无源逆变和变频课件

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1、第七章第七章.无源逆变和变频无源逆变和变频7 71.1.概述概述7.1.1.7.1.1.逆变与变频的含义逆变与变频的含义逆变：逆变：将直流电变换为交流电。将直流电变换为交流电。有源逆变：将直流电逆变成与交流电网同频率有源逆变：将直流电逆变成与交流电网同频率的交流电输送给电网。例如，可控整流电路供的交流电输送给电网。例如，可控整流电路供给直流电动机负载时，就可能处于有源逆变状给直流电动机负载时，就可能处于有源逆变状态。态。无源逆变：如果逆变输出的交流电与电网无联无源逆变：如果逆变输出的交流电与电网无联系，或者说，交流电仅供给具体用电设备，则系，或者说，交流电仅供给具体用电设备，则这种逆变称为无源

2、逆变。这种逆变称为无源逆变。1变频：将一种频率的电源变换为另一种频率的变频：将一种频率的电源变换为另一种频率的电源。电源。直交变频：将直流电变换为所要求的频率或频直交变频：将直流电变换为所要求的频率或频率可调的交流电；率可调的交流电；交交变频：将固定频率的交流电直接变换为频交交变频：将固定频率的交流电直接变换为频率可调的交流电。率可调的交流电。只有无源逆变能用于变频；有源逆变不能变频。只有无源逆变能用于变频；有源逆变不能变频。但是，无源逆变不等于变频，它可以恒频，也但是，无源逆变不等于变频，它可以恒频，也可以变频。可以变频。有源逆变和交交变频均与交流电网相连，可以有源逆变和交交变频均与交流电网

3、相连，可以利用电网换流；利用电网换流；无源逆变和直交变频，必须用负载换流或强迫无源逆变和直交变频，必须用负载换流或强迫换流。换流。2 本章如不注明，所提逆变和变频都是指无源逆本章如不注明，所提逆变和变频都是指无源逆变和直交变频。逆变器的工作原理如图：变和直交变频。逆变器的工作原理如图：37.1.2.7.1.2.逆变和变频的两种类型逆变和变频的两种类型1）.电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器在直流侧并联大电容在直流侧并联大电容C C来缓冲无功功率称为来缓冲无功功率称为电电压源型压源型（亦称（亦称恒压源型恒压源型或或电压型电压型）逆变器和变）逆变器和变频器，如图频器，如图5252（a

4、 a）所示。所示。它因用电容它因用电容滤波，直流滤波，直流电压基本无电压基本无脉动，直流脉动，直流回路呈低阻回路呈低阻抗，属于电抗，属于电压强制方式。压强制方式。4逆变器输出交流电压波形接近于矩形波，输出逆变器输出交流电压波形接近于矩形波，输出动态阻抗小。所有电压源型的逆变器，由于直动态阻抗小。所有电压源型的逆变器，由于直流侧电压极性不允许改变，回馈无功能量时，流侧电压极性不允许改变，回馈无功能量时，只能改变电流通路，为此必须设有反馈二极管只能改变电流通路，为此必须设有反馈二极管为感性负载滞后的电流为感性负载滞后的电流i iO O提供通路。提供通路。在直流回路中串在直流回路中串以大电感储存无以

5、大电感储存无功功率，称为功功率，称为电电流源型流源型（亦称（亦称恒恒流源型流源型或或电流型电流型）逆变器和变频器。逆变器和变频器。57.2.7.2.负载换流逆变器负载换流逆变器7.2.1.7.2.1.晶闸管的换流晶闸管的换流1 1）.换流换流（commutationcommutation）：）：亦称换向或换相，亦称换向或换相，就是指电流按要求的时刻和次序从一个晶闸管就是指电流按要求的时刻和次序从一个晶闸管器件转移到另一个晶闸管器件的过程。器件转移到另一个晶闸管器件的过程。62 2）常有两种方法：一是在阳极回路加进大的阻抗，）常有两种方法：一是在阳极回路加进大的阻抗，另一是在晶闸管阳阴极间施以反

6、向电压。后者是通另一是在晶闸管阳阴极间施以反向电压。后者是通常使用的方法。常使用的方法。7 a a）.电网换流电网换流或或电源换流：电源换流：由交流电源供电的由交流电源供电的晶闸管变流器中，由于电源电压作正负交替变晶闸管变流器中，由于电源电压作正负交替变化，只要合理安排触发脉冲，就可使导通的晶化，只要合理安排触发脉冲，就可使导通的晶闸管承受反压而关断，这种换流方式称为闸管承受反压而关断，这种换流方式称为电网电网换流换流或或电源换流。电源换流。8 b b）.负载换流负载换流或或强迫换流：强迫换流：在由直流电源供电在由直流电源供电的晶闸管变流器中，例如斩波器和直交变频器的晶闸管变流器中，例如斩波器

