电气工程自动控制原理第7章无源逆变电路

1、7.1 7.1 无源逆变电路的原理无源逆变电路的原理一一. . 无源逆变电路的概述无源逆变电路的概述 逆变逆变与整流相对应，直流电变成交流电。与整流相对应，直流电变成交流电。v交流侧接电网，为有源逆变；交流侧接电网，为有源逆变；v交流侧接负载，为无源逆变；本章讲述无源逆变。交流侧接负载，为无源逆变；本章讲述无源逆变。 逆变与变频逆变与变频v变频电路：交交变频和交直交变频两种；变频电路：交交变频和交直交变频两种；v交直交变频由交直交变频由交直变换交直变换和和直交变换直交变换两部分组成，两部分组成，后一部分就是逆变。后一部分就是逆变。工业应用交流电源工业应用交流电源v 变频变压电源变频变压电源 V

2、VVF，即变频器。通常用于交流电动机即变频器。通常用于交流电动机调速；调速；v 恒频恒压电源恒频恒压电源 CVCF，典型代表是典型代表是UPS，以及其它的各以及其它的各种电源；种电源；v 感应加热用交流电源，要求频率可以在一定范围内变化。感应加热用交流电源，要求频率可以在一定范围内变化。 逆变电路的应用逆变电路的应用v蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路；电时，需要逆变电路；v交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等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。电力电子装

3、置的核心部分都是逆变电路。二二. .无源逆变电路的基本工作原理无源逆变电路的基本工作原理单相桥式逆变电路为例单相桥式逆变电路为例S1S4S1S4是桥式电路的是桥式电路的4 4个臂，由电力电子器件及辅助个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。电路组成。S1S1、S4S4闭合，闭合，S2S2、S3S3断开时，负载电压断开时，负载电压u uo o为正；为正；S1S1、S4S4断开，断开，S2S2、S3S3闭合时，闭合时，u uo o为负。把直流电变为负。把直流电变成了交流电。成了交流电。图图7-1 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率；改变两组开关切换频率

4、，可改变输出交流电频率； 电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流io和和uo的波形相同，相位也相同；的波形相同，相位也相同； 阻感负载时，阻感负载时，io相位滞后于相位滞后于uo，波形也不同（图波形也不同（图7-1b）t1前：前：S1、S4通，通，uo和和io均为正；均为正；t1时刻断开时刻断开S1、S4，合上合上S2、S3，uo变负，但变负，但io不能立刻反向；不能立刻反向；io从电源负极流出，经从电源负极流出，经S2、负载和负载和S3流回正极，负流回正极，负载电感能量向电源反馈，载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，逐渐减小，t2时刻降为时刻降为零，之后零，之后io才反向并增大。才反向并增

5、大。 换流：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，换流：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相也称换相(电力电子器件导通和关断来完成电力电子器件导通和关断来完成)。 开通方式：适当的门极驱动信号就可使其开通开通方式：适当的门极驱动信号就可使其开通 关断方式：关断方式： 全控型器件可通过门极关断；全控型器件可通过门极关断； 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断；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，才能一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。关断。 研究换流方式主要是研究研究换流方式主要是研究如何使器件关断如何使器件关断。1

6、. 1. 器件换流器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流（利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Device CommutationCommutation）; ;2. 2. 电网换流电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流（由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）；）； 可控整流电路、相控交流调压电路；可控整流电路、相控交流调压电路； 不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。3. 3. 负载换流负载换流 由负载提供换流电压称为负载换流（由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commut

7、ation）；）； 负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流；负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流； 负载为电容性负载时，可实现负载换流。负载为电容性负载时，可实现负载换流。4. 4. 强迫换流强迫换流 设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流（反向电流的换流方式称为强迫换流（Forced CommutationForced Commutation）通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流 直接耦合式强迫换流直接耦

8、合式强迫换流由换流电路内电容提供换流电压由换流电路内电容提供换流电压VTVT通态时，先给电容通态时，先给电容C C充电。合上充电。合上S S就可使晶闸管被施加反就可使晶闸管被施加反压而关断。压而关断。SVT负载+-图5-31.1.从相数角度从相数角度 单相逆变及三相逆变电路单相逆变及三相逆变电路2.2.从直流电源的性质角度从直流电源的性质角度 电压源型和电流源型逆变电路电压源型和电流源型逆变电路3.3.从输出波形的特征角度从输出波形的特征角度 矩形波和矩形波和脉宽调制波脉宽调制波逆变电路逆变电路4.4.从电路结构的角度从电路结构的角度 桥式及零式逆变电路桥式及零式逆变电路5.5.从导通角大小的

