逆變電路t=t4時(shí)，VT1、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4－t2=tg

稱為換流時(shí)間。io在t3時(shí)刻，即iVT1=iVT2時(shí)刻過(guò)零，t3時(shí)刻大體位于t2和t4的中點(diǎn)。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形6.3.1單相電流型逆變電路保證晶閘管的可靠關(guān)斷晶閘管需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時(shí)間tb。tb=t5-t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形

器件按順序每隔60°導(dǎo)通。每器件導(dǎo)電120°任一瞬間有二個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通換流都是在相臨兩臂之間進(jìn)行各組器件開始導(dǎo)電的角度差120三相橋式電流型逆變器-控制方式同一橋臂上兩器件交交替導(dǎo)通，但中間有60度間隔，有利于換流三相橋式電流型逆變器—120度導(dǎo)電型

開關(guān)區(qū)間00~600~1200~1800~2400~3000~3600V1導(dǎo)通導(dǎo)通╳╳╳╳V2╳導(dǎo)通導(dǎo)通╳╳╳V3╳╳導(dǎo)通導(dǎo)通╳╳V4╳╳╳導(dǎo)通導(dǎo)通╳V5╳╳╳╳導(dǎo)通導(dǎo)通V6導(dǎo)通╳╳╳╳導(dǎo)通IUNIdId0-Id-Id0IVN-Id0IdId0-IdIWN0-Id-Id0IdId三相橋式電流型逆變器—120度導(dǎo)電型

電流源型三相橋式變頻電路的輸出電流波形與負(fù)載性質(zhì)無(wú)關(guān),輸出電壓波形由負(fù)載的性質(zhì)決定。電壓型和電流型兩類逆變器的比較

1)電壓源型逆變器采用大電容作儲(chǔ)能（濾波）元件，逆變器呈現(xiàn)低內(nèi)阻特性，直流電壓大小和極性不能改變，能將負(fù)載電壓箝在電源電壓水平上，浪涌過(guò)電壓低，適合于穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源，不可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)、多臺(tái)電機(jī)協(xié)同調(diào)速和快速性要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合。2)電流源型逆變器輸入側(cè)電流方向不變，可通過(guò)逆變器和整流器的工作狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)能量流向改變，實(shí)現(xiàn)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)、制動(dòng)運(yùn)行，故可應(yīng)用于頻繁加、減速，正、反轉(zhuǎn)的單機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)。電壓型和電流型逆變器的比較