7、和直交变频器由于晶闸管始终承受正向电压，导通后便无法由于晶闸管始终承受正向电压，导通后便无法关断，不可能实行电网换流，这时必须用关断，不可能实行电网换流，这时必须用负载负载换流换流或或强迫换流强迫换流。凡是具有电流过零或提供一定超前电流的负载，凡是具有电流过零或提供一定超前电流的负载，均能使变流器自然换流。均能使变流器自然换流。由于大多数负载都具电感性，为了实现负载换由于大多数负载都具电感性，为了实现负载换流，可以串以或并以电容，使之成为容性阻抗，流，可以串以或并以电容，使之成为容性阻抗，电流超前电压，则当电流降为零时，负载电压电流超前电压，则当电流降为零时，负载电压不为零，该电压对晶闸管形成

8、反压，只要反压不为零，该电压对晶闸管形成反压，只要反压时间大于关断时间，便可将晶闸管关断，此为时间大于关断时间，便可将晶闸管关断，此为负载换流负载换流。9强迫（或强制）换流需要专门的换流环节或电强迫（或强制）换流需要专门的换流环节或电路，它可使晶闸管在任何需要的时刻关断。路，它可使晶闸管在任何需要的时刻关断。换流环节的作用是利用储能元件（一般用电客换流环节的作用是利用储能元件（一般用电客器）中的能量或者用电感电容组成的器）中的能量或者用电感电容组成的谐振回路谐振回路，对原来导通的晶闸管强行施加反向电压，使之对原来导通的晶闸管强行施加反向电压，使之电流迅速下降为零。电流迅速下降为零。10在这种换

9、流方式中，电容器只用来关断晶间管元件在这种换流方式中，电容器只用来关断晶间管元件而不像负载换流中用来补偿滞后的无功电流（后者而不像负载换流中用来补偿滞后的无功电流（后者由直流回路中的储能元件提供），所以电容值较小。由直流回路中的储能元件提供），所以电容值较小。电网换流和负载换流都是利用外部能量来关断晶闸电网换流和负载换流都是利用外部能量来关断晶闸管，所以又称为管，所以又称为自然换流自然换流。强迫换流则要借助于变流器内部储藏的能量或手段强迫换流则要借助于变流器内部储藏的能量或手段来关断晶闸管。为了寻求换流的可靠性和高效率，来关断晶闸管。为了寻求换流的可靠性和高效率，人们已研制出各种形式的强迫换流

10、电路和方法。人们已研制出各种形式的强迫换流电路和方法。11晶闸管斩波器的换流晶闸管斩波器的换流图（图（b）中换流电路由）中换流电路由VT2、L、C和和VD1、VD2等构成。等构成。12电容电容C C上充好图示极性电压。当欲关断主晶闸上充好图示极性电压。当欲关断主晶闸管管VT1VT1时，触发导通辅助晶闸管时，触发导通辅助晶闸管VT2VT2，C C和电感和电感L L便形成谐振回路，半个谐振周期后，谐振电流便形成谐振回路，半个谐振周期后，谐振电流i iL L过零反向，过零反向，VT2VT2自然关断，自然关断，i iC C经二极管经二极管VT2VT2和和VT1VT1形成回路，它对形成回路，它对VT1V

11、T1是反向电流。当谐振电是反向电流。当谐振电流流i ic c达到负载电流达到负载电流IdId时，时，VT1VT1关断。关断。i ic c超过超过IdId的时间就是的时间就是VT1VT1承受反压的时间，这时电流承受反压的时间，这时电流i ic c经由二极管经由二极管VD1VD1流过。流过。13逆导晶闸管逆导晶闸管在斩波器电路和下章要讲的电压型逆变电路中，晶闸在斩波器电路和下章要讲的电压型逆变电路中，晶闸管需要反并联一个二极管。逆导晶闸管正是根据这一管需要反并联一个二极管。逆导晶闸管正是根据这一应用要求而发展的一种派生器件。应用要求而发展的一种派生器件。14负载换流逆变器是指负载换流逆变器是指利用

12、负载电流相位超前电利用负载电流相位超前电压压或有超前功率因数的特性来实现晶闸管的换或有超前功率因数的特性来实现晶闸管的换流，而不用附加专门的换流电路。流，而不用附加专门的换流电路。7.2.2.RLC7.2.2.RLC串联谐振逆变器串联谐振逆变器对功率因数很低的感性负载如串联电容进行对功率因数很低的感性负载如串联电容进行补偿，则可构成谐振逆变器。补偿，则可构成谐振逆变器。其中其中R R、L L为负载的等效阻抗，为负载的等效阻抗，C C为补偿电容。为补偿电容。为了使为了使RLCRLC串联谐振能在一个周期内持续进行串联谐振能在一个周期内持续进行这里加了二极管这里加了二极管VD1VD1VD4VD4与晶

