电力电子技术基础-第4章 逆变电路

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本电力电子与电力传动电力电子技术第4章逆变电路电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座第四章

逆变电路1.逆变的定义2.逆变电路的分类3.逆变电路的控制方式4.换流方式4.1逆变电路的概述31、逆变的定义逆变电路（Inverter）是与整流电路（Rectifier）相对应，把直流电变成交流电的过程称为逆变。第4章

逆变电路交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变。（通常情况）整流器时代（60-70年代）逆变器时代（70-80年代）变频器时代（80年代以后）交交变频交直交变频（整流+逆变）4逆变电路的应用场合变频器不间断电源并网逆变器感应加热第4章

逆变电路5逆变电路的典型应用光伏并网发电系统电池逆变器电网第4章

逆变电路6逆变电路的典型应用新能源汽车驱动控制系统电池逆变器电机第4章

逆变电路2、逆变电路的分类按输出电能的去向分，可分为有源逆变电路和无源逆变电路。按直流侧电源的类型，可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路。按主电路采用的器件类型，可分为全控型逆变电路和半控型逆变电路。按电流波形，可分为正弦逆变电路和非正弦逆变电路。按输出相数，可分为单相逆变电路和多相逆变电路。第4章

逆变电路3、逆变电路的控制方式第4章

逆变电路180°方波控制方式逆变电路中的每组开关器件在一个周期内各导通180°，互补导通。移相控制方式逆变电路中的每组开关器件在一个周期内各导通180°，两组导通相差相位角。PWM控制方式逆变电路中的每组开关器件按照以正弦变化的一系列窄脉冲序列控制导通。4、换流方式第4章

逆变电路换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。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。4、换流方式第4章

逆变电路器件换流（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。4、换流方式第4章

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。整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。4、换流方式第4章

逆变电路强迫换流（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。直接耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流4、换流方式第4章

逆变电路换流方式总结：器件换流——适用于全控型器件。其余三种方式——针对晶闸管。器件换流和强迫换流——属于自换流。电网换流和负载换流——属于外部换流。当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座第四章

逆变电路4.2.1单相电压型逆变电路4.2.2单相电流型逆变电路4.2单相逆变电路工作原理15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、由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。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。电容对回馈的无功能量也起缓冲作用。第4章

逆变电路单相电压型逆变电路4.2.1单相电压型逆变电路第4章

逆变电路1）半桥逆变电路单相半桥电压型逆变电路半桥逆变电路由两个桥臂组成；每个桥臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成；直流侧串联两个足够大的电容，得到直流电源的中点；负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。4.2.1单相电压型逆变电路第4章

逆变电路1）半桥逆变电路单相半桥电压型逆变电路V1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uo为矩形波，幅值为Ud/2。t1-t2:t1时刻V1导通，负载电流逐渐上升，输出电压uo=Ud/2；t2-t3:t2时刻V1关断，给V2驱动信号，由于阻感负载电流不能突变，此时电流通过VD2续流，电流逐渐减小，输出电压uo=-Ud/2；Ud/24.2.1单相电压型逆变电路第4章

逆变电路1）半桥逆变电路单相半桥电压型逆变电路t3-t4:t3时刻电流过零边负，V2导通，负载电流反向增加，输出电压uo=-Ud/2；t4-t5:t4时刻V2关断，给V1驱动信号，由于阻感负载电流不能突变，此时电流通过VD1续流，电流逐渐减小，输出电压uo=Ud/2；VD1、VD2是负载向直流侧反馈能量的通道，称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。4.2.1单相电压型逆变电路第4章

逆变电路1）半桥逆变电路单相半桥电压型逆变电路优点：电路简单，使用器件少。缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需要两电容器串联，要控制两者电压均衡。应用：用于几kW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。4.2.1单相电压型逆变电路第4章

逆变电路2）全桥逆变电路单相全桥电压型逆变电路全桥逆变电路可看成是由两个半桥组成；可采用方波控制和移相调压控制；方波控制电路工作时，开关V1和V4一对，开关V2和V3一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180°