9、角度从导通角大小的角度 120120度及度及180180度导通型逆变电路度导通型逆变电路 电压型逆变器电压型逆变器 电流型逆变器 矩形波逆变器矩形波逆变器 特点: 输出电压波形为矩形波，电路控制简单，开关次数少，直流电压利用率高。缺点在于输出电压或电流调节困难，矩形波的谐波含量高。 脉宽调制型逆变器脉宽调制型逆变器 特点：输出基波的频率及幅值调节容易，谐波含量低。缺点在于开关次数高，直流电压利用率低。7.2 7.2 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路一半桥逆变电路一半桥逆变电路1.1.电路结构电路结构+-RLa)ttOOONb)图5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t

10、2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2图图7-2 单相半桥逆变电路的原理图及波形单相半桥逆变电路的原理图及波形2.2.工作原理工作原理vV1和和V2栅极信号在一周期内各半周开通、半周关断，形成互栅极信号在一周期内各半周开通、半周关断，形成互补。补。vuo为矩形波，幅值为为矩形波，幅值为Um=Ud/2ov电流波形随负载而异，如感性负载时见电流波形随负载而异，如感性负载时见(图图7-2b)；vV1或或V2通时，通时，io和和uo同方向，直流侧向负载提供能量；同方向，直流侧向负载提供能量；vVD1或或VD2通时，通时，io和和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈；反向，电

11、感中贮能向直流侧反馈；vVD1、VD2称为反馈二极管称为反馈二极管,还使还使io连续，又称连续，又称续流二极管续流二极管。 特点特点v优点：简单，使用器件少优点：简单，使用器件少v缺点：交流电压幅值缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡两者电压均衡v用于用于几几kW以下的小功率逆变电源以下的小功率逆变电源 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合二二. .全桥逆变电路全桥逆变电路图图7-3（a) 单相电压型全桥逆变电路的原理图及波形单相电压型全桥逆变电路的原理图及波形(阻性负载

12、）阻性负载）1.1.电路结构电路结构输出电压（图输出电压（图 b）输出电流（图输出电流（图 c）直流输入电流（图直流输入电流（图 d） 输出电压（图输出电压（图 b）输出电流（图输出电流（图 c）直流输入电流（图直流输入电流（图 d）图图7-3（b) 单相电压型全桥逆变电路的原理图及波形单相电压型全桥逆变电路的原理图及波形(阻感性负载）阻感性负载）2.2.工作原理工作原理v两个半桥电路的组合；两个半桥电路的组合；vV1和和V4一对，一对，V2和和V3另一对，成对桥臂同时导通，两另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通对交替各导通180；vuo波形同图波形同图7-2b半桥电路的半桥电路的uo，幅

13、值高出一倍幅值高出一倍Um=Ud；vio波形和图波形和图7-2b中的中的io相同，幅值增加一倍；相同，幅值增加一倍；v单相逆变电路中应用最多的；单相逆变电路中应用最多的；3.3.输出电压参数分析输出电压参数分析 uo成傅里叶级数 基波幅值 基波有效值 当当uo为正负各180时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现tttUu5sin513sin31sin4doddo1m27. 14UUUdd1o9 . 022UUU(7-1)(7-2)(7-3)许多工程应用要求同时改变输出频率和电压?4.4.移相调压方式（通过逆变器本身开关控制移相调压方式（通过逆变器本身开关控制, ,适用于单相）适用于单相）+

14、-CRLtOtOtOtOtOa)b)图5-7UdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo图图7-4 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v可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压移相调压v各栅极信号为180正偏，180反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变v但V3的栅极信号只比V1落后 ( 0 0 0时，V12和VD1导通 iUuc时使时使V4通，通，V3断，断，uo=Ud 当当uruc时使时使V4断，断，V3通，通，uo=0 ur负半周，负半周，V1保持断，保持断，V2保持通保持通 当当ur

15、uc时使时使V3断，断，V4通，通，uo=0 虚线虚线uof表示表示uo的基波分量的基波分量1 1、单极性、单极性SPWMSPWM控制方式控制方式图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud图图7-15 单极性单极性PWM控制方式波形控制方式波形在在u ur r的半个周期内，三角波载波有正有的半个周期内，三角波载波有正有负，所得负，所得PWMPWM波也有正有负波也有正有负仍在调制信号仍在调制信号u ur r和载波信号和载波信号u uc c的交点控的交点控制器件的通断制器件的通断u ur r正负半周，对各开关器件的控制规律正负半周，对各开关器件的控制规律相同相同当当u ur r u uc