13、闸管与晶闸管VTIVTI VT4 VT4反反向并联构成谐振通路。向并联构成谐振通路。15由电路分析可知，如果满足：由电路分析可知，如果满足：则则RLCRLC串联电路便形成谐振过程串联电路便形成谐振过程。一个振荡周期一个振荡周期的电流通路和波形如图所示。的电流通路和波形如图所示。1617+-18(2).(2).G G=O O,即：谐振周期即：谐振周期T TO O=T=TG G，则两谐振过程电，则两谐振过程电流正好衔接，这是电流由断续到连续的临界情况。流正好衔接，这是电流由断续到连续的临界情况。虽然这时每一周期的输出功率并没有增加，但由于虽然这时每一周期的输出功率并没有增加，但由于输出频率较前增加

14、了，使总的输出功率有所增加。输出频率较前增加了，使总的输出功率有所增加。+-19（3 3）.G G O O,即：谐振周期即：谐振周期T TG GTTO O，则前一，则前一周期尚未结束，后一谐振周期就已开始。周期尚未结束，后一谐振周期就已开始。+-207.3.7.3.强迫换流电压型逆变器强迫换流电压型逆变器强迫换流逆变器，一般包括逆变电路和换流电强迫换流逆变器，一般包括逆变电路和换流电路两部分。路两部分。由普通晶闸管构成的逆变器中，换流电路是关由普通晶闸管构成的逆变器中，换流电路是关键部分，它对逆变或变频装置的性能指标、工键部分，它对逆变或变频装置的性能指标、工作可靠性以及装置的造价、体积等方面

15、起着决作可靠性以及装置的造价、体积等方面起着决定性的作用；定性的作用；也正是由于换流电路不同而有多种形式的逆变也正是由于换流电路不同而有多种形式的逆变器。所以逆变器往往根据所采用的换流电路形器。所以逆变器往往根据所采用的换流电路形式来命名。式来命名。电压型逆变器主要有：串联电感式、串联二极电压型逆变器主要有：串联电感式、串联二极管式以及辅助晶闸管换流、集中换流等几种，管式以及辅助晶闸管换流、集中换流等几种，每种类型又各有许多派生电路。每种类型又各有许多派生电路。217.3.1.7.3.1.串联电感式逆变器串联电感式逆变器1 1）.单相桥式串联电感式逆变器单相桥式串联电感式逆变器其主电路如图所示

16、：其主电路如图所示：227.3.2.7.3.2.串联二极管式逆变器串联二极管式逆变器稳定导通稳定导通充电回路充电回路+-由相邻相的跨接电容换流，任由相邻相的跨接电容换流，任一瞬时只有二只晶闸管导通一瞬时只有二只晶闸管导通23 为了不使换流电容对负载放电（这样便可选择为了不使换流电容对负载放电（这样便可选择较小的电容），以及防止与负载回路引起较小的电容），以及防止与负载回路引起RLCRLC谐振的可能性，在主回路中串入隔离二极管谐振的可能性，在主回路中串入隔离二极管，将换流电容与负载隔离，使电容器上保持稳定将换流电容与负载隔离，使电容器上保持稳定电压，保证了换流能力。电压，保证了换流能力。VD1V

17、D1VD6VD6为反馈二极管，为反馈二极管，L1L1、L2L2为换流电感。为换流电感。每隔每隔6060O O依次给依次给VT1VT1VT6VT6发触发脉冲，由于是发触发脉冲，由于是依靠相邻相的跨接电容来换流，所以每一晶闸依靠相邻相的跨接电容来换流，所以每一晶闸管只导通管只导通120120O O ，或者说，任一瞬时只有二只或者说，任一瞬时只有二只晶闸管（共阳极组和共阻极组各一只）导通。晶闸管（共阳极组和共阻极组各一只）导通。这种逆变器又称为这种逆变器又称为120120O O导电型逆变器。导电型逆变器。247.3.3.7.3.3.具有辅助换流晶闸管的逆变器具有辅助换流晶闸管的逆变器前面电路都是通过

18、通断晶闸管之间的互相换流，前面电路都是通过通断晶闸管之间的互相换流，换流能力与电容上的电压也即直流电源电压有换流能力与电容上的电压也即直流电源电压有关；换流时有环流存在，损耗较大。带辅助晶关；换流时有环流存在，损耗较大。带辅助晶闸管电路则是专设晶闸管来进行换流。闸管电路则是专设晶闸管来进行换流。-+257.4.7.4.强迫换流电流型逆变器强迫换流电流型逆变器7.4.1.7.4.1.串联二极管逆变器串联二极管逆变器1 1）.单相电路单相电路1 1导通时，导通时，C1C1同时充电；触同时充电；触发发3 3时，时，C1C1上上的电压使的电压使1 1关关断。断。+-262 2）.三相电路三相电路由于任

