第四章交流调压电路和交交变频电路

第四章

May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院 4-1

第四章交流调压电路第四章交流调压电路和交交变频电路和交交变频电路

第四章


要求及重点要求及重点

• 掌握交流调压器的基本类型、用途和电路，简要分析单、三相交流调压电路，理解和掌握交流斩波调压的原理与基本性能。掌握交－交变频电路的原理及电路，分析其优缺点，掌握三相交交变频电路的有环流和无环流运行。

• 重点：

– 交流调压电路和交交变频电路的原理及电路。

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4. 1 4. 1 交流调压器的类型、用途和电路交流调压器的类型、用途和电路• 交流调压器的调压方式：

– 通断控制– 相位控制– 斩波控制

• 交流调压的应用：– 调温的工频加热和感应加热– 灯光调节– 泵及风机的感应电动机调速– 变压器的初级调压

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单相调压器的基本电路单相调压器的基本电路

A. 反并联电路 B. 混合反并联电路

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单相调压器的基本电路单相调压器的基本电路（续）（续）

C. 二极管桥式电路 D. 混合桥式电路

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三相调压器的基本电路三相调压器的基本电路

A. 反并联电路 B. 混合反并联电路

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三相调压器的基本电路三相调压器的基本电路（续）（续）C. 形负载内接 D. 形负载内接反并联电路形反并联电路

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三相调压器的基本电路三相调压器的基本电路（续）（续）

E. 形负载内接三个可控元件电路

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4. 2 4. 2 单相交流调压电路的分析单相交流调压电路的分析• 以反并联交流调压电路为例• 电阻负载

– 交流电压有效值 UR

– 负载的电流有效值

π2

sin2

π

-πUtdsinU2

π

1U 1

21R

）（ t

π2

sin2

π

-π

π2

sin2

π

-π

R

U

R

UI 0

1R IR

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– 功率因数

– 晶闸管的电流平均值

– 晶闸管的电流有效值 I 及通态平均电流 IT

π2

sin2

π

-π

IU

IU

R1

RR ＝视在功率有功功率

cos1

2

2sin2

2

1

R

1I 01

IttdUdT

4

2sin)(2sin

2

2

1I 0

21 ItdtR

U）（

R

UI 1maxT 45.0

57.1I

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• 交流调压器 R 负载时的参数与关系

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单相交流调压电路的分析单相交流调压电路的分析（续）（续）

• 电感性负载 a. 电路 b. 电压与电流波形

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c. 负载电流表达式– 感性负载电流 iL 的两个分量

iL1 、 iL2

– 电流表达式

tan/0

21

sinsin2 t

LLL

etI

iii

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d. 控制角、功率因数角与导通角的关系

– 单相交流调压器时的 = f ( 、 ) 曲线

tan/)sin()sin( e

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e. 几种典型情况：

(1) = 0

(2) 不等于 0

< 180

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(3) =

(4)

窄脉冲宽脉冲

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单相交流调压电路的分析单相交流调压电路的分析（续）（续）

• 感性负载时晶闸管电流和负载电流的有效值– 晶闸管电流有效值

式中 I* --- 晶闸管的标幺电流有效值

– 晶闸管电流有效值

*02 III

02*

I

II

*02 III L

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– 晶闸管标幺电流有效值 I* 与、的关系

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4. 3 4. 3 三相交流调压电路的分析三相交流调压电路的分析

• 分析举例电路

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• 三相交流调压器正常工作的基本条件

– 在三相电路中至少有一相正向晶闸管与另一相反向晶闸管同时导通。

– 为了保证电路起始工作时两个晶闸管能同时导通，并且在感性负载和控制角较大时，也能使不同相的正、反两个晶闸管同时导通，要求采用宽脉冲，或者双窄触发脉冲电路。

– 各触发信号应与相应的交流电源电压相序一致，并且与电压同步。

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• 三相交流调压电路在电阻负载下的波形与参数

– 波形（见图）

– 输出电压有效值 Ua

1 21 i

itduU a

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– 电阻负载三相调压电路输出电压

(a) 晶闸管反并联电路

(b) 晶闸管与二极管反并联电路

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• 三相交流调压电路在感性负载下的工况– 三相交流调压电路的 I* 与、的关系