3）電流源型逆變器因用大電感儲(chǔ)能（濾波），主電路抗電流沖擊能力強(qiáng)，能有效抑制電流突變、延緩故障電流上升速率，過(guò)電流保護(hù)容易。電壓源型逆變器輸出電壓穩(wěn)定，一旦出現(xiàn)短路電流上升極快，難以獲得保護(hù)處理所需時(shí)間，過(guò)電流保護(hù)困難。4）采用晶閘管元件的電流源型逆變器依靠電容與負(fù)載電感的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)換流，負(fù)載構(gòu)成換流回路的一部分，不接入負(fù)載系統(tǒng)不能運(yùn)行。5）電壓源型逆變器必須設(shè)置反饋（無(wú)功）二極管來(lái)給負(fù)載提供感性無(wú)功電流通路，主電路結(jié)構(gòu)較電流源逆變器復(fù)雜。電流源型逆變器無(wú)功功率由附加電容儲(chǔ)存，無(wú)需二極管續(xù)流，主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。逆變器小結(jié)講述基本的逆變電路的結(jié)構(gòu)及其工作原理四大類基本變流電路中，AC/DC和DC/AC兩類電路更為基本、更為重要換流方式分為外部換流和自換流兩大類，外部換流包括電網(wǎng)換流和負(fù)載換流兩種，自換流包括器件換流和強(qiáng)迫換流兩種。晶閘管時(shí)代十分重要，全控型器件時(shí)代其重要性有所下降。逆變器小結(jié)逆變電路分類方法可按換流方式、輸出相數(shù)、直流電源的性質(zhì)或用途等分類。本章主要采用按直流側(cè)電源性質(zhì)分類的方法，分為電壓型和電流型兩類。電壓型和電流型的概念用于其他電路，會(huì)對(duì)這些電路有更深刻的認(rèn)識(shí)。負(fù)載為大電感的整流電路可看為電流型整流電路。電容濾波的整流電路可看成為電壓型整流電路。逆變器小結(jié)與其它章的關(guān)系本章對(duì)逆變電路的講述是很基本的，還遠(yuǎn)不完整。下一章的PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最多，絕大部分逆變電路都是PWM控制的，學(xué)完下一章才能對(duì)逆變電路有一個(gè)較為完整的認(rèn)識(shí)。逆變電路的直流電源往往由整流電路而來(lái)，二都結(jié)合構(gòu)成交-直-交（間接交流）變流電路。此外，間接直流變流電路大量用于開關(guān)電源，其中的核心電路仍是逆變電路。我們將在第8章繼續(xù)介紹逆變電路，學(xué)完第8章后，對(duì)逆變電路及其應(yīng)用將會(huì)有更完整的認(rèn)識(shí)。電壓型變頻器電流型變頻器晶閘管區(qū)間00~600~1200~1800~2400~3000~3600VT1導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通╳╳╳VT2╳導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通╳╳VT3╳╳導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通╳VT4╳╳╳導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通VT5導(dǎo)通╳╳╳導(dǎo)通導(dǎo)通VT6導(dǎo)通導(dǎo)通╳╳╳導(dǎo)通

每器件導(dǎo)電180°同一相上下兩開關(guān)交替導(dǎo)電任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通換流都是在同一相上下兩開關(guān)之間進(jìn)行各組器件開始導(dǎo)電的角度差120（1）180°導(dǎo)電方式縱向換流三相橋式電壓型逆變器-控制方式波形分析

器件按順序每隔60°導(dǎo)通。每器件導(dǎo)電120°任一瞬間有二個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通換流都是在相臨兩臂之間進(jìn)行各組器件開始導(dǎo)電的角度差120三相橋式電流型逆變器-控制方式同一橋臂上兩器件交交替導(dǎo)通，但中間有60度間隔，有利于換流三相橋式電流型逆變器—120度導(dǎo)電型

開關(guān)區(qū)間00~600~1200~1800~2400~3000~3600V1導(dǎo)通導(dǎo)通╳╳╳╳V2╳導(dǎo)通導(dǎo)通╳╳╳V3╳╳導(dǎo)通導(dǎo)通╳╳V4╳╳╳導(dǎo)通導(dǎo)通╳V5╳╳╳╳導(dǎo)通導(dǎo)通V6導(dǎo)通╳╳╳╳導(dǎo)通IUNIdId0-Id-Id0IVN-Id0IdId0-IdIWN0-Id-Id0IdId三相橋式電流型逆變器—120度導(dǎo)電型

電流源型三相橋式變頻電路的輸出電流波形與負(fù)載性質(zhì)無(wú)關(guān),輸出電壓波形由負(fù)載的性質(zhì)決定。交—交變頻電路與交—直—交變頻電路比較變頻電路類型比較內(nèi)容交—交型交—直—交型換能形式一次換能，效率高兩次換能，效率較低換流方式電網(wǎng)電壓自然換流強(qiáng)迫或負(fù)載換流，或自關(guān)斷器件使用器件數(shù)量多，利用率低較少，利用率高調(diào)頻范圍

電網(wǎng)頻率無(wú)限制輸入功率因數(shù)較低一般相控調(diào)壓時(shí)，低頻低壓時(shí)低；不控整流時(shí)（PWM逆變）較高適用場(chǎng)合低速、大功率交流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)各種交流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，穩(wěn)壓和不停電電源一.PWM控制的基本原理方波窄脈沖三角波窄脈沖單位沖擊函數(shù)正弦半波窄脈沖f(t)d(t)tOa)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖沖量指窄脈沖的面積指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同6.4PWM控制技術(shù)i(t)e(t)

