異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)講解

1、 將交流電變換成直流電的過程稱為整將交流電變換成直流電的過程稱為整 流，將直流電變換為交流電的過程稱為逆流，將直流電變換為交流電的過程稱為逆 變。同一套可控電力電子變流電路既可作變。同一套可控電力電子變流電路既可作 為整流又可作逆變，這種裝置稱變流器，為整流又可作逆變，這種裝置稱變流器， 根據(jù)逆變輸出交流電能去向的不同，逆變根據(jù)逆變輸出交流電能去向的不同，逆變 電路又可分為有源逆變與無源逆變。有源電路又可分為有源逆變與無源逆變。有源 逆變是將直流電變成和電網(wǎng)同頻率、同相逆變是將直流電變成和電網(wǎng)同頻率、同相 位、同大小的交流反送到電網(wǎng)去的過程；位、同大小的交流反送到電網(wǎng)去的過程； 而無源逆變則是

2、將直流電變成某一頻率或而無源逆變則是將直流電變成某一頻率或 可調(diào)頻率的交流電直接供給負載（如交流可調(diào)頻率的交流電直接供給負載（如交流 電動機、電爐等）使用的過程。電動機、電爐等）使用的過程。 26.126.1變頻調(diào)速的基本工作原理變頻調(diào)速的基本工作原理 無源逆變是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樨撦d所需要的不同頻率和電壓無源逆變是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樨撦d所需要的不同頻率和電壓 值的交流電。實現(xiàn)無源逆變的裝置稱為無源逆變器（簡稱逆變值的交流電。實現(xiàn)無源逆變的裝置稱為無源逆變器（簡稱逆變 器），因無源逆變經(jīng)常與變頻概念聯(lián)系在一起，所以又把調(diào)壓、器），因無源逆變經(jīng)常與變頻概念聯(lián)系在一起，所以又把調(diào)壓、 調(diào)頻的逆變器特稱為變

3、頻器，逆變器應(yīng)包括調(diào)頻的逆變器特稱為變頻器，逆變器應(yīng)包括3部分電路。部分電路。 （1）主電路。它是能量變換的主體，包括相應(yīng)的電力電子器）主電路。它是能量變換的主體，包括相應(yīng)的電力電子器 件及吸收電力電子器件上換流過電壓的緩沖電路，其電路結(jié)構(gòu)件及吸收電力電子器件上換流過電壓的緩沖電路，其電路結(jié)構(gòu) 也像整流電路那樣有零式和橋式、單相和多相之分。也像整流電路那樣有零式和橋式、單相和多相之分。 （2）電力電子器件的門控電路。）電力電子器件的門控電路。 （3）控制電路。完成對主電路的控制，實現(xiàn)逆變。）控制電路。完成對主電路的控制，實現(xiàn)逆變。 無源逆變被廣泛應(yīng)用在交流電動機變頻調(diào)速，這種交流傳無源逆變被廣

4、泛應(yīng)用在交流電動機變頻調(diào)速，這種交流傳 動裝置性能可靠，動、靜態(tài)性能卓越，節(jié)能恒頻的逆變器主要動裝置性能可靠，動、靜態(tài)性能卓越，節(jié)能恒頻的逆變器主要 用于感應(yīng)加熱爐的電源，逆變器還被應(yīng)用于不停電電源用于感應(yīng)加熱爐的電源，逆變器還被應(yīng)用于不停電電源UPS等等 方面。方面。 10.4.1逆變器的工作原理逆變器的工作原理 如右圖所示，四個橋臂由開關(guān)構(gòu)成，輸如右圖所示，四個橋臂由開關(guān)構(gòu)成，輸 入直流電壓入直流電壓E，負載為電阻，負載為電阻R。當(dāng)將開。當(dāng)將開 關(guān)關(guān)S1和和S4閉合，閉合，S2和和S3斷開時，電阻斷開時，電阻 上得到左正右負的電壓，間隔一段時間上得到左正右負的電壓，間隔一段時間 后將開關(guān)后

5、將開關(guān)S1、S4打開，打開，S2、S3閉合，閉合， 電阻上得到右正左負的電壓。若以頻率電阻上得到右正左負的電壓。若以頻率f 交替切換交替切換S1、S4和和S2、S3，在電阻上，在電阻上 就可以得到圖就可以得到圖b所示的電壓波形。所示的電壓波形。 顯然這是一種幅值為顯然這是一種幅值為E的周期性交的周期性交 變電壓，隨著電壓的變化，電流也變電壓，隨著電壓的變化，電流也 從一個臂轉(zhuǎn)移到另外一個臂，通常從一個臂轉(zhuǎn)移到另外一個臂，通常 將這一過程稱為換相或換流。對逆將這一過程稱為換相或換流。對逆 變器來說，關(guān)鍵的問題就是換流。變器來說，關(guān)鍵的問題就是換流。 研究換流方式主要是研究如何使器研究換流方式主要

