电力电子学电课无源逆变演示文稿

电力电子学电课无源逆变演示文稿现在是1页\一共有80页\编辑于星期日优选电力电子学电课无源逆变现在是2页\一共有80页\编辑于星期日第六章无源逆变电路现在是3页\一共有80页\编辑于星期日6.1概述无源逆变直流交流（向负载直接供电）无源逆变电路简称逆变电路

通常由全控器件构成逆变与变频逆变电路经常与变频的概念联系在一起变频电路：

分为交交变频和交直交变频两种，后者由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变现在是4页\一共有80页\编辑于星期日

无源逆变技术的应用直流电源如蓄电池、干电池和太阳能电池逆变电路交流负载供电直流电源给交流负载供电现在是5页\一共有80页\编辑于星期日交流电源：列车照明、感应加热电源、电解电镀电源、不停电电源（UPS）、高频焊机、高频电子镇流器和航空电源等交流调速系统：铁道牵引、大型工矿机车、城市有轨交通（地铁和轻轨车）、重型电传动汽车和矿井提升设备等RO1BrakeControl+24VBrakeResistor现在是6页\一共有80页\编辑于星期日逆变器的基本类型按电路结构分类桥式零式按输出相数分类单相多相按器件分类半控型全控型按调制方法分类PWMPAM方波、阶梯波按导通的角度分类180120按强迫换流的特点谐振型并联电容型等现在是7页\一共有80页\编辑于星期日按直流侧电源的性质分类（常用此分类）电压型逆变器

电流型逆变器直流侧电源为准恒压源直流侧电源为准恒流源现在是8页\一共有80页\编辑于星期日6.2无源逆变电路原理一、单相半桥逆变电路1、电路结构现在是9页\一共有80页\编辑于星期日2、工作原理/波形分析T1导通、T2截止：Uan=Ud/2T1截止、T2导通：Uan=-Ud/2现在是10页\一共有80页\编辑于星期日结论①T1、T2轮流导通，使直流变为交流②改变T1、T2的切换频率，便可改变输出交流的频率，即变频③与输出电压同方向的电流流过开关管T，与输出电压反方向的电流流过二极D，因此在电压型逆变器中二极D是必须的，它提供了反向电流通路，故称为反馈二极管。同时D又起着使负载电流连续的作用，因此又称为续流二极管④T1、T2不能同时导通，否则将出现直流电源短路——贯穿短路。因此电压型逆变器同一桥臂上、下管的控制必须遵循“先断后开”原则现在是11页\一共有80页\编辑于星期日3、基本关系输出电压有效值输出电压表达式基波电压有效值电感负载电流峰值

R-L负载电流基波分量现在是12页\一共有80页\编辑于星期日二、单相全桥逆变电路1、电路结构现在是13页\一共有80页\编辑于星期日2、工作原理、波形分析T1、T4导通，T2、T3截止：

Uan=UdT1、T4截止，T2、T3导通：

Uan=-Ud现在是14页\一共有80页\编辑于星期日3、基本关系输出电压表达式基波电压有效值电感负载电流峰值

R-L负载电流其中现在是15页\一共有80页\编辑于星期日四、两种单相逆变电路比较1、单相全桥逆变电路在单相逆变电路中，全桥逆变电路应用最多2、单相半桥逆变电路结构简单，所用器件比全桥电路少一半。但输出交流电压幅值低，且直流侧需要两个电容串联，工作时需要控制两个电容器电压的均衡常用于几KW以下的小功率逆变电源等场合现在是16页\一共有80页\编辑于星期日6.3三相逆变器工作原理一、三相电压型逆变器工作原理