。其输出电压波形和半桥电路的波形形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，Um=Ud。Ud4.2.1单相电压型逆变电路第4章

逆变电路2）全桥逆变电路单相全桥电压型逆变电路

当V1和V4导通或者V2和V3导通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；当VD1和VD4导通或者VD2和VD3导通时，io和uo反向，电感中储存的能量反馈到直流侧，储存在C中。4.2.1单相电压型逆变电路第4章

逆变电路单相半桥电压型逆变电路单相全桥电压型逆变电路输出电压/电流波形方波控制方式：要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。4.2.1单相电压型逆变电路第4章

逆变电路2）全桥逆变电路移相调压控制在阻感负载时，还可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式称为移相调压。并且V1和V2的栅极信号互补，V3和V4的栅极信号互补；V3栅极信号落后V1栅极信号θ角，使得成对导通的器件在一个周期内导通时间减小，输出电压出现为零的情况。移相调压控制电路波形4.2.1单相电压型逆变电路第4章

逆变电路2）全桥逆变电路移相调压控制t0-t1时刻：V1和V4导通，uo=Ud。t1-t2时刻：V3和V4栅极信号反向，V4截止，而因负载电感中的电流不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流。因为V1和VD3同时导通，所以uo=0。t2-t3时刻：V1和V2栅极信号反向,V1截止，V2不能立刻导通，通过VD2续流，和VD3构成导通回路，输出电压uo=-Ud。移相调压控制电路波形4.2.1单相电压型逆变电路第4章

逆变电路2）全桥逆变电路移相调压控制t2-t3时刻：当负载电流过零并开始反向时，

VD2和VD3截止，

V2和V3开始导通，输出电压为-Ud。t3-t4时刻：V3和V4栅极信号反向，V3截止，

V4不能立刻导通，通过VD4续流。因为V2和VD4同时导通，所以uo=0。输出电压uo的正负脉冲宽度为θ，因此，改变θ就可以调节输出电压。移相调压控制电路波形电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座第四章

逆变电路4.2.1单相电压型逆变电路4.2.2单相电流型逆变电路4.2单相单相逆变电路工作原理27电流型逆变电路的特点1、直流侧串联大电感相当于电流源，直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。2、电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流测输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧输出电压波形和相位侧因负载阻抗情况的不同而不同。3、阻感负载时需提供无功功率。直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此无需要给开关器件反并联二极管。第4章

逆变电路单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路第4章

逆变电路电路由四个桥臂组成；每个桥臂由晶闸管串联一个电抗器LT组成；LT的作用是限制晶闸管开通时的di/dt；负载为阻感负载并联电容构成，负载电流略超前于负载电压，电路采用负载换流方式。单相电流型逆变电路单相全桥电流型逆变电路单相电流型逆变电路第4章

逆变电路一个周期内电路工作在两个稳定导通阶段和两个换流阶段。t1-t2阶段：晶闸管VT1和VT4稳定导通阶段，此时负载电流io=Id，电源向负载供电，电容C充电后呈现左正右负的电压。t2-t4阶段：t2触发VT2和VT3，电容C使得VT2和VT3具备导通的条件，由于电抗器LT的作用，VT1和VT4不能立即关断，其电流逐渐减小，VT2和VT3电流逐渐增加，电路进入换流阶段。单相电流型逆变电路电流型逆变电路波形图单相电流型逆变电路第4章

逆变电路t2-t4阶段：t2时刻四个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个回路LT1、VT1、VT3、LT3和LT2、VT2、VT4、LT4放电；t4时刻VT1、VT4的电流减小到零关断，直流侧电流Id全部转移到VT2和VT3支路，换流结束。。t4-t6阶段：晶闸管VT2和VT3进入稳定导通阶段，此时负载电流io=-Id，电源向负载供电，电容C充电后呈现右正左负的电压，为下一次换流提供保障。单相电流型逆变电路电流型逆变电路波形图电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座第四章

