1、1第五章第五章DC-AC變換電路變換電路第五節(jié)第五節(jié) 脈寬調制（脈寬調制（PWM）型逆變電路）型逆變電路第四節(jié)第四節(jié) 電壓型和電流型逆變器電壓型和電流型逆變器第三節(jié)第三節(jié) 無源逆變電路無源逆變電路第二節(jié)第二節(jié) 有源逆變應用電路有源逆變應用電路第一節(jié)第一節(jié) 有源逆變的基本原理有源逆變的基本原理內容提要內容提要與目的要求與目的要求 第六節(jié)第六節(jié) 三相電壓源型三相電壓源型SPWM逆變器的仿真逆變器的仿真2內容提要與目的要求v掌握逆變的概念和逆變的條件；掌握逆變的概念和逆變的條件；v掌握三相有源逆變電路的波形及計算；掌握三相有源逆變電路的波形及計算；v了解逆變失敗的原因及最小逆變角的限制；了解逆變失敗

2、的原因及最小逆變角的限制；v了解變流電路的換流方式；了解變流電路的換流方式；3v掌握電壓型逆變電路和電流型逆變電路的特點；掌握電壓型逆變電路和電流型逆變電路的特點；v掌握三相電壓型逆變電路、單相并聯(lián)諧振式逆變掌握三相電壓型逆變電路、單相并聯(lián)諧振式逆變電路及串聯(lián)二極管式電流型逆變電路的工作原理電路及串聯(lián)二極管式電流型逆變電路的工作原理及換流方式；及換流方式；v掌握掌握PWM控制方式的理論基礎及脈寬調制型逆變控制方式的理論基礎及脈寬調制型逆變電路的控制方式；電路的控制方式；v了解規(guī)則采樣法的計算方法。了解規(guī)則采樣法的計算方法。v重點：三相橋式逆變電路的原理與參數(shù)、脈寬調重點：三相橋式逆變電路的原理

3、與參數(shù)、脈寬調制和諧波消除方法。有源逆變的條件和有源逆變制和諧波消除方法。有源逆變的條件和有源逆變失敗的原因。失敗的原因。4定定 義義v將直流電轉變成交流電，這種對應于整流的逆向過程稱為逆變（逆變（Invertion）。v把直流電逆變成交流電的電路稱為逆變電逆變電路路。5有源逆變有源逆變v定義：定義：當交流側接在電網(wǎng)上，即交流側接有電源時，稱為有源逆變。有源逆變電路是將直流電功率返送回電網(wǎng)。v用途：用途：有源逆變電路常用于直流可逆調速系統(tǒng)、交流繞線轉子異步電動機串級調速及高壓直流輸電等場合。6無源逆變無源逆變v定義：定義：當交流側直接與負載相連，稱為無源逆變。無源逆變是將直流電變?yōu)槟骋活l率或可

4、調頻率的交流電供給負載。v用途：用途：無源逆變電路常用于交流電動機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等場合。此外，它還常用于將蓄電池、干電池、太陽能電池等直流電源逆變?yōu)榻涣麟姽┙o交流負載。7第一節(jié)第一節(jié) 有源逆變的基本原理有源逆變的基本原理1一、電能的一、電能的交換交換2二、有源逆二、有源逆變的條件變的條件8一、電能的交換v對于整流電路而言，當其滿足一定的條件，則可工作于有源逆變狀態(tài)。將這種既可工作在整流狀態(tài)又可工作在逆變狀態(tài)的整流電路稱為變流電路（變流電路（Convertor）。 9 圖5-1a M電動運轉，EGEM，電流Id從G流向M，M吸收電功率。R為主回路總電阻。由于Id和EG同方