负载连接方式

Δ型连接

Y型连接

电路结构

根据各管导通时间分：

180导电型

120导电型电压型三相桥式逆变器原理图现在是17页\一共有80页\编辑于星期日1、功率器件的控制规律导通顺序六个阶段，依次相差60任何时刻有三个开关管同时导通各管导通180（一）1800导电型工作原理现在是18页\一共有80页\编辑于星期日2、各阶段等值电路及电压值现在是19页\一共有80页\编辑于星期日3、电压波形相电压波形（六阶梯波）线电压波形（矩形波）电压型逆变器：①输出电压波形与负载性质（负载阻抗角）无关现在是20页\一共有80页\编辑于星期日4、感性负载电流负载电流阻抗角小于60（a）A相电压波形Uan（b）A相电流波形ia（c）T1的电流波形iT1（d）D4的电流波形iD4（e）直流输入电流id负载电流阻抗角大于60电压型逆变器：②输出电流波形与负载性质（负载阻抗角）有关③直流侧电流是脉动电流现在是21页\一共有80页\编辑于星期日5、电压表达式相电压表达式线电压表达式方波控制时：①输出电压中含有大量的谐波分量，特别是5、7、11、

13次等谐波现在是22页\一共有80页\编辑于星期日相电压有效值线电压有效值方波控制时：②交流输出电压与直流侧电压的关系固定，即方波输出电压型逆变器本身不能调节输出电压。若想调节逆变器输出电压，只有通过调节直流侧电压，即通过PAM控制方式实现现在是23页\一共有80页\编辑于星期日120导通型三相逆变器的输出波形相电压波形线电压波形现在是24页\一共有80页\编辑于星期日180

导通方式和120导通方式的比较：

120方式上下两管间有60

的间隙，对换流有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，则始终有一相断开，在换流时会引起较高的感应势，而180方式无论在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，故180

方式应用较为普遍现在是25页\一共有80页\编辑于星期日感性负载情况

负载电流滞后角小于60（a）A相电压波形（b）A相电流波形（c）T1的电流波形（d）D4的电流波形（e）直流输入电流现在是26页\一共有80页\编辑于星期日负载电流滞后角大于60现在是27页\一共有80页\编辑于星期日感性负载下逆变器中可能有三种电流：功率电流它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载环路电流它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源反馈电流它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去现在是28页\一共有80页\编辑于星期日（三）电压型逆变器有功功率的反馈电动机负载工作在发电机状态时，其发出的电能通过逆变器电路中的反馈二极管D1~D6回馈到直流侧，使直流侧电压Ud升高为限制Ud

，必需将回馈的电能消耗掉或回馈到电网，具体方案有：通过制动单元消耗掉通过有源逆变桥回馈到电网（见再生方案1）通过脉冲整流器回馈到电网（见再生方案2）现在是29页\一共有80页\编辑于星期日再生方案1系统可四象限运行功率因数低谐波电流大主电路复杂通过有源逆变器将再生能量反馈给电网逆变器/电机系统的再生方案一现在是30页\一共有80页\编辑于星期日再生方案2系统可四象限运行功率因数高（接近于1）谐波电流小控制较复杂通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网逆变器/电机系统的再生方案二现在是31页\一共有80页\编辑于星期日二、三相电流型逆变器工作原理1、电路结构：电流型逆变器：①感性负载时，输出侧要接电容以吸收换流时负载电感中存的能量②桥臂必须是“逆阻型”桥臂现在是32页\一共有80页\编辑于星期日另外一种电路形式现在是33页\一共有80页\编辑于星期日优点：由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多电路对晶闸管关断时间（即晶闸管的快速性）的要求比电压型逆变器的要求低，电路相对电压型也比较简单，造价略低现在是34页\一共有80页\编辑于星期日2、工作原理及主要波形（以1200导电方式为例）功率器件的控制规律现在是35页\一共有80页\编辑于星期日线电流波形负载Δ型连接时的相电流波形电流型逆变器③输出电流波形与负载性质（负载阻抗角）无关电流型三相逆变电路1200导电的相电流、线电流波形现在是36页\一共有80页\编辑于星期日负载Δ型连接时：方波控制时：①输出电流中含大量谐波分量，特别是5、7、11、13次等谐波②交流输出电流与直流侧电流的关系固定，即方波输出电流型逆变器本身不能调节输出电流。若想调节逆变器输出电流，则只有通过调节直流侧电流，即通过PAM控制方式实现线电流表达式相电流表达式现在是37页\一共有80页\编辑于星期日理想情况下，相电流中：基波电流的幅值为基波电流有效值为相电流的有效值为现在是38页\一共有80页\编辑于星期日3、电流型逆变器有功功率的反馈：再生方案1将交流电源端的相控整流器控制角后移到>90，使整流器成为有源逆变器，工作在再生状态现在是39页\一共有80页\编辑于星期日再生方案2通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网现在是40页\一共有80页\编辑于星期日4、特点：由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多。电路对功率器件关断时间（即功率器件快速性）的要求比电压型逆变器的要求低不需要增设反并联的再生变流装置电感重量、体积都很大，实际使用不如电压型逆变器广泛现在是41页\一共有80页\编辑于星期日小结电压型逆变器与电流型逆变器特点比较：直流侧电路桥臂桥臂控制交流输出电路交流输出电压、电流与负载性质是否有关有功功率反馈现在是42页\一共有80页\编辑于星期日6.4PWM技术方波控制逆变器的问题本身不能调节输出量幅值输出量中含有大量的5、7、11、13次谐波解决方法采用PWM控制技术本课程主要讨论电压型PWM逆变器控制方法现在是43页\一共有80页\编辑于星期日PWM控制的理论基础——冲量等效原理冲量指窄脉冲的面积指环节的输出响应波形基本相同方波窄脉冲三角波窄脉冲正弦半波窄脉冲单位冲击函数形状不同而冲量相同的各种窄脉冲：现在是44页\一共有80页\编辑于星期日一、正弦脉宽调制（SPWM）原理1、目标函数——正弦电压使脉冲列电压的作用效果尽量接近正弦波电压的作用效果2、基本原理（说明SPWM波与正弦波如何等效问题）

