第八章 组合变流电路

1、第八章第八章 组合变流技术组合变流技术 本章所要讲述的内容本章所要讲述的内容1)1)基本概念基本概念2)2)逆变器基本工作原理逆变器基本工作原理3)3)换流方式换流方式4)4)电压型逆变电路电压型逆变电路5)5)SPWMSPWM控制技术控制技术 本章重点本章重点 基本概念、换流方式、单相全桥电压型无源基本概念、换流方式、单相全桥电压型无源逆变电路、三相电压型逆变电路（逆变电路、三相电压型逆变电路（180180o o导电方式）导电方式）工作原理与波形分析工作原理与波形分析 第第2页页n逆变的概念逆变的概念 逆变逆变与整流相对应，将直流电变成交流电。与整流相对应，将直流电变成交流电。 交流侧接电网

2、，为交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。 交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变无源逆变。 逆变与变频逆变与变频 变频电路变频电路：分为：分为交交变频交交变频和和交直交变频交直交变频两种。两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是组成，后一部分就是逆变逆变。n主要应用主要应用n各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池向各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池向交流负载供电等。交流负载供电等。n交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路源

3、等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。4.1 基本概念基本概念第第3页页 变频器变频器从广义角度讲变频器是一种变频装置或称从广义角度讲变频器是一种变频装置或称变频电源变频电源，它，它能根据实际需要将输入的交流电或直流电变换成频率固能根据实际需要将输入的交流电或直流电变换成频率固定或频率可调的交流电输出给负载。定或频率可调的交流电输出给负载。最早的变频装置是旋转变流机组最早的变频装置是旋转变流机组(电动机发电机电动机发电机)，其，其缺点是设备体积庞大，机组旋转而噪声大。随着电力电缺点是设备体积庞大，机组旋转而噪声大。随着电力电子技术的发展，现在则由基于电力电子技术的静止变频子技术的发展，现在则由

4、基于电力电子技术的静止变频装置所取代。如中频电源、步进电动机和无刷直流电动装置所取代。如中频电源、步进电动机和无刷直流电动机的驱动电源、电动汽车电动机的驱动电源等。机的驱动电源、电动汽车电动机的驱动电源等。从狭义角度讲，变频器主要指满足交流电动机调速要求从狭义角度讲，变频器主要指满足交流电动机调速要求的变频驱动电源（或称交流调速控制设备）。的变频驱动电源（或称交流调速控制设备）。 4.1 基本概念基本概念第第4页页 交直交变频器（间接变频器）交直交变频器（间接变频器）图图4.1( P102，图，图4.1)逆变逆变4.1 基本概念基本概念第第5页页 交交变频器（直接变频器）交交变频器（直接变频器

5、） 电压源型变频器电压源型变频器（直流侧是直流侧是电压源）电压源） 电流源型变频器电流源型变频器（直流侧是直流侧是电流源）电流源）可 控整 流逆 变ACDC50HzAC可 控整 流逆 变AC50HzDCAC图图4.2（图（图2 P102，图，图4.1）4.1 基本概念基本概念交交变频交交变频第第6页页4.2 逆变器基本工作原理逆变器基本工作原理 逆变电路最基本的逆变电路最基本的工作原理工作原理 改变改变两组开关切换频率，两组开关切换频率，可改变输出交流电频可改变输出交流电频率。改变输入直流电率。改变输入直流电平的大小可改变交流平的大小可改变交流电的幅值。电的幅值。 a)b)tuoiot1t2

6、图图4.3 逆变电路及其工作波形逆变电路及其工作波形（p103图图4.2）负载负载第第7页页4.3 换流方式换流方式开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。关断：关断：v全控型器件可通过门极关断。全控型器件可通过门极关断。v半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，断。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。才能关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。换流换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，电流从一个支路向另一个支路

7、转移的过程，也称为也称为换相换相。第第8页页4.3 换流方式换流方式总共有四种换流方式总共有四种换流方式1. 器件换流器件换流 第第9页页4.3 换流方式换流方式 器件换流（器件换流（Device CommutationDevice Commutation）利用全控型器件的自关利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用断能力进行换流。在采用IGBT 、电力、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。 电网换流（电网换流（Line CommutationLine Commutation）电网提供换流电压的换流电网提供换