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– 感性负载（ = 45 ）下三相调压电路的电流波形

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4. 4 4. 4 交流斩波调压电路交流斩波调压电路

• 交流斩波调压的原理与基本性能– 原理图

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– 交流斩波电路输出电压(a) 电阻负载(b) 感性负载(d) 改善 cos

的斩波调压

导通比 :

T

ton

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• 交流斩波调压电路

GTR 交流斩波器 GTO 交流斩波器

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用 GTR 构成的三相交流斩波器

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4. 5 4. 5 交－交变频电路概述交－交变频电路概述

• 交流变换的目的：

– 调节电压、频率、相位

• 形式：

– 交－直－交变频器（整流器＋逆变器）

– 交－交变频器（直接变频器）

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• 基本原理及应用

– 整流电路： Ud > 0 或 Ud < 0 ， Id > 0

– 三相半波整流电路： Ud = 1.17 U2 cos

• 交交变频器：

– 在 0 至之间变化，输出交流电压

– 正、负两组整流器反并联，输出交流电流

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第四章


• 输出电压、电流波形图：

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• 三相零式交交变频器：

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• 应用领域：– 大功率、低速交流传动（轧钢机、矿井提升机、造纸、冶炼等）

• 分类：– 单相、三相– 桥式、零式– 有环流、无环流– 高频 ( f0 > fi ) 、低频 ( f0 < fi )

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4. 6 4. 6 三相交－交变频器三相交－交变频器

• 三相输入、三相输出－－应用普遍

• 常用零式及桥式交－交变频器比较：

元件整流脉波输出谐波功率个数形式数电压含量等级

零式－－ 18 支半波少低较高中等

桥式－－ 36 支全波多高较低大

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• 三相输出各差 120° ，基本原理相同。

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• i0 > 0 －－正组工作， UP = Ud = 1.17U2cosP ,

0 < P < ， UP 可正可负。

• i0 < 0 －－负组工作， UN = - Ud = - 1.17U2cosN

平均值 UN = UP ， N = - P 。

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• 输出瞬时值 uN uP ， u = uP – uN 。 u 在正、负组间产生环流，采用电抗器限制。

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• 有环流运行方式：

– 目的：使正、负组输出电流平滑过渡。– 特点：正、负组同时工作，

采用环流电抗器抑制组间环流。– 优点：正、负组自动切换，

输出电流连续、平滑、无死区，

系统动态性能高，稳定性好– 缺点：增加电抗器，成本高，损耗大。

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• 无环流运行方式：

– 目的：取消电抗器，降低成本及损耗。

– 特点： i0 > 0 时正组工作，封锁负组，

i0 < 0 时负组工作，封锁正组。

– 优点：无组间环流，成本低，损耗小。

– 缺点：需要检测电流过零点，控制复杂，

控制失败时，造成组间电源短路，

输出电流存在死区，波形畸变。

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• 交－交变频器输出电压：

– 输出电压峰值：

– 输出电压有效值：

– 电压降系数：– 改变 min ，可调节输出电压 U0 。

– min = 0 时， = 1 ， U0 = U0max = 0.83 U2 。

min200 cos217.1

21 UUU P

20 83.0 UU

mincos

min20 cos17.1 UU P

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• 交－交变频器控制方法：

– 余弦交点法：

给定输出曲线与一余弦曲线相交，在交点处产生各晶闸管的触发脉冲。

– 改变给定曲线的频率和幅值，可控制输出电

压的频率和大小。

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• 交－交变频器输出频率： f0 / fi = 1/2 时，半周期内有 6 脉波，谐波大

f0 / fi = 1/3 时，半周期内有 9 脉波，谐波较小

f0 / fi = 1/6 时，半周期内有 18 脉波，谐波小

• 为了减小谐波含量，降低负载转矩脉动，应保证 f0 / fi < 1 / 3 ，

即 f0 < 16.7 Hz 。

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• 交－交变频器的功率因数：– 整流电路： cos = cos

