第八章逆变电路-(出版社)

1、1第八章第八章 逆变电路逆变电路 n第一节第一节 无源逆变及基本电路无源逆变及基本电路 n第二节第二节 电压型和电流型逆变器电压型和电流型逆变器 n第三节第三节 脉宽调制型逆变电路脉宽调制型逆变电路 *第四节第四节 软开关技术软开关技术 n本章小节本章小节2l 逆变概念：逆变概念：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l交流侧接电网，为有源逆变交流侧接电网，为有源逆变l交流侧接负载，为无源逆变交流侧接负载，为无源逆变本章讲述无源逆变本章讲述无源逆变l逆变与变频逆变与变频l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l交直交变频由交直变换和直

2、交变换两部分组交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变成，后一部分就是逆变l 逆变电路的应用逆变电路的应用逆变电路逆变电路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等电力电子装置的核心部分都是逆变电路l 本章内容本章内容第一节第一节 无源逆变及其基本电路无源逆变及其基本电路第二节第二节 电压型和电流型逆变器电压型和电流型逆变器第三节第三节 脉宽调制型逆变电路脉宽调制型逆变电路第四节第四节 软开关技术软开关技术第八章第八章 逆变电路逆变电路引言引言 交流负载供电交流负载供电直流电源如蓄直流电源

3、如蓄电池、干电池电池、干电池和太阳能电池和太阳能电池3第一节第一节 无源逆变及基本电路无源逆变及基本电路 4以以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理为例说明最基本的工作原理一、一、逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理图图 8-1 8-1 逆变电路工作原理逆变电路工作原理Q1Q4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。5一、一、逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理+ -S1、S4闭合、S2、S3断开6一、一、逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理- +S1、S4断开、S2、S3闭合7逆变电路最基本的工作逆变电路最基本的工作原理原理 改变两组开关改变两组开关切换频率，可改变输出切换频率

4、，可改变输出交流电频率。交流电频率。电阻负载电阻负载时，负载电流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感负载阻感负载时，i io o相位滞后于u uo o，波形也不同。一、一、逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理电阻负载阻感负载8换相换相电流从一个支路向另一个支路电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为转移的过程，也称为换相换相。逆变电路的换相逆变电路的换相开通：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：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

5、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。研究换相主要是研究如何使器件关断。研究换相主要是研究如何使器件关断。91) 器件换相器件换相（Device Commutation）n利用全控型器件的自关断能力进行换相。利用全控型器件的自关断能力进行换相。n在采用在采用IGBT 、电力、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全等全控型器件的电路中的换相方式是器件换相。控型器件的电路中的换相方式是器件换相。2) 电网换相电网换相（Line Commutation）n电网提供换相电压的换相方式。电网提供换相电压的换相方式。n将负的电网电压

6、施加在欲关断的晶闸管上即可使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电网的无源逆变电路。适用于没有交流电网的无源逆变电路。逆变电路的换相逆变电路的换相103) 负载换相负载换相（Load Commutation） 由负载提供换相电压的换相方式。由负载提供换相电压的换相方式。 负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换相。负载换相。4) 强迫换相强迫换相（Forced Commutation）设置附加的换相电路，给欲关断的晶闸管强迫施加设置附加的

7、换相电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换相方式称为反压或反电流的换相方式称为强迫换相强迫换相。 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相电容换相。逆变电路的换相逆变电路的换相11换相方式换相方式分为外部换相和自换相两大类，外部换相包分为外部换相和自换相两大类，外部换相包括电网换相和负载换相两种，自换相包括器括电网换相和负载换相两种，自换相包括器件换相和强迫换相两种。件换相和强迫换相两种。晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。要性有所下降。逆变电路的换相逆变电路的换相12

8、二、二、n1、半桥逆变电路、半桥逆变电路n2、全桥逆变电路、全桥逆变电路131、半桥逆变电路t1t2：C1V1负载，输出电压右正左负- +图 8-4 半桥逆变电路141、半桥逆变电路t2t3：C2VD2负载，二极管VD2续流，输出电压左正右负+ -15t3t4：C2V2负载，输出电压右正左负+ -1、半桥逆变电路16- +t4t5：C1VD1负载，二极管VD1续流，输出电压左负右正1、半桥逆变电路171、半桥逆变电路- + -+ - +工作原理工作原理V1和和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压u uo o为矩

9、为矩形波，幅值为形波，幅值为Um=Ud/2。V1或或V2通时，通时，i io o和和u uo o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；VD1或或VDVD2 2通时，通时，i io o和和u uo o反向，反向，电感中贮能向直流侧反馈。电感中贮能向直流侧反馈。VDVD1 1、VDVD2 2称为称为反馈二极管反馈二极管, , 起着使负载电流连续的作起着使负载电流连续的作用，又称用，又称续流二极管续流二极管。181、半桥逆变电路优点：电路简单，使用器件少。：电路简单，使用器件少。缺点：输出交流电压幅值为：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电