5、向，與EM反方向，因此G輸出電功率PG=EGId，電能由G流向M，M吸收功率PM= EMId，再轉變?yōu)闄C械能，R上是熱耗。 REEIMGd 圖5-1b 回饋制動狀態(tài)，M作發(fā)電運轉，此時，EMEG，電流反向，從M流向G。故M輸出電功率，G則吸收電功率，M軸上輸入的機械能轉變?yōu)殡娔芊此徒oG。 圖5-1c 兩電動勢順向串聯(lián)，向電阻R 供電，G和M均輸出功率，由于R 一般都很小，實際上形成短路，在工作中必須嚴防這類事故發(fā)生。10v由上述分析，可以得出如下結論： 兩電源同極性相連時，電流總是從電勢高的流向電勢低的。電流大小取決于電勢差和回路電阻。 與電流同方向的電動勢輸出功率，而與電流反方向的電動勢吸收

6、功率。 兩電源反極性相連時形成短路，應嚴防發(fā)生。 11v以單相全波電路給直流電動機負載供電為例 a)b)圖2-45R+-電能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM電能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEM，才能輸出Id。交流電網(wǎng)輸出電功率電動機輸入電功率電動機輸出電功率交流電網(wǎng)輸入電功率 圖5-2b M回饋制動回饋制動，由于晶閘管的單向導電性，Id方向不變方向不變，欲改變電能的輸送方向，只能改變改變EM極性極性。為了防止兩電動勢順向串聯(lián)，Ud極性也必須反極性也必須反過來，即Ud應為負值，且|EM

7、| |Ud |，才能把電能從直流側送到交流側,實現(xiàn)逆變。 Ud可通過改變 來進行調節(jié)，逆變狀態(tài)時Ud為負值為負值，逆變時在在 /2 間間二、有源逆變的條件12v從上述分析可歸納出產生逆變的條件有二： 外部條件：要有直流電動勢，其極性與晶閘管的導通方向一致，其值應大于直流側平均電壓； 內部條件：要求晶閘管的控制角/2，使Ud為負值。v兩者必須同時具備才能實現(xiàn)有源逆變狀態(tài)。v必須注意：半控橋或帶續(xù)流二極管的變流電路，由于其整流電壓Ud不會出現(xiàn)負值，也不允許直流側有負極性的電動勢，因此不能實現(xiàn)逆變。 13第二節(jié)第二節(jié) 有源逆變應用電路有源逆變應用電路有源逆變有源逆變應用電路應用電路四、確定最小四、確

8、定最小逆變角逆變角min的依據(jù)的依據(jù)三、逆變失敗三、逆變失敗的原因的原因一、逆變時一、逆變時的波形的波形二、參數(shù)二、參數(shù)計算計算14逆變和整流的區(qū)別逆變和整流的區(qū)別逆變和整流的區(qū)別：控制角 不同 0 /2 時，電路工作在整流狀態(tài)。 /2 /2時的控制角用 = b b表示，b b 稱為逆變角逆變角。 逆變角b b和控制角 的計量方向相反，其大小自b =0的起始點向左方計量。所以 b b = 。15一、逆變時的波形v1、三相半波逆變波形、三相半波逆變波形（圖5-3波形） /2的范圍內，Ud波形的正面積大于負面積，則Ud0，工作在整流狀態(tài)，Id從Ud的正端流出，電網(wǎng)輸出功率。 =/2時，Ud的正面積

9、等于負面積，處于臨界狀態(tài)。 /2的范圍內，Ud波形的正面積小于負面積，則Ud0，工作在逆變狀態(tài)，Id從Ud的負端流出，電網(wǎng)輸入功率。v由晶閘管VT1兩端的電壓波形可以看出，在整流狀態(tài)，晶閘管阻斷時主要承受反向電壓，而在逆變狀態(tài)，晶閘管阻斷時主要承受正向電壓。 162、三相全控橋式電路逆變波形、三相全控橋式電路逆變波形v三相全控橋式變流電路當滿足相應條件時就可工作于有源逆變狀態(tài)，此時其對脈沖的要求和整流時相同。v圖5-4給出了不同逆變角時輸出電壓波形，晶閘管兩端波形與圖5-3類同。17二、參數(shù)計算v1、輸出電壓平均值計算v 輸出電壓平均值的近似計算和整流時一樣。 （5-1）v 式中Udo表示=0