16、c时时，给，给V1V1和和V4V4导通信号，给导通信号，给V2V2和和V3V3关断信号，关断信号， uo=Ud - -当当u ur r u uc c时时，给，给V2V2和和V3V3导通信号，给导通信号，给V1V1和和V4V4关断信号，关断信号， uo=-Ud在在u ur r一周期内，输出一周期内，输出PWMPWM波只有波只有U Ud d两两种电平种电平 单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。极性调制。图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud2 2、双极性、双极性SPWMSPWM控制方式控制方式图图7-16 双极性双极性PWM控制

17、方式波形控制方式波形 为了实现逆变器输出交流电压幅值和频率的调节，可以通过改变载波为了实现逆变器输出交流电压幅值和频率的调节，可以通过改变载波和调制波的频率及调制波的幅值来实现。定义如下：和调制波的频率及调制波的幅值来实现。定义如下： （1）载波比载波比载波频率载波频率fc与调制信号频率与调制信号频率fr之比，之比，N= fc / fr （2）调制度调制度调制波幅值调制波幅值mr与与载波幅值载波幅值mc之比，之比，Ma= mr / mc 通过改变调制度可以改变输出交流电压基波的幅值；通过改变调制度可以改变输出交流电压基波的幅值； 通过改变载波比可以改变输出交流电压基波的频率；通过改变载波比可以

18、改变输出交流电压基波的频率；当当a a在之间时，输出交流电压的基波幅值与在之间时，输出交流电压的基波幅值与a a成线性关系：成线性关系：对于单相半桥逆变电路：对于单相半桥逆变电路：o(1)o(1)MaMa* *Ud/2Ud/2对于单相全桥逆变电路：对于单相全桥逆变电路：o(1)o(1)MaMa* *UdUd对于三相桥式逆变电路：对于三相桥式逆变电路：线电压基波幅值线电压基波幅值0.8660.866* *MaMa* *UdUd 单极性单极性SPWM在载波比在载波比N = 20时的基波与谐波时的基波与谐波横轴为调制度横轴为调制度纵轴为谐波与基波幅值的比值纵轴为谐波与基波幅值的比值在在Ma为为01之

19、间时几乎不含低次谐波，仅含有高次谐波，滤波容易。之间时几乎不含低次谐波，仅含有高次谐波，滤波容易。在在Ma大于大于1（过调制）后含有低次谐波，谐波特性较差。（过调制）后含有低次谐波，谐波特性较差。 双极性双极性SPWM在载波比在载波比N = 19时的基波与谐波时的基波与谐波横轴为调制度横轴为调制度纵轴为谐波与基波幅值的比值纵轴为谐波与基波幅值的比值可知：可知：单极性调制的谐波特性好于双极性调制单极性调制的谐波特性好于双极性调制六六. .同步调制和异步调制同步调制和异步调制 异步调制异步调制载波信号和调制信号频率不同步的调制方式载波信号和调制信号频率不同步的调制方式 通常保持通常保持fc固定不变

20、，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 当当fr较低时，较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对较大，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脉脉冲不对称的影响就变大冲不对称的影响就变大1. 1. 异步调制异步调制2

21、. 2. 同步调制同步调制 同步调制同步调制N等于常数，并在变频时使载波和信等于常数，并在变频时使载波和信号调制波保持同步号调制波保持同步 基本同步调制方式，基本同步调制方式，fr变化时变化时N不变，信号波一不变，信号波一周期内输出脉冲数固定周期内输出脉冲数固定 为使为使PWM波正负半周镜对称，波正负半周镜对称，N应取奇数应取奇数 fr很低时，很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤也很低，由调制带来的谐波不易滤除除 fr很高时，很高时，fc会过高，器件工作频率变高，从而会过高，器件工作频率变高，从而使开关器件难以承受使开关器件难以承受 分段同步调制 把把fr范围划分成若干个频段，每个频段内

22、保持范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不恒定，不同频段同频段N不同不同 在在fr高的频段采用较低的高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高使载波频率不致过高 在在fr低的频段采用较高的低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低使载波频率不致过低 为防止为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法 同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现 可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同同步调制方

23、式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近步方式效果接近 SPWM 的载波比与输出频率的载波比与输出频率关系（分段同步调制）关系（分段同步调制） 不同开关频率下三种逆变器的电机电流波形七七.SPWM.SPWM的实际生成方式的实际生成方式模拟电路方式模拟电路方式专用集成电路方式（专用集成电路方式（MA818、HEF4752、SLE4520）采用带采用带SPWM功能的单片机或功能的单片机或DSP芯片（芯片（80C196、TMS320F2812等）等） SPWMSPWM逆变器的自然采样与规则采样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 规则采样法原理规则采样法

24、原理 三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合 对称规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化 在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断 脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近 对称规则采样法工程实用方法 用脉宽调制消除指定的谐波分量用脉宽调制消除指定的谐波分量 消除3次和5次两种谐波的电压波形 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 2nnMntnUtu.