10、压均衡。需两电容器串联，要控制两者电压均衡。应用：用于几用于几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单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。变电路的组合。192、全桥逆变电路tOtOtOtOtO? ?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo特点特点 共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通两对桥臂交替导通180180。 输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。8-5全桥逆变电路及波形20输出电压定量

11、分析输出电压定量分析 uo成傅里叶级数成傅里叶级数 (8-1) 基波幅值基波幅值 (8-2) 基波有效值基波有效值 (8-3) uo为正负各为正负各180时，要改变输出电压有效值只能改时，要改变输出电压有效值只能改变变Ud来实现来实现)5sin513sin31(sin4tttUudoddmoUUU27. 141ddoUUU9 . 022121第二节第二节 逆变电路的分类逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧大电容滤波是电压源电压源电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路Current So

12、urce Type Inverter-VSTI直流侧大电感滤波是电流源电流源22一、一、电压型逆变电路的主要特点电压型逆变电路的主要特点 (1) (1)直流侧为电压源或并联直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本大电容，直流侧电压基本无无脉动脉动。 (2)(2)输出电压为矩形波，输输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不出电流因负载阻抗不同而不同。同。 (3)(3)阻感负载时需提供无功阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。逆变桥各臂并联反馈二极管。图图8-6 电压型三相桥式逆变电路

13、电压型三相桥式逆变电路23l三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路路l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l可看成由三个半桥逆变电路组成可看成由三个半桥逆变电路组成图8-6 三相电压型桥式逆变电路l180导电方式导电方式 每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 任一瞬间有三个桥臂同时导通 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流纵向换流一、一、24l 波形分析图8-7 电压型三相桥式逆变电路的工作波形负载各相到电源中点负载各相到电源中点N的电的电压压：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN

14、=-Ud/2 负载线电压负载线电压 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu 负载相电压负载相电压NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu(8-4)一、一、25负载中点和电源中点间电压负载中点和电源中点间电压 )(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu(8-5)利用式利用式(8-4)和和(8-6)可绘出可绘出uUN、uVN、uWN波形波形负载已知时，可由负载已知时，可由uUN波形求出波形求出iU波形波形一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似桥臂桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流的电流相加

15、可得直流侧电流id的波形，的波形，id每每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点特点 )(31 WN VN UNNNuuuu(8-6)负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是 一、一、26图8-8 电流型三相桥式逆变电路电流型逆变电路直流电源为电流源的逆变电路一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似 看成直流电流源实例之一：图8-8电流型三相桥式逆变电路 吸收换流时 负载电感中存贮的能量二、二、27电流型逆变电路主要特点电

16、流型逆变电路主要特点 (1) 直流侧串大电感，相当于电流源直流侧串大电感，相当于电流源 (2) 交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因 负载不同而不同负载不同而不同 (3) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关 器件反并联二极管器件反并联二极管电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍 应用较多应用较多换流方式有负载换流、强迫换流换流方式有负载换流、强迫换流二、二、28图8-8 电流型三相桥式逆变电路的输出波形 l 波形分析波形分析输出电流波形和负载性质无关，输出

17、电流波形和负载性质无关，正负脉冲各正负脉冲各120的矩形波的矩形波输出电流和三相桥整流带大电输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同谐波分析表达式也相同输出线电压波形和负载性质有输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波关，大体为正弦波输出交流电流的基波有效值输出交流电流的基波有效值l电流型三相桥式逆变电路电流型三相桥式逆变电路（采用全控型器件）基本工作方式是基本工作方式是120导电方式导电方式每个臂一周期内导电每个臂一周期内导电120每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，横向换流每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，横向换流二、二、29第三节

18、第三节 脉宽调制（脉宽调制（PWM）型逆变电路）型逆变电路 nPWM (Pulse Width Modulation)PWM (Pulse Width Modulation)n脉宽调制技术：通过对一系列脉冲的宽度进行调制，脉宽调制技术：通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）n第第6章直流斩波变换技术已涉及章直流斩波变换技术已涉及PWMPWM控制，本章主要控制，本章主要学习学习SPWMSPWM控制。控制。nPWMPWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现得实现PWMPW

19、M控制变得十分容易。控制变得十分容易。nPWMPWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。分重要的地位。30Ou t如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ou tOu t一、一、 PWM控制的基本原理控制的基本原理31Ou t如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波SPWM波若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。Ou tOu tOu t一、一、PWM控制的基本原理控制的基本原理328.3.2 SPWM波形的生成

20、波形的生成n计算法计算法根据正弦波频率、幅值和半根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算周期脉冲数，准确计算PWMn 波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需开关器件的通断，就可得到所需PWM波形波形n本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化相位变化时，结果都要变化33SPWM波形的生成波形的生成n调制法调制法把希望输出的波形作调制信号，通把希望输出的波形作调制信号，通过对此过对此信号波的调制信号波的调制得到所期望的得到所期望的PWM波波n采用等腰三角波或锯齿波作为采用等