– 交－交变频器：因为 0 < < ，所以 cos < cosmin ，

cos = f ( , cos ) ， cos －负载功率因数。– 输入侧总功率因数：

cos2

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• 交－交变频器的优点：

– 无中间直流环节，损耗小，效率高。– 开关器件采用晶闸管，以利于大功率应用，

采用电源自然换相，不需强迫换流电路。

– 可以实现能量反馈，使电机作四象限运行。

– 输出低频时，谐波含量小，负载转矩脉动低。

因此适用于大功率、低速交流传动领域。

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• 交－交变频器的缺点：

– 晶闸管元件数量多，成本高，控制复杂。

– 最高输出频率受限制， f0 / fi < 1 / 3 。

– 输入侧功率因数低，当输出电压较低时，功

率因数更低。

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第五章无源逆变电路第五章无源逆变电路

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5. 1 5. 1 无源逆变电路的原理及分类无源逆变电路的原理及分类• 无源逆变

直流交流（向负载直接供电）• 变频器

– 既能调压又能调频• 无源逆变器

– 旋转变频器– 静止变频器

• 交－交变频器• 直－交变频器

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逆变器的基本类型逆变器的基本类型• 按结构分类

– 桥式– 零式

• 按电网相数分类– 单相– 多相

• 按器件分类– 半控型– 全控型

• 按调制方法分类– SPWM

– 阶梯波• 按导通的角度分类

– 180– 120

• 按强迫换流的特点– 谐振型– 并联电容型等

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逆变器的基本类型（续）逆变器的基本类型（续）• 按储能元件的性质分类

– 电压型逆变器

– 电流型逆变器

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5. 2 5. 2 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路

• 示意图

• 组成：– 主电路– 门控电路– 控制电路

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• 单相桥式逆变电路的原理（ R 负载）– 主电路

– 波形图• 输出电压（图 b ）• 输出电流（图 c ）• 直流输入电流（图 d ）

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• 单相桥式逆变电路的原理（ L 负载）– 主电路

– 波形图• 输出电压（图 b ）• 输出电流（图 c ）• 直流输入电流（图 d ）

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• 单相半桥 GTO 逆变电路及波形– 主电路

– 波形图• 输出电压（图 b ）• 输出电流（图 c ）

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• 单相零式逆变电路及波形– 主电路

– 波形图• 见右图

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• 感性负载下 SCR 单相零式逆变电路

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• M 相零式逆变电路的简化原理图

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5. 3 5. 3 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路• 电路结构

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• 根据各管导通时间分：– 180 导通型– 120 导通型

• 线电压由相电压相减得出

BOAOAB UUU

COBOBC UUU

AOCOCA UUU

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• 180 导通型各阶段的等值电路及电压值

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• 180 导通型三相逆变器的输出波形相电压波形线电压波形

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• 180 导通型三相逆变器的参数– 相电压表达式

– 线电压表达式

...)11sin11

17sin

7

15sin

5

1(sin

2 ttttUU dAO

...)11sin11

17sin

7

15sin

5

1(sin

32 ttttUU dAB

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• 180 导通型三相逆变器的参数（续）– 相电压有效值

– 线电压有效值

ddd

AO UUU

U 471.033

22

334

2

122

ddAB UUU 816.0)3

(2

4 2

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• 120 导通型三相逆变器的输出波形相电压波形线电压波形

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• 180 导通方式和 120 导通方式的比较：

– 120 方式上下两管间有 60 的间隙，对换流有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，则始终有一相断开，在换流时会引起较高的感应电势，而 180 方式无论在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，故 180 方式应用较为普遍。

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• 感性负载情况– 负载电流滞后角

小于 60

（ a ） A 相电压波形

（ b ） A 相电流波形

（ c ） T1 的电流波形

（ d ） D4 的电流波形

（ e ）直流输入电流

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• 感性负载情况（续）– 负载电流滞后角

大于 60

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• 感性负载下逆变器中可能有三种电流：– 功率电流它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到

