第四章-无源逆变电路1解析.ppt

1、第四章 无源逆变电路,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（1800导电方式）工作原理与波形分析,第2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

2、都是逆变电路。,4.1 基本概念,第3页,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，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,第4页,交直交变频器（间接变频器）,4.1 基本概念,第5页,交交变频器（直接变频器）,电压

3、型变频器（直流侧是电压源）,电流型变频器（直流侧是电流源）,图4.2（图2 P102，图4.1）,4.1 基本概念,第6页,4.2 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。,第7页,4.3 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。,第8页,4.3 换流方式,器件换流（

4、Device Commutation）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（Line Commutation）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（Load Commutation）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（Forced Commutation）设置附加的换流电路，给欲关断

5、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。,第9页,如图是基本的负载换流电路，4个桥臂均由晶闸管组成。 整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。 直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动。 负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以uo接近正弦波。 注意触发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。,4.3 换流方式,第10页,4.3 换流方式,由换流电路内电容直接提供换流电压当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关断。也叫电压换流。,直接耦合式强迫

6、换流,通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压。也叫电流换流,电感耦合式强迫换流,图4.5 直接耦合式强迫换流原理图(p104图4.4),图4.6 电感耦合式强迫换流原理图(p105图4.5),第11页,换流方式总结： 器件换流适用于全控型器件。 其余三种方式针对半控型器件。 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。,4.3 换流方式,第12页,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

7、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。 (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。,4.4 电压型逆变电路,图4.7 单相全桥电路（P107，图4.8）,第13页,4.4.1 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。,第14页,阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压移相调压。,V3的基极信号比V1落后q （0 q 180 ）。V3、

8、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180q。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,第15页,带中心轴线变压器的逆变电路,图4.9（P108，图4.9）,4.4.1 单相电压型逆变电路,第16页,4.4.2 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,第17页,基本工作方式 180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。,4.4.2 三

9、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),第18页,波形分析,负载各相到电源中点N的电压：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2。 负载线电压 负载相电压,图4.11电压型三相桥式逆变电路的工作波形(p109, 图4.11),4.4.2 三相电压型逆变电路,第19页,负载中点和电源中点间电压 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是 负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。 一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。 桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧

10、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。 防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通”,4.4.2 三相电压型逆变电路,第20页,PWM (Pulse Width Modulation)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，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。 PWM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分重要的地位。 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。,4.5 SPWM控制技术（P118）,第21页,4.5.1 PWM控

11、制的基本原理,理论基础采样控制理论（面积等效原理）,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。,第22页,4.5.1 PWM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（Sinusoidal PWM）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),第23页,4.5.2 SP

12、WM逆变电路及控制方法,图4.14(P120,图4.26),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,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。 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 。,第24页,4.5.2 SPWM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

13、得-Ud和零两种电平。,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 。,第25页,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。在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态，当uruc时，使V4导通，V3关断，uo=Ud；当uruc时，使V4关断，V3导通，uo=0。在ur的负半周，V1保持断态，V2保持通态，当uruc时，使V3导通，V4关断，uo-Ud；当uruc时，使V3关断，V4导通，uo=0。

14、这样，就得到了SPWM波形uo。,4.5.2 SPWM逆变电路及控制方法,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（单相桥逆变）,第26页,双极性PWM控制方式（单相桥逆变）,4.5.2 SPWM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）,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。 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。,当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。 如io0，V1和V

15、4通，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud 。,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,第27页,三相SPWM逆变电路和PWM控制方式,4.5.2 SPWM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）,第28页,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

16、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。,4.5.2 SPWM逆变电路及控制方法,第29页,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。,图4.19 三相桥式PWM型逆变电路,图4.1

17、8三相桥式PWM逆变电路波形,4.5.2 SPWM逆变电路及控制方法,第30页,4.5.3 SPWM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 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,第31页,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

18、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易滤除。 fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。,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。,4.5.3 SPWM调制方式及实现方法,第32页,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。,为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。 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。,4.5.3 SPWM调制方式及实现方法,图4.21 分段同步调制 （p124，图4.32）,第33页,讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理