21、腰三角波或锯齿波作为载波载波n等腰三角波应用最多，因其任一点的水平宽度和高等腰三角波应用最多，因其任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称度成线性关系且左右对称n载波与平缓变化的调制信号相交，在交点时刻载波与平缓变化的调制信号相交，在交点时刻控制器件通断，就得到宽度正比于信号波幅值控制器件通断，就得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合的脉冲，符合PWM的要求调制信号波为正弦的要求调制信号波为正弦波时，得到的就是波时，得到的就是SPWM波；调制信号波；调制信号 是其是其他所需波形时，也能得到等效的他所需波形时，也能得到等效的PWM波波34 以单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明以单相桥式电压型

22、逆变电路对调制法进行说明图图8-10 8-10 单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路工作时工作时V1和和V2通断互补，通断互补，V3和和V4通断也互补通断也互补u控制规律：控制规律：以以uo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交替通断交替通断 负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一 段区间为正，一段区间为负段区间为正，一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，uo等于等于UdV V4 4关断时，负载电流通过关断时，负载电流通过V V

23、1 1和和VDVD3 3续流，续流，uo=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，实际为负，实际上上io从从VDVD1 1和和VDVD4 4流过，仍有流过，仍有uo=UdV V4 4关断关断V V3 3开通后，开通后，io从从V V3 3和和VDVD1 1续流，续流，uo=0=0uo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- -U Ud d和零两种电平和零两种电平35uur正半周，正半周，V

24、1保持通，保持通，V2保持断保持断当当uruc时使时使V V4 4通，通，V3断，断，uo=Ud当当uruc时，给时，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关断信号关断信号如如io0，V V1 1和和V V4 4通，如通，如io0，VDVD1 1和和VDVD4 4通，通， uo=Ud当当uruc时，给时，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关断信号关断信号如如io0，VDVD2 2和和VDVD3 3通，通，uo=-Ud37图6-6urucuOtOtuouofuoUd- Ud图图8-12 双极性双极性PWM

25、控制方式波形控制方式波形 对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别差别图6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud图图8-11 单极性单极性PWM控制方式波形控制方式波形38图8-13 三相桥式PWM型逆变电路 三相的PWM控制公用三角波载波uc 三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120下面以下面以U相为例进行分析：相为例进行分析：二、三相桥式二、三相

26、桥式PWM逆变电路逆变电路39图 8-13 三相SPWM逆变电路及波形 当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN=Ud/2当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN=-Ud/2当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平uUV波形可由uUN-uVN得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成l 控制规律：40n防直通的死区

27、时间1.同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而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，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间2.死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定3.死区时间会给输出的死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正波带来影响，使其稍稍偏离正弦波弦波41三、三、PWM逆变电路的控制方式逆变电路的控制方式 n异步调制和同步调制异步调制和同步调制载波比载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / frv根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况

28、，PWM调制方式分为异步调制异步调制和同步调制同步调制421、异步调制、异步调制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是变化是变化的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，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，半周期内相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后前后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

29、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脉冲不对称的影响就变大432、同步调制、同步调制载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。图6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud图8-14 同步调制三相PWM波形讨论：基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不

30、易滤除fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受44*第四节第四节 软开关技术软开关技术 n现代电力电子装置的发展趋势是小型化、现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化、高频化，同时对装置的效率和轻量化、高频化，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。正是电磁兼容性也提出了更高的要求。正是在这一发展趋势的促进下，软开关技术在这一发展趋势的促进下，软开关技术在电力变换应用中发挥重要作用，谐振在电力变换应用中发挥重要作用，谐振软开关电路在一定领域内将有替代软开关电路在一定领域内将有替代PWM硬性开关电路的可能。硬性开关电路的可能。 45一、软开关的基本概念一、软开关的基本概念 n软开关电

31、路在电路中增加了小电感、电容等谐振元软开关电路在电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引人谐振，使开关条件得以改件，在开关过程前后引人谐振，使开关条件得以改善，从而降低开关损耗和开关噪声。因此，软开关善，从而降低开关损耗和开关噪声。因此，软开关有时也被称为谐振开关。有时也被称为谐振开关。 图图8-17 零电压（软）开关谐振电路及波形零电压（软）开关谐振电路及波形 46二、软开关电路的分类二、软开关电路的分类 n准谐振电路、零开关准谐振电路、零开关PWM电路和零转换电路和零转换PWM电路电路 a) 基本开关单元 b) 降压斩波器中的基本开关单元c) 升压斩波器中的基本开关单元 d)

32、升降压斩波器中的基本开关单元 a）b）C）d）图8-18 基本开关单元471、准谐振电路、准谐振电路a) 零电压开关准谐振电路中的基本开关单元零电压开关准谐振电路中的基本开关单元 b) 零电流开关准谐振电路中的基本开关单元零电流开关准谐振电路中的基本开关单元 c) 零电压开关多谐振电路中的基本开关单元零电压开关多谐振电路中的基本开关单元 a ） b） c） 谐振的引人使得电路的开关损耗和开关噪声都大大下降谐振的引人使得电路的开关损耗和开关噪声都大大下降. 但：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电但：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率的交换，造流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率的交换，造成电路导通损耗加大成电路导通损耗加大 图8-19 准谐振电路中的基本开关单元482、零开关、零开关PWM电路电路 电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关