电力电子技术 第3章 无源逆变和变频

2023/2/11第3章无源逆变和变频3.1无源逆变的概念3.4晶闸管三相逆变电路3.3交-直-交变频器的构成和控制模式3.2用于开关电源的逆变电路22023/2/13.1无源逆变的概念及应用

有源逆变是将逆变器输出的交流电能回送到交流电网，因此逆变器输出的电压的幅度、频率以及相位都必须与电网电压统一。

逆变是把直流电能变换成交流电能的过程，实现这种功能的装置叫做逆变器。无源逆变是指逆变器输出的交流电能直接供给负载而不送往交流电网。

32023/2/13.1无源逆变的概念及应用

无源逆变电路多与其它电力电子变换电路组合形成具有特殊功能的电力电子设备。如无源逆变器与整流器组合为交-直-交变频器。

整流和无源逆变的另一种组合是开关电源。

42023/2/13.2.1全桥式逆变器U为直流电源，作为逆变器的能源。S1~S4为四个电力电子开关，开关为全控型，可以控制开通也可控制关断，但开关均为单向的，电流只能从图的上端流向下端。因此多数全控型电力电子器件如GTR、IGBT、MOSFET等都可用来做此开关使用。

四个二极管VD1~VD4均与一个开关反并联，其作用是续流，在负载为感性时为电流提供通路。2023/2/153.2用于开关电源的逆变电路逆变器3.2.1全桥式逆变器3.2.2半桥式逆变器3.2.3三相无源逆变器62023/2/13.2.1全桥式逆变器

S1、S4同步动作，S2、S3同步动作，S1、S4开通时S2、S3关断，此状态持续时间为T；S2、S3开通时S1、S4关断，该状态持续的时间也为T。按照图3-4所示的电压方向，在S1、S4导通时，负载电压uO=U；S2、S3导通时uO=-U。负载电压有效值UO为负载电压中基波成分的有效值U1为

对于电阻性负载，负载电流的波形与负载电压相同，也为矩形波。但如果负载是电感性的，由于电感电流不能突变，电流波形将发生改变，呈指数规律变化。72023/2/13.2.1全桥式逆变器对n次谐波电流可有下式计算公式为：

其中Umn为n次谐波电压的振幅值。

为n次谐波的阻抗角。82023/2/13.2.2半桥式逆变器半桥式逆变电路的主电路如图所示。主电路仍是桥式拓扑结构，有两个桥臂改为两个电容器C1、C2。这两个电容器电容量相等且电容量很大，保证电路工作时每个电容器两端的电压均为电源电压的二分之一。

半桥式电路的负载基波电压有效值为

92023/2/13.2.3三相无源逆变器直流电源可能是电压源，也可能是电流源电子开关可以与单相桥式电路一样采用全控型电力电子器件，如GTR、IGBT、GTO等。

2023/2/1103.3.1电压源型三相逆变器3.3.2无源逆变电路的控制模式3.3交-直-交变频器的构成和控制模式交-直-交变频器PWM基本原理PWM控制方法112023/2/13.3.1电压源型三相逆变器180度导电型各区间采用电容滤波直流电源为一电压源电容滤波122023/2/13.3.1电压源型三相逆变器180度导电型线电压的波形180度导电型相电压的波形132023/2/13.3.1电压源型三相逆变器120度导电型各区间晶闸管导通情况和各相电压、线电压的数值。142023/2/13.3.1电压源型三相逆变器120度导电型相电压的波形120度导电型线电压的波形152023/2/13.3.1电流源型三相逆变器电流源型变频器的主电路结构采用电感滤波162023/2/13.3.1电流源型三相逆变器如果负载是星型连接，线电流就是相电流；如果负载是三角形连接，可由线电流求出相电流。在桥臂6、1导电时，线电流iC=0，负载电路相当于ZBC和ZCA串联后又与ZAB并联，然后接于电源。

设电路工作在120º导电方式，由于电源为恒流型，任何一个桥臂导电，与之连接的线电流的绝对值为电源电流I，桥臂1、3、5导电时，与之连接的线电流为正；桥臂4、6、2导电时，与之连接的线电流为负。172023/2/13.3.2无源逆变电路的控制模式——PWM基本原理

PWM控制的理论基础是冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。其中的冲量指窄脉冲的面积；效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。PWM控制技术在无源逆变电路中应用最广，实际应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。182023/2/13.3.2无源逆变电路的控制模式——PWM基本原理无源逆变电路的实质是用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，将正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等，若用矩形脉冲代替每一等份，脉冲将是等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等的，其宽度按正弦规律变化，这样就得到了无源逆变电路中常见的SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。要改变电路输出的等效正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。192023/2/13.3.2无源逆变电路的控制模式——PWM控制方法就是根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，进而得到所需PWM波形。这种方法比较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。就是将理想输出波形作为调制信号进行调制，可以得到期望的PWM波形，通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，等腰三角波应用最多，因为其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称.计算法调制法202023/2/13.3.2无源逆变电路的控制模式——PWM控制方法

三角波载波信号uc，正弦波调制信号ur。uc为正的三角波，调制电路实际上是一个电压比较器。根据三角波和调制信号大小的不同，输出高电平和低电平。

212023/2/13.3.2无源逆变电路的控制模式——PWM控制方法单极性SPWM控制方式，三角波载波信号uc与正弦波调制信号ur始终保持相同极性

双极性SPWM控制方式，三角波载波信号和正弦波调制信号的极性均为正负交替改变。

单极性和双极性

222023/2/13.3.2无源逆变电路的控制模式——PWM控制方法对于三相桥式逆变器，如图3-21所示。三相的PWM控制电路公用三角波载波uc，三相的调制信号urA、urB和urC依次相差120。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。三相PWM控制232023/2/13.3.2无源逆变电路的控制模式——PWM控制方法242023/2/13.3.2无源逆变电路的控制模式——PWM控制方法异步调制和同步调制异步调制是载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的。其特点是在信号波的半周期内，PWM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1/4周期的脉冲也不对称。同步调制是指载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的调制方式。分段同步调制实用中往往采用分段同步调制的方式。把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同。在fr高的频段采用较低的