根据冲量等效（面积等效）原理，用一组幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲列来代替正弦波按同一比例改变各脉冲的宽度即可改变等效正弦波的幅值现在是45页\一共有80页\编辑于星期日如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波现在是46页\一共有80页\编辑于星期日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现在是47页\一共有80页\编辑于星期日3、SPWM的控制方法（说明SPWM波实现方法问题）离线计算法：根据输出正弦波的频率、幅值和半个周期内的脉冲数计算PWM波各脉冲的宽度和间隔缺点：计算量大，繁琐调制法：将目标函数（波形）作为调制信号，通过对载波的调制得到PWM波形一般用等腰三角形波作为载波根据输出电压波形的极性可分为单极性（或不对称）调制和双极性（或对称）调制现在是48页\一共有80页\编辑于星期日

正半周：T1导通，T4交替通断（当ur>uc时导通、ur<uc时关断），T2、T3截止负半周：T2导通，T3交替通断（当ur>uc时导通、ur<uc时关断），T1、T4截止逆变器输出电压也只有一种极性，正半周为+Ud和零，负半周为-Ud和零在半个周期内三角载波只有一种极性（调制波正、负半周分别为+、-）

单极性调制现在是49页\一共有80页\编辑于星期日双极性调制在半个周期内三角载波有两种极性同一桥臂上的两个管子处于互补工作状态ur>uc时：T1

、T4导通，T2、T3截止，uo=UDur<uc时：

T2

、T3导通，T1、T4截止，uo=-UD逆变器输出电压也有两种极性，+Ud和-Ud现在是50页\一共有80页\编辑于星期日在双极性PWM控制方式中，同一桥臂的两个管子是互补工作的。为了防止桥臂直通短路，在给一个管子施加关断信号后，再延迟△t时间（亦即通常所说的死区时间），才给另一个管子施加导通信号。延迟时间的长短主要由管子的关断时间决定。这个延迟时间将会给输出的PWM波形带来影响，使其偏离正弦波与单极性调制相比，双极性调制可以使逆变器有较高的利用率（较大的输出电压）在相同载波比的条件下，单极性调制比双极性调制有更好的谐波抑制效果。因为单极性调制时输出电压波形的变化幅度为Ud