6、是研究如何使器 件關(guān)斷。件關(guān)斷。 換流方式：換流方式：1、負載換流、負載換流 由負載提供換流電壓，即負載電流的相位超前負載電壓的場合，都可以實現(xiàn)負載由負載提供換流電壓，即負載電流的相位超前負載電壓的場合，都可以實現(xiàn)負載 電流。圖電流。圖a示為基本的負載電流逆變電路，示為基本的負載電流逆變電路，4個橋臂均由晶閘管組成。其負載是電阻、個橋臂均由晶閘管組成。其負載是電阻、 電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，整個負載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。在實際電電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，整個負載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。在實際電 路中，電容往往是為改善負載功率因素，使其略呈容性而接入。在直流側(cè)串入了一個路中，

7、電容往往是為改善負載功率因素，使其略呈容性而接入。在直流側(cè)串入了一個 很大的電感很大的電感Ld，因而在工作過程中可以認為，因而在工作過程中可以認為id基本沒有變動?；緵]有變動。 該電路的工作波形如圖該電路的工作波形如圖b所示。由于直流電流近似為恒值，所示。由于直流電流近似為恒值， 4個橋臂開關(guān)的切換個橋臂開關(guān)的切換 u0 C L R VT4 VT3 VT2 VT1 Ld id i0 Ed i i0 u0 i0 u0 0 uVT i t t t t t t t t 0 0 0 iVT2 iVT3 uVT4 uVT1 iVT1 iVT4 t t1 1 負載換流電路及工作波形負載換流電路及工作波形

8、 a）電路圖）電路圖 b）波形圖）波形圖 a）b） 使電流流通路使電流流通路 徑改變，所以徑改變，所以 負載電流基本負載電流基本 呈矩形波。因呈矩形波。因 為負載工作在為負載工作在 對基波電流接對基波電流接 近并聯(lián)諧振的近并聯(lián)諧振的 狀態(tài)，故對基狀態(tài)，故對基 波的阻抗很大波的阻抗很大 而對諧波的阻而對諧波的阻 抗很小，因此抗很小，因此 負載電壓負載電壓u0波波 形接近正弦波。形接近正弦波。 換流方式：換流方式：1、負載換流負載換流 設(shè)在設(shè)在t1t1時刻前時刻前VT1VT1、VT4VT4為通態(tài)，為通態(tài)，VT2VT2、VT3VT3為斷態(tài)，為斷態(tài)，u0u0、i0i0均為正，均為正，VT2VT2、 V

9、T3VT3上施加的電壓即為上施加的電壓即為u0。在。在t1時刻觸發(fā)時刻觸發(fā)VT2、VT3使其開通，負載電壓使其開通，負載電壓u0 就通過就通過VT2、VT3分別加到分別加到VT4、VT1上，使其承受反向電壓而關(guān)斷，電流從上，使其承受反向電壓而關(guān)斷，電流從 VT1、VT4轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到VT3、VT2。觸發(fā)。觸發(fā)VT2、VT3的時刻的時刻t1必須在必須在u0過零前并過零前并 留有足夠的裕量，才能使換相順利完成。從留有足夠的裕量，才能使換相順利完成。從VT2、VT3到到VT4、VT1的換流過的換流過 程和上述情況類似。程和上述情況類似。 u0 C L R VT4 VT3 VT2 VT1 Ld id i

10、0 Ed i i0 u0 i0 u0 0 uVT i t t t t t t t t 0 0 0 iVT2 iVT3 uVT4 uVT1 iVT1 iVT4 t t1 1 負載換流電路及工作波形負載換流電路及工作波形 a）電路圖）電路圖 b）波形圖）波形圖 a）b） u0 C L R VT4 VT3 VT2 VT1 Ld id i0 Ed i i0 u0 i0 u0 0 uVT i t t t t t t t t 0 0 0 iVT2 iVT3 uVT4 uVT1 iVT1 iVT4 t t1 1 負載換流電路及工作波形負載換流電路及工作波形 a）電路圖）電路圖 b）波形圖）波形圖 a）b）

11、負載負載 S C 2、強迫換流、強迫換流 逆變器中大量使用電容元件組成換流電路，利用逆變器中大量使用電容元件組成換流電路，利用 電容器的儲能作用在需要換流的時刻產(chǎn)生短暫的反向電容器的儲能作用在需要換流的時刻產(chǎn)生短暫的反向 脈沖電壓，強迫導(dǎo)通的管子關(guān)斷。脈沖電壓，強迫導(dǎo)通的管子關(guān)斷。 直接耦合式強迫換流工作原理圖直接耦合式強迫換流工作原理圖 在強迫換流方式中，由換流電在強迫換流方式中，由換流電 路內(nèi)電容直接提供換流電壓的路內(nèi)電容直接提供換流電壓的 方式稱為直接耦合式強迫換流方式稱為直接耦合式強迫換流 （電壓換流），其工作原理如（電壓換流），其工作原理如 左圖所示，在晶閘管左圖所示，在晶閘管VT處

12、于通處于通 態(tài)時，預(yù)先給電容器態(tài)時，預(yù)先給電容器C按圖中所按圖中所 示極性充電，如果合上開關(guān)示極性充電，如果合上開關(guān)S， 就可以使晶閘管被施加反向電就可以使晶閘管被施加反向電 壓關(guān)斷。壓關(guān)斷。 + VT 負載負載 S C 2、強迫換流、強迫換流 如果通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流，如果通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流， 則稱為電感耦合式強迫換流（電流換流）。圖則稱為電感耦合式強迫換流（電流換流）。圖a）中的晶閘在）中的晶閘在LC振蕩第一個振蕩第一個 半周期內(nèi)關(guān)斷，圖半周期內(nèi)關(guān)斷，圖b）中的晶閘在）中的晶閘在LC振蕩第二個半周期內(nèi)關(guān)斷，因為在晶閘