10、時的輸出電壓平均值三相半波變流電路Udo=1.17U2三相全控橋式變流電路Udo=2.34U2。 bbcos)cos(cos000ddddUUUU182、電流計算、電流計算v 輸出電流平均值亦可用整流的公式，即 （5-2）v 在逆變狀態(tài)時，Ud、EM的極性和整流時相反，均為負值。v 每個晶閘管導通2/3，因此流過每個晶閘管的電流平均值、有效值分別為：（設Id波形平直連續(xù)） （5-3） （5-4）REUIMddddVTII31dVTII3119v 變壓器二次側電流的有效值為：v 三相半波電路 （5-5）v 三相全控橋式電路 （5-6）dVTIII312dVTIII3222203、功率計算、功率計

11、算v 從交流電源送到直流側負載的有功功率為： （5-7）v 當逆變工作時，EM、Ud均為負值，故Pd也為負值，表示功率由直流電動勢流向交流電源。dddMddIUIEIRP2214、逆變時的功率因素、逆變時的功率因素 （5-8）v 式中，cos為負值，表明電路工作在逆變狀態(tài)。SPdcos22三、逆變失敗的原因v逆變失敗逆變失?。孀冾嵏玻?逆變運行時，一旦發(fā)生換相失敗，外接的直流電源會通過晶閘管電路形成短路，或者直流電動勢和變頻器的輸出平均電壓順向串聯(lián)，形成很大的短路電流。v逆變失敗的原因：逆變失敗的原因： 觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時、準確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延遲、脈沖次序

12、顛倒等，致使晶閘管不能正常換相，從而使交流電源電壓和直流電動勢順向串聯(lián)，形成短路。 晶閘管發(fā)生故障，應關斷時不能關斷，應導通時不能導通，造成逆變失敗。 交流電源發(fā)生缺相或突然消失，由于直流電動勢存在，晶閘管仍可導通，直流電動勢通過晶閘管電路而使電路短路。 換相的裕量角不足，引起換相失敗。 23Labc+-MudidEMLBLBLBVT1VT2VT3oudOOidttuaubucuaubpbb bb iV T1iV T2iV T3iV T1iV TiV T3iV TiV T322圖5-5 變壓器漏抗對逆變電路換相過程的影響 當b 時，換相結束時，晶閘管能承受反壓而關斷。 如果b 如何用一系列等幅

13、不等寬的脈沖來代替一個正弦半波如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ou tOu t（二）正弦波脈寬調制（二）正弦波脈寬調制（SPWM） 64Ou t 如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波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。Ou tOu tOu t65 對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為： 根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。OtUd-UdOtUd-Ud66輸入電源是恒定直流輸入電源是交流或不是

14、恒定的直流直流斬波電路PWM逆變電路PWM整流電路斬控式交流調壓電路矩陣式變頻電路基于面積等效原理進行控制，本質是相同的uotu0tEOtUd-Ud67 電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波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:l 所需波形l 等效的PWM波基于“面積等效原理”0s5m s10m s15m s20m s25m s30m s-20V0V20V68三、脈寬調制型逆變電路及其控制方法v（一）調制法產生（一）調制法產生PWM波形波形v計算法計算法: 根據(jù)PWM的基本原理，如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內的周波數(shù)，PWM波形中各

15、脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結果控制逆變電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。 計算法很繁瑣，而且當希望輸出的正弦波頻率，幅值或相位變化時，結果都要變化。69v調制法調制法:v 把希望輸出的波形作調制信號，通過對此信號波的調制v 得到所期望的PWM波v 采用等腰三角波或鋸齒波作為載波 等腰三角波應用最多，因其任一點的水平寬度和高度成 線性關系且左右對稱v 載波與平緩變化的調制信號相交，在交點時刻控制器件通斷，就得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求v 調制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波；調制信號 是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波。70

16、結合結合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調制法進行說明單相橋式電壓型逆變電路對調制法進行說明圖5-20 單相橋式PWM逆變電路工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補u控制規(guī)律：控制規(guī)律：以uo正半周為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷 負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一 段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負負載電流為正的區(qū)間，V1和V4導通時，uo等于UdV4關斷時，負載電流通過V1和VD3續(xù)流，uo=0=0負載電流為負的區(qū)間， V1和V4仍導通，io為負，實際上io從VD1和VD4流過，仍有uo=UdV4關斷V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0=0uo總可得到Ud和零兩種電平