實(shí)例“面積等效原理”電路輸入：e(t)電路輸出：i(t)PWM控制的基本原理PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)6.5PWM控制技術(shù)PWM(PulseWidthModulation)：脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制技術(shù)：通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效獲得所需要的波形（含形狀和幅值）

PWM控制的思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)PWM控制變得十分容易。

PWM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。

現(xiàn)在使用的各種逆變電路、直流斬波電路、交流斬控電路都采用了PWM技術(shù)。1.如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替正弦半波SPWM波若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。二.正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)

對(duì)于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個(gè)完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud

SPWM是指按正弦波規(guī)律調(diào)制輸出脈沖列電壓中的各脈沖寬度，使輸出脈沖列電壓在斬控周期內(nèi)的平均值對(duì)時(shí)間按正弦規(guī)律變化。正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)

根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM

波，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。OwtUd-Ud調(diào)制法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形本法較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化

計(jì)算法2.正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）原理把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，經(jīng)過(guò)信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。在載波與調(diào)制波的交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)電路中開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，得到寬度正比于調(diào)制信號(hào)波幅值的脈沖。正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）單極性SPWM雙極性SPWM正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）原理根據(jù)三角波和正弦波相對(duì)極性不同，可分為：?jiǎn)螛O性SPWM雙極性SPWM

SPWM技術(shù)采用等腰三角波電壓作為載波信號(hào)，正弦波電壓作為調(diào)制信號(hào)，通過(guò)正弦波電壓與三角波電壓信號(hào)相比較的方法，確定各分段矩形脈沖的寬度。正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)

結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對(duì)調(diào)制法進(jìn)行說(shuō)明工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)（1）單極性PWM控制方式控制規(guī)律不要求V1和V4，

V2和V3保持一致導(dǎo)通.以u(píng)o正半周為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷載波和調(diào)制波極性一致（1）單極性PWM控制方式工作過(guò)程導(dǎo)通并不一定有電流流過(guò)，電流可能通過(guò)續(xù)流二極管，與負(fù)載有關(guān)。（2）雙極性PWM控制方式控制規(guī)律V1和V4，

V2和V3保持一致導(dǎo)通.載波和調(diào)制波極性（2）雙極性PWM控制方式工作過(guò)程雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）三相橋式PWM型逆變電路三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差120°下面以U相為例進(jìn)行分析：（2）雙極性PWM控制方式三相橋式PWM逆變電路波形三相橋式PWM型逆變電路

當(dāng)urU>uc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，uUN’=Ud/2當(dāng)urU<uc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，uUN’=-Ud/2當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平uUV波形可由uUN’-uVN’得出，當(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)3和4通時(shí)，uUV=－Ud，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成控制規(guī)律：（2）雙極性PWM控制方式-三相橋逆變防直通的死區(qū)時(shí)間同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來(lái)影響，使其稍稍偏離正弦波（2）雙極性PWM控制方式-三相橋逆變其他調(diào)制法諧波頻率和幅值：同載波周期（開關(guān)頻率）有關(guān)直流電壓利用率：逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓Ud之比。其提高需減小開關(guān)損耗。

控制效果衡量指標(biāo)3.PWM控制說(shuō)明特定諧波消除法、梯形波調(diào)制、三次諧波疊加調(diào)制三相的空間矢量調(diào)制交流斬波電路、直流斬波電路也用PWM控制

PWM電流波電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波

PWM波形可等效的各種波形直流斬波電路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:所需波形

等效的PWM波基于“面積等效原理”3.PWM控制說(shuō)明4.異步調(diào)制和同步調(diào)制載波比——載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，N=fc

/fr根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制3.異步調(diào)制和同步調(diào)制(1)異步調(diào)制——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱的影響就變大N=fc