13、振蕩第二個半周期內(nèi)關(guān)斷，因為在晶閘 管導(dǎo)通期間，兩圖中電容器所充的電壓極性不同。在圖管導(dǎo)通期間，兩圖中電容器所充的電壓極性不同。在圖a）中，接通開關(guān)）中，接通開關(guān)S后，后， LC振蕩電流將反向流過晶閘管振蕩電流將反向流過晶閘管VT，與，與VT的負載電流相減，直到的負載電流相減，直到VT的合成正的合成正 向電流減到零后，再流過二極管向電流減到零后，再流過二極管VD。在圖。在圖b）中，接通開關(guān)）中，接通開關(guān)S后，后，LC振蕩電振蕩電 流正向流過流正向流過VT并和并和VT中原有負載電流疊加，中原有負載電流疊加，經(jīng)半個振蕩周期經(jīng)半個振蕩周期 電感耦合式強迫換流工作原理圖電感耦合式強迫換流工作原理圖 a

14、）先反向電流）先反向電流 b）先正向電流）先正向電流 VD + VT 負載負載 S C VD + VT 后，振蕩電流反向流過后，振蕩電流反向流過 VT，直到，直到VT的合成正的合成正 向電流減至零后，再流向電流減至零后，再流 過二極管過二極管VD。在這兩。在這兩 種情況下，晶閘管都是種情況下，晶閘管都是 在正向電流減至零且二在正向電流減至零且二 極管開始流過電流時關(guān)極管開始流過電流時關(guān) 斷。二極管上的管壓降斷。二極管上的管壓降 就是加在晶閘管上的反就是加在晶閘管上的反 向電壓。向電壓。 LC 3、器件換流、器件換流 得用全控型器件自關(guān)斷能力進行關(guān)斷，在得用全控型器件自關(guān)斷能力進行關(guān)斷，在 采用

15、采用IGBT、電力、電力MOSFET、GTO、GTR等全等全 控型器件的電路中，其換流方式即為器件換流?？匦推骷碾娐分?，其換流方式即為器件換流。 4、電網(wǎng)換流、電網(wǎng)換流 由電網(wǎng)提供換流電壓。如前所述的可控整由電網(wǎng)提供換流電壓。如前所述的可控整 流電路，無論其工作在整流狀態(tài)還是有源逆變流電路，無論其工作在整流狀態(tài)還是有源逆變 狀態(tài)，都是借助于電網(wǎng)電壓實現(xiàn)換流的，都屬狀態(tài)，都是借助于電網(wǎng)電壓實現(xiàn)換流的，都屬 于電網(wǎng)換流。在換流時，只要把負的電網(wǎng)電壓于電網(wǎng)換流。在換流時，只要把負的電網(wǎng)電壓 施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。這種施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。這種 換流方式不需要器件具有門極

16、可關(guān)斷能力，也換流方式不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，也 不需要為換流附加任何元件，但是它不適用于不需要為換流附加任何元件，但是它不適用于 沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。 逆變電路的基本類型逆變電路的基本類型 1、按直流側(cè)電源性質(zhì)、按直流側(cè)電源性質(zhì) 根據(jù)直流側(cè)電源的性質(zhì)可分為電壓型逆變器（根據(jù)直流側(cè)電源的性質(zhì)可分為電壓型逆變器（VSI）和電流型逆變器）和電流型逆變器 （CSI）。直）。直交逆變器都由直流電源提供能量。為了使直流電源的電壓或交逆變器都由直流電源提供能量。為了使直流電源的電壓或 電流穩(wěn)定，并與負載進行無功功率的交換，在逆變器的直流側(cè)必須設(shè)置儲電流穩(wěn)定，并與負

17、載進行無功功率的交換，在逆變器的直流側(cè)必須設(shè)置儲 能元件，如電感器或電容器。采用大電容能元件，如電感器或電容器。采用大電容Cd作為儲能和濾波元件的逆變器，作為儲能和濾波元件的逆變器， Cd 的存在是為了保證電壓的穩(wěn)定，故稱之為電壓型逆變器；采用大電感的存在是為了保證電壓的穩(wěn)定，故稱之為電壓型逆變器；采用大電感Ld 作為儲能和濾波元件的逆變器，作為儲能和濾波元件的逆變器， Ld 的設(shè)置是為了使直流電流保持穩(wěn)定，故的設(shè)置是為了使直流電流保持穩(wěn)定，故 稱之為電流型逆變器。稱之為電流型逆變器。 Cd Ld 交流輸入交流輸入 交流輸出交流輸出 交流輸出交流輸出 交流輸入交流輸入 電壓型逆變器電壓型逆變器