逆变电路4.3.1PWM控制的基本原理4.3.2调制法生成SPWM波4.3PWM控制技术逆变电路的控制方法一180°方波控制方法移相调压控制方法PWM控制方法第4章

逆变电路PWM电路一PWM(PulseWidthModulation)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）。

直流斩波电路：一系列等幅等宽的脉冲——直流电斩控调压电路：一系列等宽不等幅的脉冲——交流电。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。第4章

逆变电路重要理论基础——面积等效原理三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。PWM控制的基本思想效果基本相同环节的输出响应波形基本相同冲量

窄脉冲的面积第4章

逆变电路PWM控制电路的基本原理四形状不同而冲量相同的各种窄脉冲a--矩形脉冲b--三角形脉冲c--正弦半波脉冲d--单位脉冲函数七PWM控制电路的基本原理如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替正弦半波第4章

逆变电路PWM控制电路的基本原理八对于正弦波的负半周，采取同样的办法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：

根据面积等效原理，正弦波还可以等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更广泛第4章

逆变电路PWM调光应用实例第4章

逆变电路PWM应用实例第4章

逆变电路电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座第四章

逆变电路4.3.1PWM控制的基本原理4.3.2调制法生成SPWM波4.3PWM控制技术PWM逆变电路及控制方法八如何生成SPWM波形?

计算法调制法跟踪法第4章

逆变电路PWM逆变电路及控制方法八计算法当已知逆变电路输出正弦交流电频率、幅值和脉冲数便可求出对应的PWM脉冲宽度和间隔缺点：繁琐，如果频率、幅值、相位发生变化，需重新计算。数据量大，对硬件要求较高。第4章

逆变电路PWM逆变电路及控制方法八调制波ur：期望输出的波形调制法载波uc：接受调制的波形在交点处控制开关通断第4章

逆变电路PWM逆变电路及控制方法八调制法单极性PWM控制方式双极性PWM控制方式第4章

逆变电路单极性PWM控制方法单极性PWM控制方式：调制波ur为正弦波，载波uc为三角波调制波正半周三角波只有正极性，调制波负半周三角波只有负极性。在调制波ur和载波uc的交点处控制IGBT通断；输出电压Ud，0，-Ud三种电平第4章

逆变电路单极性PWM控制方法单极性PWM控制方式：ur正半周，V1保持导通，V2保持关断ur>uc时，V4导通，V3关断，uo=Udur<uc时，V4关断，V3导通，uo=0ur负半周，V1保持关断，V2保持导通ur<uc时，V4关断，V3导通，uo=-Udur>uc时，V4导通，V3关断，uo=0第4章

逆变电路双极性PWM控制方法双极性PWM控制方式：调制波ur为正弦波，载波uc为三角波三角波半个周期有正有负。在调制波ur和载波uc的交点处控制IGBT通断；输出电压Ud，-Ud两种电平第4章

逆变电路双极性PWM控制方法双极性PWM控制方式：ur正负半周，开关的控制规律相同ur>uc时，V1、V4导通，V2、V3关断， io>0时，V1和V4导通； io<0时，VD1和VD4导通；ur<uc时，V2、V3导通，V1、V4关断 io<0时，V2和V3导通； io>0时，VD2和VD3导通；第4章

逆变电路单极性PWM控制方式下，电机电枢驱动电压极性是单一的。优点：启动速度快，能加速、刹车，能耗制动；缺点：不能突然倒转。动态性能不好，调速静差较大。双极性PWM控制方式下，电机电枢电压极性是正负交替的。优点：正反转运行，启动快，调速精度高，动态性能好，调速静差小，调速范围大，负载超过设定速度时，提供反向力矩，克服电机轴承的静态摩擦力，产生非常低的转速。缺点：控制电路较为复杂。第4章

逆变电路1、如何改变PWM波的幅值和频率？2、如何改变开关器件的开关频率？电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座课前回顾改变调制波的幅值和频率改变载波的频率异步调制和同步调制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异步调制和同步调制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异步调制和同步调制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。在三相PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波，为了使三相输出波形严格对称，并且每相的PWM波正负半周镜相对称，通常取载波比N为3的整数倍且为奇数。fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。异步调制和同步调制3）分段同步调制——异步调制和同步调制的综合应用。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。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。轨道牵引中多模式混合脉宽调制技术电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座第四章