负载。– 环路电流它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，

形成环流，但此环流不经过电源。– 反馈电流它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电

源中去。

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• 逆变器的能量反馈及电机的再生制动图电压型的能量反馈电流型的能量反馈

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• 逆变器－感应电动机系统的电压矢量

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5. 4 5. 4 电流型逆变电路电流型逆变电路

• 优点：

– 由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多。电路对晶闸管关断时间（即晶闸管的快速性）的要求比电压型逆变器的要求低，电路相对电压型也比较简单，造价略低。

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• 三相电流型逆变电路

– 主电路

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• 波形图(a) 相电压(b) 线电压(c) PWM 时

的相电流

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• 表达式– 相电流

– 线电流

...)11sin11

17sin

7

15sin

5

1(sin

32 ttttIi ssssdA

...)11sin11

17sin

7

15sin

5

1(sin

2 ttttIi ssssdAB

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• 理想情况下，相电流中：– 基波电流的幅值为

– 基波电流有效值为

– 相电流的有效值为

ddAm III 1.132

)1(

ddA III 78.06

)1(

ddA III 816.0432

1 2

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5. 5 IGBT5. 5 IGBT 三相逆变电路和三电平逆变电路三相逆变电路和三电平逆变电路

• IGBT 三相逆变器电路图

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– 六阶梯波时的电压、电流波形

– PWM 时的电压、电流波形

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• IGBT 的选择– 电压定额的选择额定电压 = 输入的 AC 电源电压 ×

＋再生电压增加值＋浪涌电压简化公式： US ：交流电源的峰值电压

K1 ：电网电压波动系数， K1 1.15

K2 ：直流中间回路有反馈时的泵升电压 K2 1.2

K3 ：必要的电压安全系数， K3 1.3～ 1.5

3212 KKKUU SCE

2

2

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– 电流定额的选择

cos : 电动机的功率因数U : 交流电源相电压有效值K4 : 电流的安全系数，取 K4 = 2

K5 : 电流脉动率，取 K5 = 1.2

54

3

23cos

10KK

U

PI

L

MC

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• 三点式（三电平）逆变电路示意图

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• 三点式（三电平）逆变电路的 A 相电路

(a) Holtz 电路 (b) Nabae 电路

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• 三点式逆变器的输出电压波形– 逆变器的相电压波形

(a) 方波输出 (b) PWM 方式输出

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– 三点式逆变电路在不同控制角时的负载相电压波形

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• GTO 的定额选择– 电压定额US ：交流电源的电压有效值K1 ：电网电压波动系数， K1 1.15

K2 ：直流中间回路的反馈电压， K2 1.2

– 电流定额IL ：负载电流的有效值K4 、 K5 ：考虑安全裕量和电流脉动，这里取 2 和 1.2 。

）（ 32122

1KKKUU S

）LLL IxIKKII 42.1222 54

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• 续流二极管的定额和特性选择– 续流二极管的电流定额为主管 GTO 电流定额的 1/3左右。

– 二极管的反向恢复特性及 Ldi r/dt

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5. 6 5. 6 逆变电路的调压、逆变电路的调压、脉冲宽度调制和谐波消除脉冲宽度调制和谐波消除

• 逆变器调压的基本方法

– 调节输出变压器的变化

– 调节逆变器的直流输入电压

– 逆变器的相位位移或多重化技术（见下页）

– 通过对逆变器本身的控制实现调压调频

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• 逆变器相位移调压原理

第四章


• 逆变器相位移调压输出波形

第四章


• 逆变器的正弦波脉宽调制（ SPWM ）– 基本原理

第四章


• 单极性正弦脉宽调制

(a) 输出电压波(b) 两种控制电压波的相交

第四章


• 单极性 SPWM 在载波比为 20 时的基波与谐波

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• 双极性正弦脉宽调制

(a) 三角形载波与正弦调制波的相交

(b) 输出相电压波

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UnM ：第 n 次谐波的幅值；：基波角频率n: 谐波次数， n = 1 、 3 、 5 …….