18、 電流型逆變器電流型逆變器 2、按主電路結(jié)構(gòu)、按主電路結(jié)構(gòu) 半橋逆變器、全橋逆變器、二電平逆變器、多電平逆變器。半橋逆變器、全橋逆變器、二電平逆變器、多電平逆變器。 3、按所用器件及其關(guān)斷方式、按所用器件及其關(guān)斷方式 依據(jù)逆變器所用的電力電子器件及其關(guān)斷（換流）方式的依據(jù)逆變器所用的電力電子器件及其關(guān)斷（換流）方式的 不同可分為自關(guān)斷（用全控型開關(guān)，如不同可分為自關(guān)斷（用全控型開關(guān)，如IGBT、電力、電力MOSFET、 MCT和和IGCT等）、強迫關(guān)斷（換流）、交流電源電動勢換流等）、強迫關(guān)斷（換流）、交流電源電動勢換流 逆變器（有源逆變器）、負載反電動勢或負載諧振換流逆變器。逆變器（有源逆變

19、器）、負載反電動勢或負載諧振換流逆變器。 4、按負載的控制要求、按負載的控制要求 當(dāng)逆變器向負載供電時，其輸出的電壓（電流）和頻率往當(dāng)逆變器向負載供電時，其輸出的電壓（電流）和頻率往 往是需要根據(jù)負載的控制要求而變化，所以根據(jù)逆變器的電壓往是需要根據(jù)負載的控制要求而變化，所以根據(jù)逆變器的電壓 和頻率的控制方式的不同可分為：和頻率的控制方式的不同可分為： （1）脈沖寬度調(diào)制（）脈沖寬度調(diào)制（PWM），），PWM逆變器逆變器。 （2）脈沖幅值調(diào)制（）脈沖幅值調(diào)制（PAM），），PAM逆變器逆變器。 （3）用階梯波調(diào)幅或用數(shù)臺逆變器通過變壓器實現(xiàn)串并聯(lián)的）用階梯波調(diào)幅或用數(shù)臺逆變器通過變壓器實現(xiàn)串并

20、聯(lián)的 移相調(diào)壓，移相調(diào)壓，方波或階梯波逆變器方波或階梯波逆變器。 10.4.3 基本逆變電路基本逆變電路 1、半橋逆變電路、半橋逆變電路 單相半橋逆變電路的電路如圖所示，它有兩個橋臂，直流電壓單相半橋逆變電路的電路如圖所示，它有兩個橋臂，直流電壓Ud加在加在 兩個串聯(lián)足夠大的電容器兩端，并使得兩個電容的連接點為直流電源的中兩個串聯(lián)足夠大的電容器兩端，并使得兩個電容的連接點為直流電源的中 點，即在每個電容上的電壓為點，即在每個電容上的電壓為Ud/2。負載連接在直流電源中點和兩個橋臂。負載連接在直流電源中點和兩個橋臂 連接點之間。由兩個導(dǎo)電橋臂交替工作，使負載得到交變電壓和電流，每連接點之間。由兩

21、個導(dǎo)電橋臂交替工作，使負載得到交變電壓和電流，每 個導(dǎo)電橋臂由一個可控器件與一個反并聯(lián)二極管組成，并聯(lián)二極管是考慮個導(dǎo)電橋臂由一個可控器件與一個反并聯(lián)二極管組成，并聯(lián)二極管是考慮 對于感性負載，交流電流滯后電壓一個相位角。當(dāng)兩組開關(guān)管已經(jīng)反向時，對于感性負載，交流電流滯后電壓一個相位角。當(dāng)兩組開關(guān)管已經(jīng)反向時， 感性負載電流仍將在滯后角時間內(nèi)，保持原來的流通方向。故若強迫開斷感性負載電流仍將在滯后角時間內(nèi)，保持原來的流通方向。故若強迫開斷 這一感性負載電流的通路，必然引起過電壓，將造成器件損壞，所以并聯(lián)這一感性負載電流的通路，必然引起過電壓，將造成器件損壞，所以并聯(lián) 二極管構(gòu)成滯后電流通路。二

22、極管構(gòu)成滯后電流通路。 電路工作時，兩只電路工作時，兩只IGBT V1、V2柵極信號交柵極信號交 替正偏和反偏，兩者互補導(dǎo)通與截止。若電路替正偏和反偏，兩者互補導(dǎo)通與截止。若電路 負載為感性，其工作波形如圖，輸出電壓為矩負載為感性，其工作波形如圖，輸出電壓為矩 形波，幅值為形波，幅值為Um=Ud/2。負載電流。負載電流i0的波形與的波形與 負載阻抗角有關(guān)。設(shè)負載阻抗角有關(guān)。設(shè)t2時刻之前時刻之前V1導(dǎo)通，電容導(dǎo)通，電容 器器C1兩端的電壓通過導(dǎo)通的兩端的電壓通過導(dǎo)通的V1加在負載上，加在負載上， 極性為右正左負，使負載電流極性為右正左負，使負載電流i0由右向左。在由右向左。在 t2時刻給時刻給