8、流电压的换流方式。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关方式。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。电网的无源逆变电路。 负载换流（负载换流（Load CommutationLoad Commutation）由负载提供换流电压的换由负载提供换流电压的换流方式。负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现流方式。负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流，即电容性负载都可实现负载换流。负载换流，即电容性负载都可实现负载换流。 强迫换流（强迫换流（F

9、orced CommutationForced Commutation）设置附加的换流电路，设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强强迫换流迫换流。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为称为电容换流电容换流。第第10页页电压型逆变电路的特电压型逆变电路的特点点 (1) (1)直流侧为电压源直流侧为电压源或并联大电容，直流侧或并联大电容，直流侧电压基本电压基本无脉动无脉动。 (2)(2)输出电压为矩形输出电压为矩形波，输出电流因负载阻波，输出电流因负载阻抗不同

10、而不同。抗不同而不同。 4.4 电压型逆变电路电压型逆变电路图图4.7 单相全桥电路（单相全桥电路（P105，图，图4.6）(3)(3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。联反馈二极管。第第11页页4.4.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路全桥逆变电路全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成两个共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通两对桥臂交替导通180180。 输出电压和电流波形与半输出电压和电流波形与半桥电路形状相

11、同，幅值高桥电路形状相同，幅值高出一倍。出一倍。 改变输出交流电压的有效改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压值只能通过改变直流电压Ud来实现。来实现。b)a)图图4.8 单相全桥逆变电路的移相调压方式（单相全桥逆变电路的移相调压方式（P107，图，图4.8）第第12页页 阻感负载时，可采用移相阻感负载时，可采用移相的方式来调节输出电压的方式来调节输出电压移相调压移相调压。 V3的的栅栅极信号比极信号比V1 1落后落后q q （0 q q 180 ）。）。V3、V4的栅极信号分别比的栅极信号分别比V2、V1的超前的超前180180o o- -q q。输出电输出电压是正负各为压是正负各为q

12、 q的脉冲。的脉冲。 改变改变q q就可调节输出电压。就可调节输出电压。4.4.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路tOtOtOtOtOq qb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo第第13页页4.4.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路图图4.10（P108，图，图4.10） 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路 应用最广的是三相桥式逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路第第14页页基本工作方式基本工作方式180180导电方式导电方式 每个桥臂导电每个桥臂导电180180，同一相上下两臂交替导同一相上下两臂交替导电，各相开始导

13、电的角电，各相开始导电的角度相差度相差120 120 。 任一瞬间有三个桥臂同任一瞬间有三个桥臂同时导通。时导通。 每次换流都是在同一相每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也上下两臂之间进行，也称为称为纵向换流纵向换流。4.4.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路图图4.10（P108，图，图4.10）第第15页页4.4.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路图图4.11电压型三相桥式逆变电电压型三相桥式逆变电路的工作波形路的工作波形(p109, 图图4.11)第第16页页PWMPWM (Pulse Width Modulation)(Pulse Width Modulation)控制

14、就是控制就是脉宽调制脉宽调制技术技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值效地获得所需要的波形（含形状和幅值) )。PWMPWM技术在逆变电路中的应用最为广泛，技术在逆变电路中的应用最为广泛，目前应用的目前应用的逆变电路绝大部分都是逆变电路绝大部分都是PWM PWM 型逆变电路型逆变电路。PWMPWM控制技控制技术正是有赖于在术正是有赖于在逆变电路逆变电路中的成功应用，才确定了中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。它在电力电子技术中的重要地位。4.5 SPWM控制技术（控制技术（P118）第第17页页4.

15、5.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 理论基础理论基础采样控制理论（面积等效原理）采样控制理论（面积等效原理）冲量（面积）冲量（面积）相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其节上时，其效果基本相同效果基本相同。冲量冲量窄脉冲的面积窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同环节的输出响应波形基本相同图图4.12 4.12 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲形状不同而冲量相同的各种窄脉冲(p119, (p119, 图图4.24)4.24)d)d)单位脉冲函数单位脉冲函数f (t)d (t)tOa)a)矩形脉冲矩形脉冲b)b)三角形

16、脉冲三角形脉冲c)c)正弦半波脉冲正弦半波脉冲tOtOtOf (t)f (t)f (t)e e）输出波形）输出波形第第18页页4.5.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。一个正弦半波。 根据根据面积等效原理面积等效原理，PWMPWM波形和正波形和正弦半波是等效的。像这种脉冲的宽弦半波是等效的。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效度按正弦规律变化而和正弦波等效的的PWMPWM波形，也称波形，也称SPWMSPWM（Sinusoidal PWMSinusoidal PWM）波形）波形。 要改变等效输出正弦波的幅值时