逆变电路4.3.3规则采样法4.3.4PWM跟踪控制技术4.3PWM控制技术采样法第4章

逆变电路1）自然采样法：按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM的方法称为自然采样法。自然采样法是最基本的采样方法，得到的SPWM波形也很接近正弦波。但此方法需要求解复杂的超越方程，计算量大，难以实现实时控制，所以应用不多。ucuOturTcABtAtB图1自然采样法采样法第4章

逆变电路2）规则采样法：规则采样法是一种在采用微机实现时实用的PWM波形生成方法。规则采样法是在自然采样法的基础上得出的。比起自然采样法，规则采样法的计算非常简单，计算量大大减少，而效果接近自然采样法，得到的SPWM波形仍然很接近正弦波，克服了自然采样法难以在实时控制中在线计算，在工程中实际应用不多的缺点。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d图2规则采样法规则采样法第4章

逆变电路具体实现：取三角载波两个正峰值之间为一个采样周期。使每个PWM脉冲的中点和三角波一周期的中点（即负峰点）重合。在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得到正弦波的值，通过D点引一条水平直线近似代替正弦信号波，用该直线与三角波载波的交点A、B代替正弦波与载波的交点，即可得出控制功率开关器件通断的时刻tA和tB。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d图2规则采样法规则采样法第4章

逆变电路载波信号：幅值为1，周期为Tc正弦调制波信号：ur=asinωrt式中：a称为调制度，0≤a<1，ωr为调制波角频率三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d图2规则采样法EFG三角形相似：

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逆变电路4.3.3规则采样法4.3.4PWM跟踪控制技术4.3PWM控制技术开环系统第4章

逆变电路闭环系统PWM跟踪控制技术第4章

逆变电路PWM跟踪控制技术——闭环控制方法。PWM跟踪控制中电流跟踪控制应用最多。把期望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号；通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。滞环比较方式第4章

逆变电路把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。V1（或VD1）通时，i增大V2（或VD2）通时，i减小通过环宽为2DI的滞环比较器的控制i就在i*+DI~i*-DI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*。tOiii*+DIi*-DIi*图3滞环比较方式电流跟踪控制举例基本原理滞环比较方式第4章

逆变电路滞环环宽影响环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。电抗器L影响L大时，i的变化率小，跟踪慢；L小时，i的变化率大，开关频率过高tOiii*+DIi*-DIi*图3滞环比较方式电流跟踪控制举例参数的影响滞环电抗器滞环比较方式第4章

逆变电路硬件电路简单。实时控制，电流响应快。不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量多。闭环控制系统输出稳定性强。tOiii*+DIi*-DIi*图3滞环比较方式电流跟踪控制举例电路特点滞环电抗器三角波比较方式第4章

逆变电路不是把指令信号和三角波直接进行比较，而是通过闭环来进行控制。把指令电流i*U、i*V和i*W和实际输出电流iU、iV、iW进行比较，求出偏差，通过放大器A放大后，再去和三角波比较，产生PWM波形。放大器A通常具有比例积分特性或比例特性，其系数直接影响电流跟踪特性。基本原理图4三角波比较方式电流跟踪型逆变电路三角波比较方式第4章

逆变电路开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。为改善输出电压波形，三角波载波常用三相三角波载波。和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少。电路特点图4三角波比较方式电流跟踪型逆变电路电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座第四章

逆变电路4.4.1方波控制方式4.4.2PWM控制方式4.4三相电压型逆变电路工作原理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。二三相桥逆变电路方波控制方法波形分析负载各相到电源中点N'的电压：U相，V1通，uUN'=Ud/2，

V4通，uUN'=-Ud/2。V相，V3通，uUN'=Ud/2，

V6通，uUN'=-Ud/2。W相，V5通，uUN'=Ud/2，

V2通，uUN'=-Ud/2。二tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3