17、uo負半周，讓V2保持通，V1保持斷，V3和V4交替通斷，uo可得- -U Ud d和零兩種電平1、單相橋式、單相橋式PWM逆變電路逆變電路71uur正半周正半周，V1保持通，V2保持斷 當uruc時使V4通，V3斷，uo=Ud 當uruc時時，給V1和V4導通信號，給V2和V3關斷信號如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=Ud當當uruc時時，給V2和V3導通信號，給V1和V4關斷信號如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud動畫動畫73圖6-6urucuOtOtuouofuoUd- Ud圖5-22 雙極性PWM控制方式波形 對照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極

18、性調制，也可采用雙極性調制，由于對開關器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別圖6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud圖5-21 單極性PWM控制方式波形動畫動畫74雙極性雙極性PWM控制方式控制方式（三相橋逆變）（三相橋逆變）圖5-23 三相橋式PWM型逆變電路 三相的PWM控制公用三角波載波uc 三相的調制信號urU、urV和urW依次相差120下面以下面以U相為例進行分析：相為例進行分析：2、三相橋式、三相橋式PWM型逆變電路型逆變電路動畫動畫75圖5-24 三相橋式PWM逆變電路波形 圖5-23 三相橋式PWM型逆變電路 當urUuc時，給V1導通信號，給V4關

19、斷信號，uUN=Ud/2當urUuc時，給V4導通信號，給V1關斷信號，uUN=-Ud/2當給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是VD1(VD4)導通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1和6通時，uUV=Ud，當3和4通時，uUV=Ud，當1和3或4和6通時，uUV=0輸出線電壓PWM波由Ud和0三種電平構成負載相電壓PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5種電平組成控制規(guī)律控制規(guī)律動畫動畫76v在上面討論中，我們認為逆變器中的開關器件為理想的開關，也就是說，它們的導通和關斷都隨著驅動信號同時地、無滯后地完成

20、。而實際上，功率開關元件均不可能是理想開關，其導通和關斷都需要一定的時間。1.電壓型逆變電路中，同一相上下兩臂的驅動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關斷信號的死區(qū)時間。2.死區(qū)時間的長短主要由開關器件的關斷時間決定一般對BJT可選1020s，對IGBT為25s。3.死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。防直通的死區(qū)時間防直通的死區(qū)時間77 （二）規(guī)則采樣法（二）規(guī)則采樣法 自然采樣法：自然采樣法： 按照按照SPWM控制的基本原理產生的控制的基本原理產生的PWM波的方法波的方法，其求解復雜，難以在實時控制中在線計算，工程應用不多 規(guī)則采樣法特點規(guī)則采樣

21、法特點 工程實用方法，效果接近自然采樣法，計算量小得多圖6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB 22圖5-25 規(guī)則采樣法 78圖6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB 22圖5-25 規(guī)則采樣法 l 規(guī)則采樣法原理規(guī)則采樣法原理三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期的中點（即負峰點）重合規(guī)則采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以 相應的三角波中點為對稱，使計算大為簡化在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣得D點，過D作水平直線和三角波分別交于A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制開關器件的通斷脈沖寬度 和用自然采樣法得到的脈

22、沖寬度非常接近79正弦調制信號波taursinr-a稱為調制度調制度，0a1；-r為信號波角頻率從圖5-25得,2/22/sin1cDrTta)sin1 (2DrctaT(5-30)三角波一周期內，脈沖兩邊間隙寬度)sin1 (421DrcctaTT(5-31)規(guī)則采樣法計算公式推導規(guī)則采樣法計算公式推導80 三角波載波公用，三相正弦調制波相位依次差120 同一三角波周期內三相的脈寬分別為U、V和W，脈沖兩邊的間隙寬度分別為U、V和W，同一時刻三相調制波電壓之和為零，由式(6-6)得 由式(6-7)得 利用以上兩式可簡化三相SPWM波的計算23cWVUT43c W V UT(5-32)(5-3