23、V1關(guān)斷信號，給關(guān)斷信號，給V2導(dǎo)通信號，則導(dǎo)通信號，則V1 關(guān)斷，使感性負載中的電流關(guān)斷，使感性負載中的電流i0方向不能突變，方向不能突變， 于是于是VD2導(dǎo)通續(xù)流，電容器導(dǎo)通續(xù)流，電容器C2兩端電壓通過兩端電壓通過 導(dǎo)通的導(dǎo)通的VD2加在負載兩端，極性為左正右負。加在負載兩端，極性為左正右負。 當(dāng)當(dāng)t3時刻時刻i0降至零時，降至零時，VD2截止，截止，V2導(dǎo)通，導(dǎo)通，i0開開 始反向。同樣，在始反向。同樣，在t4時刻給時刻給V2關(guān)斷信號，給關(guān)斷信號，給V1 導(dǎo)通信號后，導(dǎo)通信號后，V2關(guān)斷，關(guān)斷，i0方向不能突變，由方向不能突變，由 VD1導(dǎo)通續(xù)流，導(dǎo)通續(xù)流，t5時刻時刻i0降至零時，降至

24、零時，VD1截止，截止， V1導(dǎo)通，導(dǎo)通，i0反向。反向。 由上分析可見，當(dāng)由上分析可見，當(dāng)V1或或V2導(dǎo)通時，負載電流與電壓同方向，直流側(cè)向負載提導(dǎo)通時，負載電流與電壓同方向，直流側(cè)向負載提 供能量，而當(dāng)供能量，而當(dāng)VD1或或VD2導(dǎo)通時，負載電流與電壓反方向，負載中電感的能量向直導(dǎo)通時，負載電流與電壓反方向，負載中電感的能量向直 流側(cè)反饋，反饋回的能量暫時儲存在直流側(cè)電容器中，電容器起緩沖作用。由于二流側(cè)反饋，反饋回的能量暫時儲存在直流側(cè)電容器中，電容器起緩沖作用。由于二 極管極管VD1、VD2是負載向直流側(cè)反饋能量的通道，故稱反饋二極管；同時是負載向直流側(cè)反饋能量的通道，故稱反饋二極管；

25、同時VD1、 VD2又起著使負載電流連續(xù)的作用，因此也稱為續(xù)流二極管。如電路中的開關(guān)器件又起著使負載電流連續(xù)的作用，因此也稱為續(xù)流二極管。如電路中的開關(guān)器件 為普通晶閘管，則需附加電容換流電路才能正常工作。半橋逆變電路常用于幾千瓦為普通晶閘管，則需附加電容換流電路才能正常工作。半橋逆變電路常用于幾千瓦 以下的小功率逆變電源中。以下的小功率逆變電源中。 由上分析可見，當(dāng)由上分析可見，當(dāng)V1或或V2導(dǎo)通時，負載電流與電壓同方向，導(dǎo)通時，負載電流與電壓同方向， 直流側(cè)向負載提供能量，而當(dāng)直流側(cè)向負載提供能量，而當(dāng)VD1或或VD2導(dǎo)通時，負載電流與導(dǎo)通時，負載電流與 電壓反方向，負載中電感的能量向直流

26、側(cè)反饋，反饋回的能量電壓反方向，負載中電感的能量向直流側(cè)反饋，反饋回的能量 暫時儲存在直流側(cè)電容器中，電容器起緩沖作用。由于二極管暫時儲存在直流側(cè)電容器中，電容器起緩沖作用。由于二極管 VD1、VD2是負載向直流側(cè)反饋能量的通道，故稱反饋二極管；是負載向直流側(cè)反饋能量的通道，故稱反饋二極管； 同時同時VD1、VD2又起著使負載電流連續(xù)的作用，因此也稱為續(xù)又起著使負載電流連續(xù)的作用，因此也稱為續(xù) 流二極管。如電路中的開關(guān)器件為普通晶閘管，則需附加電容流二極管。如電路中的開關(guān)器件為普通晶閘管，則需附加電容 換流電路才能正常工作。半橋逆變電路常用于幾千瓦以下的小換流電路才能正常工作。半橋逆變電路常用

27、于幾千瓦以下的小 功率逆變電源中。功率逆變電源中。 2、單相全、單相全 橋逆變電路橋逆變電路 它有四個橋臂，把橋臂它有四個橋臂，把橋臂1和和4作為一對，橋臂作為一對，橋臂2和和3作為作為 加一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通加一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通 180。直流電壓。直流電壓Ud接有大電容接有大電容C，使電源電壓穩(wěn)定。，使電源電壓穩(wěn)定。 其輸出電壓其輸出電壓u0的波形和單相半橋逆變電路的波形相同，的波形和單相半橋逆變電路的波形相同， 也是矩形波，其幅值為也是矩形波，其幅值為Um=Ud，較單相半橋電路輸出，較單相半橋電路輸出 電壓幅值高出電壓幅值高出1倍，在負載相

28、同的情況下，其輸出電倍，在負載相同的情況下，其輸出電 流的波形同上，僅幅值增加流的波形同上，僅幅值增加1倍。倍。 2、單相全、單相全 橋逆變電路橋逆變電路 它有四個橋臂，把橋臂它有四個橋臂，把橋臂1和和4作為一對，橋臂作為一對，橋臂2和和3作為作為 加一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通加一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通 180。直流電壓。直流電壓Ud接有大電容接有大電容C，使電源電壓穩(wěn)定。，使電源電壓穩(wěn)定。 其輸出電壓其輸出電壓u0的波形和單相半橋逆變電路的波形相同，的波形和單相半橋逆變電路的波形相同， 也是矩形波，其幅值為也是矩形波，其幅值為Um=Ud，較單相半橋電路輸