25、531sin)(、cos2cos21421nnnUUdnM05cos25cos2103cos23cos212121八八.SPWM.SPWM的谐波分析的谐波分析 脉宽调制逆变电路的主要优点就是可以消除输出电压波形的脉宽调制逆变电路的主要优点就是可以消除输出电压波形的谐波，因此有必要掌握谐拨成分和分布规律，谐波频率和幅谐波，因此有必要掌握谐拨成分和分布规律，谐波频率和幅值是衡量值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一逆变电路性能的重要指标之一 使用载波对正弦信号波调制时，产生了和载波有关的谐波分使用载波对正弦信号波调制时，产生了和载波有关的谐波分量量 分析对象：分析对象： - 分析分析双极性双极性

26、SPWM波形波形 - 同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式式 分析方法：分析方法： 不同信号调制波周期的不同信号调制波周期的PWM波不同，无法直接以信号调波不同，无法直接以信号调制波周期为基准分析制波周期为基准分析 以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的波的傅里叶级数表达式傅里叶级数表达式 分析过程相当复杂，结论却简单而直观分析过程相当复杂，结论却简单而直观 1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅图6-13角频率(nc +kr )0.20.40.60

27、.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0PWM波中不含低次谐波，只含波中不含低次谐波，只含 c及其附近的谐波以及及其附近的谐波以及 2 c、3 c等及其附近的谐波，成边带分布等及其附近的谐波，成边带分布图图7-17 单相单相PWM桥式逆桥式逆变电路输出电压频谱图变电路输出电压频谱图 图7-17，不同Ma时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图 谐波角频率为 式 中 ， n = 1 , 3 , 5 , 时 ，k=0,2,4, ；n=2,4,6,时，k=1,3,5, rckn1.1.单相的分析结果单相的分析结果(7-16)2.2.三相的分析结果三相的分析结果 参见教材页参见教材

28、页 公用载波信号时的情况公用载波信号时的情况 输出线电压中的谐波角频率为输出线电压中的谐波角频率为 式中，n=1,3,5,时， k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,时， 。, 2 , 116, 1 , 016mmmmk1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅图6-140.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率 (nc +kr )图图7-18 三相桥式三相桥式PWM逆变逆变电路输出线电压频谱图电路输出线电压频谱图rckn(7-17) 和单相比较和单相比较(图图7-17)，共同点是都不含低次谐波，一，共同点是都不含低

29、次谐波，一个较显著的区别是个较显著的区别是载波角频率载波角频率wc整数倍的谐波没有整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是了，谐波中幅值较高的是wc2wr和和2wcwr SPWM波中谐波主要是角频率为波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近及其附近的谐波，很容易滤除的谐波，很容易滤除 当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和后者的谐波分布情况和SPW

30、M波的谐波分析一致波的谐波分析一致九九. .提高直流电压利用率和减小开关次数提高直流电压利用率和减小开关次数 直流电压利用率直流电压利用率逆变电路输出交流电压基波最大幅值逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压和直流电压Ud之比之比 提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力 减少器件的开关次数可以降低开关损耗减少器件的开关次数可以降低开关损耗 正弦波调制的三相正弦波调制的三相PWM逆变电路，调制度逆变电路，调制度a为为1时，输出线电压时，输出线电压的基波幅值为的基波幅值为 ，直流电压利用率为，直流电压利用率为0.866，实际还更低，实际还更低 梯

31、形波调制方法的思路梯形波调制方法的思路 采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率 当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值更大幅值更大dU) 2/ 3( 梯形波调制方法的原理及波形梯形波调制方法的原理及波形 梯形波的形状用三角化率梯形波的形状用三角化率s =Ut/Uto描述，描述，Ut为以横轴为底时为以横轴为底时梯形波的高，梯形波的高，Uto为以横轴为底边为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高三角形的高 s =0时梯形波变为矩形波，时梯形波变为矩形波，s =1时梯形波变为三角波时梯形波变为三角波 梯形波含低次谐波，梯形波含低次谐波，PWM波含同波含同样的低次谐波样的低次谐波 低次谐波（不包括由载波引起的低次谐波（不包括由载波引起的谐波）产生的波形畸变率为谐波）产生的波形畸变