，而双极性调制时输出电压波形的变化幅度为2Ud现在是51页\一共有80页\编辑于星期日三相逆变器一般采用双极性调制三相电路中公用一个三角波载波uc

，且取N为3的整数倍，使三相输出对称为使正、负半周镜对称，N一般取奇数A相控制原理：当ura>uc时，上桥臂T1导通，下桥臂T4关断，uao=Ud/2；当ura<uc时，T4导，T1关断，uao=-Ud/2B相和C相的控制方式和A相相同三相调制信号ura、urb和urc的相位依次相差120°现在是52页\一共有80页\编辑于星期日二、SPWM波的基波电压在电压型逆变器输出的SPWM电压波形中对负载有用的只是基波电压，谐波电压在负载上产生谐波电流，只会给负载带来负面影响，如产生谐波损耗、噪音、脉动转矩。因此基波电压越大越好可以证明当n

较大时，SPWM电压波形的基波电压与调制信号ur的幅值近视成正比，因此调节ur的幅值便可控制基波电压的幅值调节ur的频率便可控制基波电压的频率现在是53页\一共有80页\编辑于星期日SPWM脉冲的一般表达式：数学分析结论：（前提条件：n不太少，sin/2n

/2n，sini/2i/2）

结论一：输出基波电压幅值U1m与脉宽i有关，调节调制信号的幅值可以改变各脉冲的宽度，实现对逆变器输出电压基波的平滑调节现在是54页\一共有80页\编辑于星期日

结论二：脉冲宽度与该处正弦值近似成正比。输出的SPWM波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形

U1m=Um

结论三：SPWM逆变器输出的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波

现在是55页\一共有80页\编辑于星期日

由整个推导过程得结论四：分频比N越大，输出波形越接近正弦现在是56页\一共有80页\编辑于星期日三、对脉宽调制的制约条件1、定义载波频率fc与调制波频率fr之比为载波比N，定义调制波与载波的幅值之比为调制比M2、对脉宽调制的制约条件（1）器件开关频率对N的限制：为了使逆变器的输出波形尽量接近正弦波，应尽可能增大N

，但N必须满足下列条件现在是57页\一共有80页\编辑于星期日（2）器件的导通时间ton、关断时间toff对M的限制（最小脉宽与最小间歇的限制）：为保证主电路开关器件的安全工作，必须使调制成的脉冲波有个最小脉宽与最小间歇的限制，以保证最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间ton，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间toff

因此对M有限制，M在0~1之间，实际上小于1

现在是58页\一共有80页\编辑于星期日四、同步调制与异步调制

根据调频过程载波比的变化情况，PWM调制方式可分为异步调制和、同步调制和分段同步调制1、异步调制：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是变化的特点：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——波形对称性差当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——低频特性相对较好当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响变大——高频特性相对较差现在是59页\一共有80页\编辑于星期日2、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

同步调制三相PWM波形要求：三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称特点：高频特性好；低频特性差现在是60页\一共有80页\编辑于星期日分段同步调制方式举例

3、分段同步调制：异步调制和同步调制的综合应用讨论：把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法结论：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，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近现在是61页\一共有80页\编辑于星期日五、SPWM波形生成方式（一）模拟控制生成方式特点：实时性好，但控制电路复杂，可靠性差现在是62页\一共有80页\编辑于星期日（二）SPWM的数字控制生成方式数字控制生成方式（包括用微机实时计算生成或用专用芯片生成）目前最常用的生成方式特点：控制电路简单、可靠用微机实时计算生成SPWM控制信号时，关键问题是如何快速、准确地计算出脉冲宽度。这主要取决于脉冲宽度计算方法和微机的计算速度专用芯片生成：控制电路简单、可靠且实时性好现在是63页\一共有80页\编辑于星期日脉冲宽度经典计算方法介绍1、基本概念自然采样法：按照正弦调制波与三角载波的自然交点，采集脉冲前、后沿时刻，生成SPWM波形，叫做自然采样法（NaturalSampling）现在是64页\一共有80页\编辑于星期日规则采样法：按照某种规则采集脉冲前、后沿时刻，生成SPWM波形，叫做规则采样法（RegularSampling）。下图为规则采样的两种方法现在是65页\一共有80页\编辑于星期日2、自然采样法脉宽计算