29、出，較單相半橋電路輸出 電壓幅值高出電壓幅值高出1倍，在負載相同的情況下，其輸出電倍，在負載相同的情況下，其輸出電 流的波形同上，僅幅值增加流的波形同上，僅幅值增加1倍。倍。 全橋逆變電路是單相逆變電路中應(yīng)用最多的。對全橋逆變器全橋逆變電路是單相逆變電路中應(yīng)用最多的。對全橋逆變器 輸出電壓的波形定量分析如下：把幅值為輸出電壓的波形定量分析如下：把幅值為Ud的矩形波的矩形波u0按傅氏按傅氏 級數(shù)展開得級數(shù)展開得 )5sin 5 1 3sin 3 1 (sin 4 0 ttt U u d d d U U U9 . 0 22 01 由此可得基波的幅值由此可得基波的幅值U01m和基波有效值和基波有效值

30、U01分別為：分別為： d d m U U U27. 1 4 01 該式對于半橋逆變電路也是適用的，只是式中的該式對于半橋逆變電路也是適用的，只是式中的Ud要換成要換成Ud/2。 上述分析的都是上述分析的都是u0在正負電壓各為在正負電壓各為180矩形脈沖時的情況。矩形脈沖時的情況。 在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流 電壓電壓Ud來實現(xiàn)。來實現(xiàn)。 在在RL負載時，還可以采用移相的方式來調(diào)節(jié)逆變電路的輸負載時，還可以采用移相的方式來調(diào)節(jié)逆變電路的輸 出電壓，這種方式稱為移相調(diào)壓。移相調(diào)壓實際上就是調(diào)節(jié)輸出出電壓，這種方

31、式稱為移相調(diào)壓。移相調(diào)壓實際上就是調(diào)節(jié)輸出 電壓脈沖的寬度。電壓脈沖的寬度。 3、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 帶中心抽頭變壓器的逆變電路的電路如圖所示。交替驅(qū)動兩個帶中心抽頭變壓器的逆變電路的電路如圖所示。交替驅(qū)動兩個IGBT， 通過變壓器的耦合給負載加上矩形波交流電壓。兩個二極管的作用也是給通過變壓器的耦合給負載加上矩形波交流電壓。兩個二極管的作用也是給 負載電感中儲藏的無功能量提供反饋通道。在負載電感中儲藏的無功能量提供反饋通道。在Ud和負載參數(shù)相同，且變壓和負載參數(shù)相同，且變壓 器一次側(cè)器一次側(cè)2個繞組和二次側(cè)繞組匝比為個繞組和二次側(cè)繞組匝比為1：1：1的情況

32、下，該電路的輸出電的情況下，該電路的輸出電 壓壓u0和輸出電流的波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。該電路雖然比全和輸出電流的波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。該電路雖然比全 橋電路少用了一半開關(guān)器件，但器件承受的電壓卻為橋電路少用了一半開關(guān)器件，但器件承受的電壓卻為2Ud，比全橋高，比全橋高1倍，倍， 且必須有一個變壓器。且必須有一個變壓器。 負載 u0i0 Ud T V2V1 4、三相橋式逆變電路、三相橋式逆變電路 在需要進行更大功率的逆變電路，或者負載要求在需要進行更大功率的逆變電路，或者負載要求 提供三相電源時，需采用三相橋式逆變電路，電路如提供三相電源時，需采用三相橋式逆變電路，電路如

33、 圖。圖。 電壓型和電流型逆變器電壓型和電流型逆變器 10.5.1 電壓型逆變器電壓型逆變器 直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變器，電壓型逆變器直流直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變器，電壓型逆變器直流 側(cè)一般接有大電容，直流電壓基本無脈動，直流回路呈低阻抗，側(cè)一般接有大電容，直流電壓基本無脈動，直流回路呈低阻抗， 相當(dāng)于電壓源。相當(dāng)于電壓源。 1、電壓型逆變器的主要特點：、電壓型逆變器的主要特點： （1）由于直流電壓源的恒壓作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波，）由于直流電壓源的恒壓作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波， 與負載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)電流波形及其相位因負載阻抗角與負載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)電流波形及其相

34、位因負載阻抗角 的不同而異。的不同而異。 （2）當(dāng)交流側(cè)為電感性負載時，需要提供無功功率，直流側(cè)）當(dāng)交流側(cè)為電感性負載時，需要提供無功功率，直流側(cè) 電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的能電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的能 量提供通路，各臂都需并聯(lián)二極管。量提供通路，各臂都需并聯(lián)二極管。 （3）逆變電路從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動的，因直）逆變電路從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動的，因直 流電壓無脈動，必然由直流電流的脈動影響功率的脈動。流電壓無脈動，必然由直流電流的脈動影響功率的脈動。 2、電壓型逆變器的工作原理、電壓型逆變器的工作原理 電路采用電路采用

35、 IGBT作為作為 可控元件，可控元件， 由由6個橋臂個橋臂 組成。為組成。為 了分析問了分析問 題的方便，題的方便， 直流側(cè)畫直流側(cè)畫 出了假定出了假定 中性點中性點N。 三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式為三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式為180導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電方式，即每個橋臂的 導(dǎo)電角度為導(dǎo)電角度為180，同一組橋上下兩個橋臂交替導(dǎo)電，因為每次換相都是在，同一組橋上下兩個橋臂交替導(dǎo)電，因為每次換相都是在 同一相上下兩個橋臂之間進行，因此稱為縱向換相。同一相上下兩個橋臂之間進行，因此稱為縱向換相。6個管子控制導(dǎo)通的順個管子控制導(dǎo)通的順 序為序為V1到到V6，控制間隔為，控制

