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1、第7章 逆变电路1本讲稿第一页，共五十四页第7章 逆变电路 引言逆变的概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电。交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变无源逆变。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n各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。n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。本章讲述无源逆变2本讲稿第二页，共五十四页7.1 换流方式 7.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 7.1.2 换流方式分类换流方式分类3本讲
2、稿第三页，共五十四页以单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理7.1.1 逆变电路的基本工作原理图7-1 逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。4本讲稿第四页，共五十四页7.1.1 逆变电路的基本工作原理S1、S4闭合闭合，S2、S3断开断开时，负载电压uo为正正。S1、S4断开断开，S2、S3闭合闭合时，负载电压uo为负负。直流电交流电5本讲稿第五页，共五十四页7.1.1 逆变电路的基本工作原理逆逆变变电电路路最最基基本本的的工工作作原原理理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流
3、电频率。图7-1 逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电电阻阻负负载载时，负载电流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻阻感感负负载载时，i io o相位滞后于u uo o，波形也不同。6本讲稿第六页，共五十四页7.1.2 换流方式分类换换流流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相换相。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。本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在本章集中讲述。7本讲稿第七页
4、，共五十四页7.1.2 换流方式分类1)器件换流（Device Commutation）n利用全控型器件的自关断能力进行换流。n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。2)电网换流（Line Commutation）n电网提供换流电压的换流方式。n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。3)负载换流（Load Commutation）4)强迫换流（Forced Commutation）8本讲稿第八页，共五十四页7.1.2 换流方式分类图7-2 负载换流电路及其工作波形
5、 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。如图是基本的负载换流负载换流电路，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接近正弦波接近正弦波。注意注意触发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。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT49本讲稿第九页，共五十四页4)强迫换流（Forced Commutation）7.1.2 换流方式分
6、类由换流电路内电容直接提供换流电压直接耦合式强迫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电感耦合式强迫换流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电容换流。分类10本讲稿第十页，共五十四页7.1.2 换流方式分类直接耦合式直接耦合式强迫换流 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。也叫电压换流电压换流。图7-3直接耦合式强迫换流原理图图7-4 电感耦合式强迫换流原理图电感耦合式电感耦合式强迫换流 先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二
7、极管使其加上反向电压。也叫电流换流电流换流。11本讲稿第十一页，共五十四页7.1.2 换流方式分类换流方式总结：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。12本讲稿第十二页，共五十四页7.2 电压型逆变电路1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不根据直流侧电源性质的不同同电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电压源电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路Current Source Type Inverter-VSTI直流侧是电流源电流源13本讲稿第
8、十三页，共五十四页7.2 电压型逆变电路2）电压型逆变电路的特点图7-7 电压型全桥逆变电路 (1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动无脉动。(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。14本讲稿第十四页，共五十四页7.2 电压型逆变电路 7.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 7.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路15本讲稿第十五页，共五十四页7.2.1 单相电压型逆变电路1）半桥逆变电路u图76 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)ttOOON
9、b)oUm-Umiot1t2t3t4t7t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理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 o为矩形波，幅值为Um=Ud/2。V1或V2通时，io和uo o同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，i io o和u uo o反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管续流二极管。16本讲稿第十六页，共五十四页7.2.1 单相电压型逆变电路优点优点：电路简单，使用器件少。缺缺点点：输出交流电压幅值为U Ud d/2/2，且直流侧需两电容器串联，要