超越方程，求解困难，虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方法，却不适于微机实时控制现在是66页\一共有80页\编辑于星期日3、规则采样法II脉宽计算

规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波，从而简化了算法，适合微机实时控制现在是67页\一共有80页\编辑于星期日课堂思考1、获得SPWM波形的基本方法有：硬件生成法、

和

。2、采用SPWM控制的电压型逆变电路中，载波频率越高，则输出电压中的谐波频率越

。3、SPWM控制的逆变电路，输出SPWM波半周期包含25个脉冲波，设逆变器输出电压基波频率为200Hz，则电路中开关管的工作频率为

。4、SPWM技术运用于电压型逆变器中，当改变

可改变逆变器输出电压幅值；当改变

可改变逆变器输出电压频率；当改变

可改变开关管的工作频率。

5、电压型无源逆变电路：①输出电压与负载性质无关 （ ）②输出电流与负载性质无关 （ ）③直流侧电流有脉动 （ ）④上、下桥臂的控制需遵循“先断后开”的原则 （ ）6、SPWM电压型逆变器采用同步调制，其特点有：①在调频过程中载波频率不变 （ ） ②在调频过程中载波比不变 （ ）③低频运行时输出电压波形对称性好 （ ）④低频运行时输出电压谐波分量较小 （ ）

现在是68页\一共有80页\编辑于星期日６.1~６.4小结1、无源逆变：直流交流（向负载直接供电）

2、无源逆变电路的分类3、三种单相电压型逆变电路的工作原理、特点4、三相电压型逆变电路的结构、工作原理分析；三相电流型逆变电路的结构、工作原理分析；电压型逆变电路与电流型逆变电路的特点比较５、方波控制逆变器的缺点６、①

SPWM控制的目的、基本原理②单极性调制、双单极性调制的原理、特点③三相逆变器一般采用双极性调制，三相调制信号ura、urb和urc的相位依次相差120°，三相公用一个三角波载波uc

，一般取N为奇数且为3的整倍数④对脉宽调制的制约条件⑤何为异步调制、同步调制和分段同步调制，三者的特点⑥SPWM波形生成方式；自然采样法、规则采样法的原理及特点现在是69页\一共有80页\编辑于星期日6.5其它PWM控制方法

一、电流跟踪控制PWM目标函数——正弦电流使实际输出电流尽量接近正弦参考电流电流跟踪控制的方法很多，最基本的方法是电流滞环跟踪控制，其它方法都是对滞环跟踪控制的改进现在是70页\一共有80页\编辑于星期日电流滞环跟踪控制的原理设定参考电流i*环及环宽2h将实际电流i与参考电流i*比较根据比较结果控制上、下桥臂

现在是71页\一共有80页\编辑于星期日电流滞环跟踪控制的原理设定参考电流i*环及环宽2h将实际电流i与参考电流i*比较根据比较结果控制上、下桥臂

现在是72页\一共有80页\编辑于星期日电流滞环跟踪控制的特点属于闭环控制（跟踪型PWM控制的共同特点）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波电流控制的精度与滞环比较器的环宽有关环宽大：谐波电流分量大，但开关频率低环宽小：谐波电流分量小，但开关频率高开关频率不固定电流响应快控制电路简单现在是73页\一共有80页\编辑于星期日影响开关频率的因素

开关频率fc与环宽2h成反比负载电感L越大，fc越小直流侧电压Ud值越大，fc越大参考电流i*变化率越大，fc越小负载反电势Ea越大，fc越小现在是74页\一共有80页\编辑于星期日最大的开关频率发生在Ea=0（电机堵转）且参考电流i*的变化率为零的时刻，此时

为了在功率器件的允许开关频率范围内得到较好的电流波形，派生出了很多种电流跟踪控制方法，这些控制方法的实质是：使任何时刻实际开关频率尽可能达到最大设计值现在是75页\一共有80页\编辑于星期日PWM控制技术总结PWM控制技术在电力电子领域有着广泛的应用，它推动了电力电子技术的发展谐波消除PWM技术在晶闸管逆变器上用得较多，它较好地解决了在