n

nM tnUtU )sin()(

]})(sin...)(sin

])(sin[2)(sin{2

)(sin)(2

2

12

4

3

2

10

0

i

ittdnttdn

ttdnUttdnU

ttdntuU

dd

nM

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– 由上式得出：

式中 n ：谐波次数， n =1 、 3 、 5 、… j ：脉冲次序， j =1 、 2 、…、 i

输出的基波相电压幅值为

])cos(cos1[4

1212

i

jjj

dnM nn

n

UU

tnnnn

Utu

i

jjj

d

n

sin])cos(cos1[4

)(1

2121

])cos(cos1[4

12121

i

jjj

dM

UU

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• 双极性 SPWM 在 N = 19 时的基波与谐波

第四章


• SPWM 的载波比与输出频率

第四章


• 不同开关频率下三种逆变器的电机电流波形

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• 用脉宽调制消除指定的谐波分量

式中为了消除 3次和 5次谐波，可令 U3M=0 和 U5M

=0

可求得特定的 1 和 2

n

nM ntnUtu ...531sin)( 、、

]cos2cos21

[4 21

n

nnUU dnM

05cos25cos2103cos23cos21

21

21

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• 消除 3次和 5次两种谐波的电压波形

第四章


• SPWM 逆变器的自然采样与规则采样

(a) 对称规则采样 (b) 不对称规则采样

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5. 7 5. 7 电压型脉宽调制逆变电路的控制电压型脉宽调制逆变电路的控制

• 微机实现 SPWM 控制的方法：– 表格法（ ROM法）– 随时计算法（ RAM法）– 实时计算法

• 自然采样法• 规则采样法

– 对称规则采样法– 不对称规则采样法

第四章


5. 8 5. 8 电力电子器件的缓冲电路电力电子器件的缓冲电路• 缓冲电路对不同器件的作用

– 晶闸管– GTR

GTR 在开关过程中的波形 vCE 和 iC 的轨迹

第四章


– GTO

– IGBT

关断时的 vCE 和 iC 开通时的 vCE 和 iC

第四章


• 缓冲电路的基本结构

串并联 RLCD 缓冲电路并联 RCD 缓冲电路

第四章


单电容电路桥臂模块公用的 RCD 电路

第四章


有反馈功能的 RCD 电路不对称有反馈功能的 RCD 电路

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三角形吸收电路

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• 缓冲电路中的杂散电感对关断波形的影响

缓冲电路中的 L’s L’s 使阳极电压产生尖峰

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• 缓冲电路中吸收电容 CS 值的确定– 晶闸管

式中 IT ： SCR 的通态平均电流缓冲电路吸收电阻

– GTR

设 CS 的电压在 t = tf 时由零上升到 VCSf ，则

)(10)4~2( 3 FIC TS

30~10SR

fL

t

L tIdttiQ f

2

1)(

0

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故

在 tf 时的 VCSf 通常可取为 Ud 的 10～ 50％，

如取 VCSf = 0.5Ud

也可令 VCSf = 0.5UCEO ，则

SfL

t

LS

CSf CtIdtti

CV t 1

2

1)(

10

CSf

fLS V

tIC

2

d

fLS U

tIC

CEO

fLS V

tIC

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– IGBT

式中 LM ：主电路电感

VCSP ： CS上的最大充电电压

22 )(2

1

2

1dCSPSLM UVCIL

2

2

)( dCSP

LMS UV

ILC

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– GTO

(di/dt)max ： GTO开通时的允许最大电流上升率(dv/dt)max ： GTO 关断时的允许最大电压上升率 ITGQM ： GTO阳极最大可关断峰值电流

max)/( dtdi

UL dS

max)/( dtdv

IC ATOS

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• 缓冲电路中 RS 阻值的确定– 通常可取开关器件的工作周期 T约为（ 1～

2 ） 3RSC3

即

或者采用

331

CRf

T S

fCRS

33

1

fCRS

36

1

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第四章 交流调压电路 和交交变频电路

第四章交流调压电路和交交变频电路