10、控制两者电压均衡。应用应用：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。17本讲稿第十七页，共五十四页7.2.1 单相电压型逆变电路2)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。输出电压合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。图7-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo18本讲稿第十八页，共五十四页7.2.1 单相电压型逆变电路阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压移相调压移相调压。
11、a)图7-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoV3的基极信号比V1落后q（0 q 180）。V3、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。19本讲稿第十九页，共五十四页7.2.2 三相电压型逆变电路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三相桥式逆变电路图7-9 三相电压型桥式逆变电路20本讲稿第二十页，共五十四页7.2.2 三相电压型逆变电路基本工作方式180导电方式导电方式图图7-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形tOtOtOt
12、OtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3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，也称为纵向换流纵向换流。21本讲稿第二十一页，共五十四页7.2.2 三相电压型逆变电路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图7-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVN
13、uWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud322本讲稿第二十二页，共五十四页7.3 电流型逆变电路 7.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 7.3.2 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 23本讲稿第二十三页，共五十四页7.3.1 单相电流型逆变电路1)电路原理图712 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。工作方式为负载换相负载换相。电容C和L、R构成并联谐振电路。输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。24本讲稿第二十四页，共五十四页7.3.1 单相电流型逆变电路tOtO
14、tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t7t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4图713并联谐振式逆变电路工作波形2)工作分析一个周期内有两个导一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶通阶段和两个换流阶段。段。t t1 1 t t2 2：VT1和VT4稳定导通阶段稳定导通阶段，i i=I Id d，t t2 2时刻前在C上建立了左正右负的电压。t t2 2 t t4 4：t t2 2时触发VT2和VT3开通，进入换换流阶段流阶段。LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程。VT2、VT3电流有一个增大过程。
15、4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。25本讲稿第二十五页，共五十四页7.3.1 单相电流型逆变电路t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。t4t2=tg g 称为换流时间换流时间。保证晶闸管的可靠关断保证晶闸管的可靠关断晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tb。tb b=t7-t4应大于晶闸管的关断时间tq。io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1
16、,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t7t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4图713并联谐振式逆变电路工作波形26本讲稿第二十六页，共五十四页27本讲稿第二十七页，共五十四页5.4 脉宽调制(SPWM)变换器 28本讲稿第二十八页，共五十四页 功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管(BJT、MOSFET、IGBT)是自关断器件。用它们作开关元件构成的SPWM变换器，可使装置的体积小、斩波频率高、控制灵活、调节性能好、成本低。SPWM变换器，简单地说，是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间分配规律，在变换器输出端获得等幅、宽度可调的
17、矩形波。这样的波形可以有多种方法获得。29本讲稿第二十九页，共五十四页5.4.1 正弦脉宽调制原理及其优点 1SPWM原理原理根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性系统上时，其输出响应基本相同，且脉冲越窄，输出的差异越小。它表明，惯性系统的输出响应主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉冲的形状无关.图5-11给出了几种典型的形状不同而冲量相同的窄脉冲。他们的面积(冲量)均相同。当它们分别作用在同一个的惯性系统上时，其输出响应波形基本相同。当窄脉冲变为图5-11(d)所示的单位脉冲函数时，系统的响应则变为脉冲过渡函数。30本讲稿第三十页，共五十四页图5-11 形状不同而冲
18、量相同的各种窄脉冲 31本讲稿第三十一页，共五十四页图5-12画出了一正弦波的正半波，并将其划分为k等分(图中k7)。将每一等分中的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形波所替代，从而得到一组等效于正弦波的一组等幅不等宽的矩形脉冲的方法称为逆变器的正弦脉宽调制(SPWM)。32本讲稿第三十二页，共五十四页2单极性调制 33本讲稿第三十三页，共五十四页3双极性调制 34本讲稿第三十四页，共五十四页一般将正弦调制波的幅值与三角载波的峰值之比定义为调制度M(亦称调制比或调制系数。在SPWM变换器中，使用最多的是三相桥式逆变器。三相桥式逆变器一般都采用双极性控制方式。U、V和W三相的
19、SPWM的控制通常公用一个三角波载波信号，用三个相位互差120的正弦波作为调制信号，以获得三相对称输出。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同。35本讲稿第三十五页，共五十四页三相桥式逆变器 36本讲稿第三十六页，共五十四页在双极性SPWM控制方式中，同一相上、下两个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上、下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟时间，才给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。这个延迟时间将会给输出的SPWM波形带来影响，使其偏离正弦波。37本讲稿第三十七页，共五十四页图5-15 三相SPWM波形 38本讲稿第三十八页，共五