/fr(2)同步調(diào)制——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時(shí)使載波與信號(hào)波保持同步，即N等于常數(shù)。同步調(diào)制三相PWM波形(N=9)異步調(diào)制和同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制分段同步調(diào)制方式舉例

分段同步調(diào)制——異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用討論：把整個(gè)fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段的N不同在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過(guò)高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過(guò)低為防止fc在切換點(diǎn)附近來(lái)回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法結(jié)論：同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，和分段同步方式效果接近異步調(diào)制和同步調(diào)制5.PWM跟蹤控制技術(shù)PWM波形生成的第三種方法——跟蹤控制方法把希望輸出的波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際波形作為反饋信號(hào)，通過(guò)兩者的瞬時(shí)值比較來(lái)決定逆變電路各開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號(hào)變化常用的有滯環(huán)比較方式和三角波比較方式常用于電流控制，屬于閉環(huán)控制跟蹤型PWM變流電路中，電流跟蹤控制應(yīng)用最多滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流基本原理把指令電流i*和實(shí)際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環(huán)比較器的輸入通過(guò)比較器的輸出控制器件V1和V2的通斷V1（或VD1）通時(shí)，i增大V2（或VD2）通時(shí)，i減小通過(guò)環(huán)寬為2DI的滯環(huán)比較器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*參數(shù)的影響滯環(huán)環(huán)寬環(huán)寬過(guò)寬時(shí)，開關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過(guò)窄時(shí)，跟蹤誤差小，但開關(guān)頻率過(guò)高，開關(guān)損耗增大電抗器L的作用L大時(shí)，i的變化率小，跟蹤慢L小時(shí)，i的變化率大，開關(guān)頻率過(guò)高5.PWM跟蹤控制技術(shù)三相的情況三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形三相電流跟蹤型PWM逆變電路（1）滯環(huán)比較方式采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路特點(diǎn)：（1）硬件電路簡(jiǎn)單（2）實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快（3）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波（4）和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時(shí)輸出電流中高次諧波含量多（5）閉環(huán)控制，是各種跟蹤型PWM變流電路的共同特點(diǎn)（1）滯環(huán)比較方式采用滯環(huán)比較方式實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制把指令電壓u*和輸出電壓u進(jìn)行比較，濾除偏差信號(hào)中的諧波，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器，由比較器輸出控制開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制電壓跟蹤控制電路舉例（1）滯環(huán)比較方式（2）三角波比較方式三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路基本原理不是把指令信號(hào)和三角波直接進(jìn)行比較，而是通過(guò)閉環(huán)來(lái)進(jìn)行控制把指令電流i*U、i*V和i*W和實(shí)際輸出電流iU、iV、iW進(jìn)行比較，求出偏差，通過(guò)放大器A放大后，再去和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波形放大器A通常具有比例積分特性或比例特性，其系數(shù)直接影響電流跟蹤特性特點(diǎn)開關(guān)頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設(shè)計(jì)方便為改善輸出電壓波形，三角波載波常用三相三角波載波和滯環(huán)比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含的諧波少（3）定時(shí)比較方式除上述兩種比較方式外，還有定時(shí)比較方式不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘以固定采樣周期對(duì)指令信號(hào)和被控制變量進(jìn)行采樣，根據(jù)偏差的極性來(lái)控制開關(guān)器件通斷在時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)的時(shí)刻，如i<i*，V1通，V2斷，使I增大如i>i*，V1斷，V2通，使I減小每個(gè)采樣時(shí)刻的控制作用都使實(shí)際電流與指令電流的誤差減小采用定時(shí)比較方式時(shí)，器件的最高開關(guān)頻率為時(shí)鐘頻率的1/2和滯環(huán)比較方式相比，電流控制誤差沒(méi)有一定的環(huán)寬，控制的精度低一些

PWM整流電路及其控制方法實(shí)用的整流電路幾乎都是晶閘管整流或二極管整流晶閘管相控整流電路：輸入電流滯后于電壓，且其中諧波分量大，因此功率因數(shù)很低二極管整流電路：雖位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也很低把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路控制PWM整流電路，