19、何时刻输入电流都保持不变，晶闸管仅由于任何时刻输入电流都保持不变，晶闸管仅仅是按规律控制各相电流，保特三相电流互差仅是按规律控制各相电流，保特三相电流互差120120O O的基本关系。的基本关系。三相逆变器中，三相逆变器中，晶闸管晶闸管1 16 6依依次相隔次相隔6060O O触触发导通，每一发导通，每一时刻有两只晶时刻有两只晶闸管同时导电，闸管同时导电，故每管的导电故每管的导电角度为角度为120120O O，也属也属120120O O导电导电型逆变器。型逆变器。277.5.2.7.5.2.输出电压的调节输出电压的调节282 2）.逆变器输出电压的调节也可在逆变器本身逆变器输出电压的调节也可在

20、逆变器本身上进行，通常也有两种方法，如图上进行，通常也有两种方法，如图5.325.32所示。所示。29图中有两套完全一样的逆变器，每个逆变器输出图中有两套完全一样的逆变器，每个逆变器输出电压的幅值恒定，只是相位不同（相差为电压的幅值恒定，只是相位不同（相差为2 2），），然后通过变压器叠加输出。只要改变然后通过变压器叠加输出。只要改变就能调节就能调节合成相量即输出电压的幅值。这种方法称为多重合成相量即输出电压的幅值。这种方法称为多重化。为了调压，它需要两套逆变器。图化。为了调压，它需要两套逆变器。图5.325.32（b b）中的逆变器采用脉宽调制（中的逆变器采用脉宽调制（PWMPWM），），只

21、只要改变逆变器的输出脉冲宽度，就能改变输出电要改变逆变器的输出脉冲宽度，就能改变输出电压的基波幅值。压的基波幅值。303 3）.简单的交流脉宽调制逆变器简单的交流脉宽调制逆变器只有当只有当1 1、2 2和和3 34 4两桥臂交替通断，逆变器才能两桥臂交替通断，逆变器才能输出交流电压。控制四个开关器件输出交流电压。控制四个开关器件1 1、2 2、3 3、4 4的的通断时刻，便能得到宽度为通断时刻，便能得到宽度为的输出电压波形。的输出电压波形。317.5.3.7.5.3.逆变器的多重化逆变器的多重化这里所说多重化，就是用几个逆变器，使它们这里所说多重化，就是用几个逆变器，使它们输出相同频率的矩形波

22、在相位上移开一定的角输出相同频率的矩形波在相位上移开一定的角度进行叠加，以减小谐波，从而获得接近正弦度进行叠加，以减小谐波，从而获得接近正弦的的阶梯波形阶梯波形。327.6.1.7.6.1.正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWMSPWM）原理及优点原理及优点l l）.SPWM.SPWM原理原理33图示正弦波，如将其每半周划分为图示正弦波，如将其每半周划分为N N等份（图等份（图中中N=6N=6），），每一等份的正弦电压与横轴所包围每一等份的正弦电压与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲所代替，且使矩形脉冲的中点与相应正弦等份所代替，且使矩形脉

23、冲的中点与相应正弦等份的中点重合，则各脉冲的宽度按正弦规律变化。的中点重合，则各脉冲的宽度按正弦规律变化。按照采样控制理论中冲量相等而形状不同的窄按照采样控制理论中冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上，其效果基本相同的脉冲加在具有惯性环节上，其效果基本相同的结论，由结论，由N N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形便与正弦波等效。的波形便与正弦波等效。347.7.PWM控制技术控制技术7.7.1.7.7.1.调制法调制法1 1）.同步调制和异步调制同步调制和异步调制在在SPWMSPWM逆变器中，定义载波频率逆变器中，定义载波频率f f与调制频率与调制频率f

24、 f之比之比为载波比为载波比N N：N=f N=f/f/f 根据调制波与载波的频率之比是否固定，根据调制波与载波的频率之比是否固定，SPWMSPWM的控制的控制方式可以分为：方式可以分为：（l l）.同步调制同步调制这时载波比这时载波比N N为常数变频时三角为常数变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同比变化。载波的频率与正弦调制波的频率同比变化。（2 2）.异步调制异步调制在逆变器的整个变频范围内，在逆变器的整个变频范围内，N N不不为常数，载波信号与调制信号不保持同比关系。为常数，载波信号与调制信号不保持同比关系。3536（3 3）.分段同步调制分段同步调制具体地说，就是把逆具体地说，就是把逆变器整个频率范围划变器整个频率范围划分成若干频段，在每分成若干频段，在每个频段内都维持载波个频段内都维持载波比为常数：对不同的比为常数：对不同的频段，则取不同的频段，则取不同的N N值。频率低时，值。频率低时，N N取取大些。大些。37