36、間隔為60，在任一瞬間，將有在任一瞬間，將有3個橋臂同時導(dǎo)通，可能個橋臂同時導(dǎo)通，可能 是上面一個橋臂，下面兩個橋臂，也可能是上面兩個橋臂，下面一個橋臂同是上面一個橋臂，下面兩個橋臂，也可能是上面兩個橋臂，下面一個橋臂同 時導(dǎo)通時導(dǎo)通。 ZU ZV ZW N ZU ZW N ZVZU ZW N ZV N ZVZVZW ZU N ZU ZW ZV N + - + - ZUZW 0 3/ 3/3/23/2 3/43/43/53/52 5、6、1 6、1、2 1、2、3 2、3、4 3、4、5 4、5、6 導(dǎo)通導(dǎo)通 管號管號 等值等值 電路電路 模模 式式 線線 電電 壓壓 相相 電電 壓壓 uUN

37、 uVN uWN uUV uVW uWU +Ud/3 +2Ud/3 +Ud/3 -Ud/3 -2Ud/3 -Ud/3 -2Ud/3 -Ud/3 +Ud/3 +2Ud/3 +Ud/3 -Ud/3 +Ud/3 -Ud/3 -2Ud/3 -Ud/3 +Ud/3 +2Ud/3 +Ud +Ud 0 -Ud -Ud 0 -Ud 0 +Ud +Ud 0 -Ud 0 -Ud -Ud 0 +Ud +Ud 180導(dǎo)通方式工作的三相逆變器的等效電路及相電壓和線電壓導(dǎo)通方式工作的三相逆變器的等效電路及相電壓和線電壓 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 若將其輸出的三相稱為若將其輸出的三相

38、稱為U（A）相、）相、V（B） 相和相和W（C）相。對于）相。對于U相來說，相來說，V1導(dǎo)通時，導(dǎo)通時， UUN=Ud/2，當(dāng)，當(dāng)V4導(dǎo)通時，導(dǎo)通時， UUN=-Ud/2。因此，。因此， UUN是矩形波。是矩形波。V、W 兩相的情況和兩相的情況和U相類似，相類似， UVN、 UWN的波形的波形 形狀和形狀和UUN相同，只是相位依次相差相同，只是相位依次相差120。 波形如圖所示。設(shè)負載中性點波形如圖所示。設(shè)負載中性點N與直流電源與直流電源 假定中性點假定中性點N之間的電壓為之間的電壓為uNN，則負載各，則負載各 相的相電壓為相的相電壓為 NNNUUN uuu NNNVVN uuu NNNWWN

39、 uuu )( 3 1 )( 3 1 WNVNUNNWNVNUNN uuuuuuu 把各式相 整理得 設(shè)負載為三相負載對稱，設(shè)負載為三相負載對稱，uUN + uVN + uWN=0 )( 3 1 NWNVNUNN uuuu 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 UUN的波形也為矩形波，的波形也為矩形波， 幅值為幅值為 Ud/6，頻率為，頻率為 UUN的的3 倍。同理可畫出倍。同理可畫出 UUN、 UVN、 UWN的波形。根據(jù)的波形。根據(jù) uUNuVN=uUV ，也可畫出，也可畫出uUV的的 波形。電壓波形。電壓uVW和和uWU的波形與的波形與 uUV波形形狀相同，只

40、是依次相波形形狀相同，只是依次相 差差120，可見相電壓是六階，可見相電壓是六階 梯波，線電壓是梯波，線電壓是120寬的矩寬的矩 形波。形波。 相電流的波形與負載的阻相電流的波形與負載的阻 抗角抗角有關(guān)，圖示為感性負載有關(guān)，圖示為感性負載 60uc時使時使V4通，通，V3斷，斷，u0=Ud；當(dāng)；當(dāng)uruc時時 使使V4斷斷 ，V3通，通，u0=0。在調(diào)制信號正弦波。在調(diào)制信號正弦波ur負半周，負半周，V1保持斷，保持斷，V2保持通，當(dāng)保持通，當(dāng) uruc時使時使V3斷斷 ，V4通，通，u0=0。波形如下圖。波形如下圖。 單極性PWM控 制方式原理波形 圖6-7 調(diào)制 電路 V1 V2 V3 V

41、4 VD 1 VD 2 VD 3 VD 4 uc V6 VD 6 V5 VD 5 V U W NN C + C + urU urV urW 2 Ud 2 Ud 三相橋式PWM變頻電路 雙極性雙極性 PWM控控 制方式的制方式的 三相橋式三相橋式 逆變電路逆變電路 如圖所示。如圖所示。 U、V、W三相的三相的PWM控制通控制通 常公用一個三角波載波常公用一個三角波載波uc，三，三 相調(diào)制信號為相調(diào)制信號為urU、urV、urW 依次相差依次相差120。 U相的控制規(guī)律：當(dāng)相的控制規(guī)律：當(dāng)urUuc時，給時，給V1導(dǎo)通信號，給導(dǎo)通信號，給V4關(guān)斷信號，關(guān)斷信號， uUN=Ud/2；當(dāng)；當(dāng)urUuc