17、，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。脉冲的宽度即可。 PWMPWM逆变电路也可分为电压型和电逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的流型两种，目前实际应用的PWMPWM逆逆变电路几乎都是变电路几乎都是电压型电压型电路。电路。 图图4.13（P119，图，图4.25)第第19页页4.5.2 SPWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法产生产生SPWMSPWM波形的常用方法波形的常用方法计算法、调制法和跟踪计算法、调制法和跟踪控制法控制法 调制法调制法: :结合结合IGBTIGBT单相桥式电压型逆变电路进行说明单相桥

18、式电压型逆变电路进行说明, ,把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波。作为载波。 工作时工作时V V1 1和和V V2 2通断互通断互补，补，V V3 3和和V V4 4通断也互通断也互补。补。 以以u uo o正半周为例，正半周为例，V V1 1通，通，V V2 2断，断，V V3 3和和V V4 4交交替通断。替通断。图图4.14 单相桥式单相桥式PWM逆变电路（逆变电路（p120, 图图4.26）第第20页页 负载电流比电压滞后，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流在电压正半周，电流有一段区间为正，一有一段区间为正，一段区间

19、为负。段区间为负。 负载电流为正的区间，负载电流为正的区间，V V1 1和和V V4 4导通时，导通时，u uo o等等于于U Ud d 。V V4 4关断时，负载电流通过关断时，负载电流通过V V1 1和和VDVD3 3续流，续流，u uo o=0=0负载电流为负的区间，负载电流为负的区间，V V1 1和和V V4 4仍导通，仍导通，io为负，实为负，实际上际上io从从VDVD1 1和和VDVD4 4流过，仍有流过，仍有uo=Ud 。4.5.2 SPWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法第第21页页4.5.2 SPWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法 V V4 4关断关断V V3 3开

20、通后，开通后，io从从V V3 3和和VDVD1 1续流，续流，u uo o=0=0。uo总可得到总可得到Ud和零两种电平。和零两种电平。uo负半周，让负半周，让V V2 2保持通，保持通，V V1 1保持断，保持断，V V3 3和和V V4 4交替通交替通断，断，uo可得可得-Ud和零两种电平。和零两种电平。第第22页页 调制信号调制信号u ur r为正弦波，载波为正弦波，载波u uc c在在u ur r的正半周为的正半周为正极性的三角波，在正极性的三角波，在u ur r的负半周为负极性的三的负半周为负极性的三角波。在角波。在u ur r和和u uc c的交点时刻控制的交点时刻控制IGBTI

21、GBT的通断。的通断。4.5.2 SPWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示表示u uo o的基波分量的基波分量图图4.15 单极性单极性PWM控制方式波形（控制方式波形（p121, 图图4.27）单极性单极性PWM控制方式控制方式第第23页页 在在u ur r的正半周，的正半周，V V1 1保持通态，保持通态，V V2 2保持断态，当保持断态，当u ur ru uc c时，使时，使V4V4导通，导通，V V3 3关断，关断，u uo o= =U Ud d；当；当u ur ru uc c时，使时，使V V4 4关断，关断，V3V3导通，导通，

22、u uo o=0=0。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示表示u uo o的基波分量的基波分量4.5.2 SPWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法第第24页页 在在u ur r的负半周，的负半周，V V1 1保持断态，保持断态，V V2 2保持通态，当保持通态，当u ur ru uc c时，时，使使V V3 3导通，导通，V V4 4关断，关断，u uo o- -U Ud d；当；当u ur ru uc c时，使时，使V V3 3关断，关断，V V4 4导通，导通，u uo o=0=0。这样，就得到了。这样，就得到了SPWMSPWM波形波形u uo o。4.5.2 SPWM逆

23、变电路及控制方法逆变电路及控制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示表示u uo o的基波分量的基波分量第第25页页双极性双极性PWM控制方式控制方式4.5.2 SPWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法图图4.16 双极性双极性PWM控制方式波形（控制方式波形（p121, 图图4.27）urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWMPWM波也有正有负，其幅值只有波也有正有负，其幅值只有U Ud d两种电平。两种电平。第第26页页同样在调制信号同样在调制信号ur和载波信号和载波信号uc的