23、3)l 三相橋逆變電路三相橋逆變電路的情況的情況81第六節(jié)第六節(jié) 三相電壓源型三相電壓源型SPWM逆變器的仿真逆變器的仿真 v三相電壓源型SPWM逆變器是在通用變頻器中使用最多的，用SIMULINK模塊仿真三相電壓源型SPWM逆變器很方便，使用模型庫的多功能橋模塊（Universal Bridge）和PWM脈沖發(fā)生器（PWM Generator）就能實現(xiàn)。三相電壓源型SPWM逆變器的仿真模型如圖5-26所示。 82vSPWM逆變器模型的參數(shù)設置如圖5-27所示。對多功能橋設為三相橋臂，三相在輸出端，開關器件選擇IGBT。v并在測量中選擇電壓和電流，以便多路測量器（Multimter）觀測IGB

24、T承受的電壓和電流，為選擇IGBT參數(shù)提供依據(jù)。vIGBT的驅動信號由PWM信號發(fā)生器產生，在發(fā)生器對話框中，選擇了內產生調制信號方式，當然也可以采用外調制信號輸入方式，這時需要外加三相正弦調制信號。v選擇三角波頻率僅為600Hz，這樣觀察電壓波形比較清楚，實用頻率要高得多。 83v圖5-28a5-28c所示為逆變器輸出的三相相電壓波形，圖5-28d所示為逆變器輸出的線電壓波形（bc相）。v圖5-29a所示為逆變器輸出的三相電流波形，圖5-29b所示為逆變器a相上橋臂IGBT（VT1）和與IGBT反并聯(lián)二極管（VD1）的電流，通過多功能模塊觀察的電流波形為一相橋臂的電流，該電流包括IGBT和二

25、極管的電流兩部分，因此該電流正向部分是通過IGBT的電流，反向部分為二極管的電流。84v圖5-29c所示為一個周期中（0.0250.033ms）通過IGBT電流的有效值。v圖5-29d和圖5-29e所示分別為輸出相電壓的基波電壓有效值和IGBT（VT1）承受的電壓波形。v通過IGBT承受的電壓和電流，加上一定的裕量，可以選擇IGBT的電壓和電流參數(shù)。8586圖圖5-1 直流發(fā)電機直流發(fā)電機-電動機之間電能的流轉電動機之間電能的流轉(a) 兩電動勢同極性兩電動勢同極性EGEM，（，（b）兩電動勢同極性）兩電動勢同極性EMEG，（c）兩電動勢反極性，形成短路）兩電動勢反極性，形成短路87圖圖5-2

26、 單相全波電路的整流和逆變單相全波電路的整流和逆變88圖圖5-3 三相半波電路的逆變波形三相半波電路的逆變波形89圖圖5-4 三相全控橋式電路逆變波形三相全控橋式電路逆變波形90圖圖5-5 變壓器漏抗對逆變電路換相過程的影響變壓器漏抗對逆變電路換相過程的影響91圖圖5-6 逆變電路及其波形舉例逆變電路及其波形舉例92圖圖5-7 負載換流電路及其波形負載換流電路及其波形93圖圖5-8 直接耦合式強迫換流原理圖直接耦合式強迫換流原理圖94圖圖5-9 電感耦合式強迫換流原理圖電感耦合式強迫換流原理圖95圖圖5-10 三相電壓型橋式逆變電路三相電壓型橋式逆變電路96圖圖5-11 電壓型三相橋式逆變電路

27、的工作波形電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 97圖圖5-12 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路98圖圖5-13 并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形99圖圖5-14 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路100圖圖5-15 換流過程各階段的電流路徑換流過程各階段的電流路徑 101圖圖5-16 串聯(lián)二極管晶閘管逆變電路換流過程波形串聯(lián)二極管晶閘管逆變電路換流過程波形102圖圖5-17 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖103圖圖5-18 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形沖量相同的各種窄脈沖的響應波形 104圖圖5-19 用