42、時，給時，給V4導(dǎo)通信號，給導(dǎo)通信號，給V1關(guān)斷信號，關(guān)斷信號， uUN=-Ud/2。當(dāng)給。當(dāng)給V1（V4）加導(dǎo)通信號時，可能是）加導(dǎo)通信號時，可能是V1（V4）導(dǎo)）導(dǎo) 通，也可能是通，也可能是VD1（VD4）導(dǎo)通，這要由阻感負載中電流的方向）導(dǎo)通，這要由阻感負載中電流的方向 來決定。來決定。 雙極性PWM控 制方式原理波形 圖6-10 uc u rU u rV u rW u uUN u VN O t t t t O O O uWN 2 Ud 2 Ud 三相橋式PWM變頻波形 uUN、uVN和和uWN的的PWM波波 形只有形只有Ud/2兩種電平，兩種電平， uUV 波形可由波形可由uUN-uV

43、N得出，得出， 當(dāng)橋臂當(dāng)橋臂1和橋臂和橋臂6通時，通時， uUV=Ud，當(dāng)橋臂，當(dāng)橋臂3和橋臂和橋臂4通通 時，時，uUV=-Ud，當(dāng)橋臂，當(dāng)橋臂1和橋和橋 臂臂3或橋臂或橋臂4和橋臂和橋臂6通時，通時， uUV=0。因此，逆變電路的。因此，逆變電路的 輸出線電壓輸出線電壓PWM波由波由Ud 和和0的的3種電平構(gòu)成，負載相種電平構(gòu)成，負載相 電壓電壓PWM波由波由 （2/3Ud）、）、 （1/3Ud） 和和0共共5種電平組成。種電平組成。 在電壓型逆變電路的在電壓型逆變電路的PWM的控制中，同一相上下兩橋臂的驅(qū)動信號是互補的，為的控制中，同一相上下兩橋臂的驅(qū)動信號是互補的，為 防止上下橋臂直通

44、造成短路，在上下兩橋臂通斷切換時要留一小段上下橋臂都施加關(guān)防止上下橋臂直通造成短路，在上下兩橋臂通斷切換時要留一小段上下橋臂都施加關(guān) 斷信號的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短主要由器件關(guān)斷時間決定，死區(qū)時間會給斷信號的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短主要由器件關(guān)斷時間決定，死區(qū)時間會給PWM 波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。 （2）按載波頻率與控制頻率之間的關(guān)系可分為異步）按載波頻率與控制頻率之間的關(guān)系可分為異步 調(diào)制和同步調(diào)制調(diào)制和同步調(diào)制 1）異步調(diào)制。在）異步調(diào)制。在PWM控制電路中，載波頻率控制電路中，載波頻率fC與調(diào)制信號頻與調(diào)制信號頻 率率 之比之比 ，稱為載波比。

45、，稱為載波比。 f f f N C 異步調(diào)制是指載波信號和調(diào)制信號不保持同步的調(diào)制方式。在異步調(diào)異步調(diào)制是指載波信號和調(diào)制信號不保持同步的調(diào)制方式。在異步調(diào) 制方式中，通常保持制方式中，通常保持fC固定不變，因而當(dāng)固定不變，因而當(dāng) 變化時，載波比變化時，載波比N是變化的。是變化的。 這時這時PWM波的正負半周的脈沖數(shù)和相位就不會隨時對稱了。在采用異步調(diào)波的正負半周的脈沖數(shù)和相位就不會隨時對稱了。在采用異步調(diào) 制方式時，要求盡量提高載波頻率，以使在調(diào)制信號頻率較高時仍能保持較制方式時，要求盡量提高載波頻率，以使在調(diào)制信號頻率較高時仍能保持較 大的載波比，改善輸出特性。大的載波比，改善輸出特性。

46、2）同步調(diào)制。脈沖調(diào)制波在任何輸出頻率情況下，正、負半周始終保持完）同步調(diào)制。脈沖調(diào)制波在任何輸出頻率情況下，正、負半周始終保持完 全對稱，即載波比全對稱，即載波比N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式。等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式。 這時正、負半周的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。這種方式在輸出這時正、負半周的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。這種方式在輸出 頻率低時，諧波影響較顯著。頻率低時，諧波影響較顯著。 3）分段同步調(diào)制。為了揚長避短，可將同步調(diào)制和異步調(diào)制結(jié)合起來，成）分段同步調(diào)制。為了揚長避短，可將同步調(diào)制和異步調(diào)制結(jié)合起來，成 為分段同步調(diào)制方式，實用的為分段同步調(diào)制方式，實用的SPWM逆變器多采用此方式。逆變器多采用此方式。 在一定頻率范圍內(nèi)采用同步調(diào)制，以保持輸出波形對稱優(yōu)點。當(dāng)頻率降在一定頻率范圍內(nèi)采用同步調(diào)制，以保持輸出波形對稱優(yōu)點。當(dāng)頻率降 低較多是，如果仍保持載波比低較多是，如果仍保持載波比N不變的同步調(diào)制，輸出