24、交点时刻控制器的交点时刻控制器件的通断。件的通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。正负半周，对各开关器件的控制规律相同。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud4.5.2 SPWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法第第27页页4.5.2 SPWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-Udv当当u ur r u uc c时时，给，给V V1 1和和V V4 4导通信号，给导通信号，给V V2 2和和V V3 3关断信号。关断信号。v如如i io o00，V V1 1和和V V4 4通，如通，如i io o00，VDVD1 1和和VDVD4

25、 4通，通，u uo o= =U Ud d 。v当当u ur r u uc c时时，给，给V V2 2和和V V3 3导通信号，给导通信号，给V V1 1和和V V4 4关断信号。关断信号。v如如i io o000，VDVD2 2和和VDVD3 3通，通，u uo o=-=-U Ud d 。第第28页页三相三相SPWM逆变电路和逆变电路和PWM控制方式控制方式4.5.2 SPWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法图图4.17 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路（型逆变电路（p121，图，图4.28） 三相的三相的PWMPWM控制公控制公用三角波载波用三角波载波u uc c 三相的调制信号三相的

26、调制信号u urUrU、u urVrV和和u urWrW依次相差依次相差120120第第29页页ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd- UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud图图4.19 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 图图4.18 三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 以以U U相为例分析相为例分析控制规律控制规律： 当当u urUrUuuc c时，给时，给V V1 1导通信号，给导通信号，给V V4 4关断信号，关断信号，u uUNUN=U=Ud d/2/2。 当当u urUrUuuc c时，给

27、时，给V V4 4导通信号，给导通信号，给V V1 1关断信号，关断信号，u uUNUN=-U=-Ud d/2/2。 当给当给V V1 1(V(V4 4) )加导通信号时，可能加导通信号时，可能是是V V1 1(V(V4 4) )导通，也可能是导通，也可能是VDVD1 1(VD(VD4 4) )导通。导通。 u uUNUN、u uVNVN和和u uWNWN的的PWMPWM波形只波形只有有U Ud d/2/2两种电平。两种电平。 u uUVUV波形可由波形可由u uUNUN-u-uVNVN得出，当得出，当1 1和和6 6通时，通时，u uUVUV=U=Ud d，当，当3 3和和4 4通时，通时，

28、u uUVUV= =U Ud d，当，当1 1和和3 3或或4 4和和6 6通时，通时，u uUVUV=0=0。4.5.2 SPWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法第第30页页 输出线电压输出线电压PWMPWM波由波由U Ud d和和0 0三种三种电平构成电平构成 负载相电压负载相电压PWMPWM波由波由( (2/3)2/3)U Ud d、( (1/3)1/3)U Ud d和和0 0共共5 5种电平组成。种电平组成。 防直通的死区时间防直通的死区时间v 同一相上下两臂的驱动信号互补，同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加

29、关断信号的死一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。区时间。v 死区时间的长短主要由开关器件的死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。关断时间决定。v 死区时间会给输出的死区时间会给输出的PWMPWM波带来波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。影响，使其稍稍偏离正弦波。ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd- UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud图图4.19 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 图图4.18三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 4.5.2 SPWM逆变电路及控制方法逆变电路及控制方法第第31

30、页页4.5.3 SPWM调制方式及实现方法调制方式及实现方法 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWMPWM调制方式分为调制方式分为异步调制异步调制和和同步调制同步调制。 通常保持通常保持fc固定不变，当固定不变，当fr变化时，载波比变化时，载波比N是变化的。是变化的。 在信号波的半周期内，在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。周期的脉冲也不对称。载波比载波比载波频率载波频率fc与调制信号

31、频率与调制信号频率fr之比，之比，N= fc / fr1） 异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式载波信号和调制信号不同步的调制方式第第32页页 当当fr较低时，较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小。对称产生的不利影响都较小。 当当fr增高时，增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。这使得脉冲不对称的影响就变大。这使得PWM波形和正弦波形和正弦波的差异变大。波的差异变大。 在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。4.5.3 SPWM调制方式及实现方法调制方式及实现方法第第33页页 基本同步调制方式，基本同步调制方式，f fr r变化时变化时N N不变，信号波一周期不变，信号波一周期内输出脉