第八章 组合变流电路

第八章组合变流技术本章所要讲述的内容基本概念逆变器基本工作原理换流方式电压型逆变电路SPWM控制技术本章重点基本概念、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（180o导电方式）工作原理与波形分析第四章无源逆变电路第1页逆变的概念

逆变——与整流相对应，将直流电变成交流电。交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变。逆变与变频变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。主要应用各种直流电源，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。4.1基本概念2变频器从广义角度讲变频器是一种变频装置或称变频电源，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(电动机－发电机)，其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。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）。

4.1基本概念3交直交变频器（间接变频器）图4.1(P102，图4.1)逆变4.1基本概念4交交变频器（直接变频器）电压源型变频器（直流侧是电压源）电流源型变频器（直流侧是电流源）可控整流逆变ACDC50HzAC可控整流逆变AC50HzDCAC图4.2（图2P102，图4.1）4.1基本概念交交变频54.2逆变器基本工作原理

逆变电路最基本的工作原理

——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。改变输入直流电平的大小可改变交流电的幅值。a)b)tuoiot1t2

图4.3逆变电路及其工作波形（p103图4.2）负载64.3换流方式开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。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。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。74.3换流方式总共有四种换流方式1.器件换流Devicecommutation

2.电网换流Linecommutation3.负载换流Loadcommutation4.强迫换流Forcedcommutation

84.3换流方式器件换流（DeviceCommutation）——利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用IGBT、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。电网换流（LineCommutation）——电网提供换流电压的换流方式。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。负载换流（LoadCommutation）——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，都可实现负载换流，即电容性负载都可实现负载换流。强迫换流（ForcedCommutation）——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强迫换流。通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。9电压型逆变电路的特点(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。4.4电压型逆变电路图4.7单相全桥电路（P105，图4.6）(3)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，逆变桥各臂并联反馈二极管。104.4.1单相电压型逆变电路全桥逆变电路共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180°。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。b)a)图4.8单相全桥逆变电路的移相调压方式（P107，图4.8）11阻感负载时，可采用移相的方式来调节输出电压－移相调压。V3的栅极信号比V1落后q

（0＜q

＜180°）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的超前180o-q。输出电压是正负各为q的脉冲。改变q就可调节输出电压。4.4.1单相电压型逆变电路tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo124.4.2

三相电压型逆变电路图4.10（P108，图4.10）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13基本工作方式——180°导电方式每个桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度相差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。4.4.2

三相电压型逆变电路图4.10（P108，图4.10）144.4.2三相电压型逆变电路图4.11电压型三相桥式逆变电路的工作波形(p109,图4.11)15PWM

(PulseWidthModulation)控制就是脉宽调制技术：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)。PWM技术在逆变电路中的应用最为广泛，目前应用的逆变电路绝大部分都是PWM型逆变电路。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。4.5SPWM控制技术（P118）164.5.1PWM控制的基本原理

理论基础——采样控制理论（面积等效原理）冲量（面积）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。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同图4.12形状不同而冲量相同的各种窄脉冲(p119,图4.24)d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)e）输出波形174.5.1PWM控制的基本原理

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（SinusoidalPWM）波形。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脉冲的宽度即可。PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。

图4.13（P119，图4.25)184.5.2SPWM逆变电路及控制方法产生SPWM波形的常用方法——计算法、调制法和跟踪控制法调制法:结合IGBT单相桥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，把接受调制的信号作为载波。工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断。图4.14单相桥式PWM逆变电路（p120,图4.26）19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。负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud

。V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud

。4.5.2SPWM逆变电路及控制方法204.5.2SPWM逆变电路及控制方法V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。uo总可得到Ud和零两种电平。uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。21

调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。4.5.2SPWM逆变电路及控制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量图4.15单极性PWM控制方式波形（p121,图4.27）单极性PWM控制方式22在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态，当ur＞uc时，使V4导通，V3关断，uo=Ud；当ur＜uc时，使V4关断，V3导通，uo=0。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量4.5.2SPWM逆变电路及控制方法23在ur的负半周，V1保持断态，V2保持通态，当ur＜uc时，使V3导通，V4关断，uo＝-Ud；当ur＞uc时，使V3关断，V4导通，uo=0。这样，就得到了SPWM波形uo。4.5.2SPWM逆变电路及控制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量24双极性PWM控制方式4.5.2SPWM逆变电路及控制方法图4.16双极性PWM控制方式波形（p121,图4.27）urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平。25同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud4.5.2SPWM逆变电路及控制方法264.5.2SPWM逆变电路及控制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud当ur

>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，uo=Ud

。当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud

。27三相SPWM逆变电路和PWM控制方式4.5.2SPWM逆变电路及控制方法图4.17三相桥式PWM型逆变电路（p121，图4.28）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°28ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud图4.19三相桥式PWM型逆变电路图4.18三相桥式PWM逆变电路波形

以U相为例分析控制规律：当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2。当urU<uc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。4.5.2SPWM逆变电路及控制方法29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。防直通的死区时间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。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud图4.19三相桥式PWM型逆变电路

图4.18三相桥式PWM逆变电路波形

4.5.2SPWM逆变电路及控制方法304.5.3SPWM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，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的。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。载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式31当fr较低时，N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。当fr增高时，N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PWM波形和正弦