20、十四页3SPWM的优点的优点 (1)在一个可控功率级内调频、调压，简化了主电路和控制电路的结构，使装置的体积小、重量轻、造价低。(2)直流电压可由二极管整流获得，交流电网的输入功率因数接近1；如有数台装置，可由同一台不可控整流器输出作直流公共母线供电。(3)输出频率和电压都在逆变器内控制和调节，其响应的速度取决于电子控制回路，而与直流回路的滤波参数无关，所以调节速度快，并且可使调节过程中频率和电压相配合，以获得好的动态性能。（4）输出电压或电流波形接近正弦，从而减少谐波分量。39本讲稿第三十九页，共五十四页4关于关于SPWM的开关频率的开关频率SPWM调制后的信号中除了含有调制信号和频率很高的
21、载波频率及载波倍频附近的频率分量之外，几乎不含其它谐波，特别是接近基波的低次谐波。因此，SPWM的开关频率愈高，谐波含量愈少。当载波频率越高时，SPWM的基波就越接近期望的正弦波。但是，SPWM的载波频率除了受功率器件的允许开关频率制约外，开关器件工作频率提高，开关损耗和换流损耗会随之增加。另外，开关瞬间电压或电流的急剧变化形成很大的或，会产生强的电磁干扰；高、还会在线路和器件的分布电容和电感上引起冲击电流和尖峰电压 40本讲稿第四十页，共五十四页41本讲稿第四十一页，共五十四页5.4.2 同步调制和异步调制 在SPWM变换器中，载波频率与调制信号频率之比称为载波比。根据载波和信号波是否同步及
22、载波比的变化情况，SPWM变换器可以有异步调制和同步调制两种控制方式。42本讲稿第四十二页，共五十四页1.异步调制异步调制在异步调制方式中，调制信号频率变化时，通常保持载波频率固定不变，因而载波比m是变化的。在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称。当调制信号频率较低时，载波比m较大，半周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称的影响都较小，输出波形接近正弦波。当调制信号频率增高时，载波比m就减小，半周期内的脉冲数减少，输出脉冲的不对称性影响就变大，还会出现脉冲的跳动。对于三相SPWM型变换器来说，三相输出的对称性也
23、变差。因此，在采用异步调制方式时的高频段，希望尽量提高载波频率。43本讲稿第四十三页，共五十四页2.同步调制同步调制在变频时使载波信号和调制信号的载波比m等于常数的调制方式称为同步调制。调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。为了使一相的波形正、负半周镜对称，同时使三相输出波形严格对称，m应取载波比m为3的整数倍的奇数。当变换器输出频率很低时，因为在半周期内输出脉冲的数目是固定的，所以由SPWM调制而产生的谐波频率也相应降低。这种频率较低的谐波通常不易滤除，如果负载为电动机，就会产生较大的转矩脉动和噪声。因此，在采用同步调制方式时的低频段，希望尽量提高载波比。44本讲稿第四
24、十四页，共五十四页3.分段同步调制分段同步调制 为了克服上述缺点，通常都采用分段同步调制的方法，即把变换器的输出频率范围划分成若干频段，每个频段内都保持载波比M为恒定，在输出频率的高频段采用较低的载波比，以使载波频率不致过高。在输出频率的低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。各频段的载波比应该都取3的整数倍且为奇数。提高载波频率可以使输出波形更接近正弦波但载波频率的提高受到功率开关器件允许最高频率的限制。45本讲稿第四十五页，共五十四页5.4.3 SPWM波形的生成 根据SPWM变换器的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来
25、确定它们的交点。在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，这样就可得到SPWM波形。但这种模拟电路的缺点是结构复杂，难以实现精确的控制。目前SPWM的产生和控制可以用微机来完成，这里主要介绍几种用软件产生SPWM波形的基本算法。46本讲稿第四十六页，共五十四页1.自然采样法 求取开关时刻的方程式是超越方程，求解时需要花费较多的计算时间，因而难以在实时控制中在线计算。47本讲稿第四十七页，共五十四页2.规则采样法规则采样法 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，它的效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多。实际应用较多的还是采用三角波作为载波的规则采样法。在三角波的负峰时刻tD对正弦调制
26、波采样而得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点，在A点的时刻tA和B点的时刻tB控制功率开关器件的通断。可以看出，用这种规则采样法所得到的脉冲宽度和用自然采样法所得到的脉冲宽度非常接近。48本讲稿第四十八页，共五十四页图5-19 采用三角波载波的规则采样法 49本讲稿第四十九页，共五十四页3低次谐波消除法低次谐波消除法以消去SPWM波形中某些主要的低次谐波为目的，通过计算确定各脉冲的开关时刻这种方法称为低次谐波捎去法。在这种方法中，已经不再比较载波和正弦调制波，但目的仍是使输出波形尽可能接近正弦波，因此也算是生成SPWM波形的一种方法。应当指出，低次谐波消去法可以很好地消除指定
27、的低次谐波，但是剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大。不过，因为其次数已比所消去的谐波次数高，因而较容易滤除。50本讲稿第五十页，共五十四页4跟踪型跟踪型SPWM跟踪型SPWM也不是用载波对正弦波进行调制，而是把希望输出的电流或电压作给定信号，与实际电流或电压信号进行比较，由此来决定逆变器电路功率开关器件的通断，使实际输出跟踪给定信号。跟踪型SPWM变换器中，电流跟踪控制应用较多。主要的有电流滞环控制型和固定开关频率型。51本讲稿第五十一页，共五十四页5.4.4 微机控制和专用集成电路 1微机软件生成微机软件生成SPWM 在用微机软件生成SPWM时，通常有查表法和实时计算法。查表法是根据不
28、同的调制度M和正弦调制信号的角频率，先离线计算出各开关器件的通断时刻，把计算结果存于EPROM中，运行时查表读出需要的数据进行实时控制，该方法所需要的内存容量往往较大。实时计算法是在运行时，根据控制变量进行在线计算求得所需的数据。这种方法适用于计算量不大的场合。实际所用的方法往往是上述两种方法的结合。52本讲稿第五十二页，共五十四页2专用集成电路专用集成电路采用专门产生SPWM波形的大规模集成电路芯片可简化控制电路和软件设计，降低成本，提高可靠性。目前应用得较多的SPWM芯片有HEF4752、SLE4520、MA818、8XC196MC。HEF4752芯片可提供三组互差120的互补输出SPWM
29、控制脉冲，以供驱动逆变器六个功率开关器件产生对称的三相输出，可适用于晶闸管或功率晶体管。该芯片有8段载波比(15、21、30、42、60、84、120、168)自动切换，调制频率范围为0200Hz，开关频率一般不超过2kHz。总之，SPWM控制是变换器中关键技术之一，而且仍然是在不断深入研究的重要课题。53本讲稿第五十三页，共五十四页小 结 w 电压型变换器的特点是直流电源接有很大的滤波电容，从逆变器向直流电源看过去电源内阻为很小的电压源。w 电流型变换器的中间直流环节有一个很大电感作为滤波环节，从负载侧向逆变器看去，为一具有很大阻抗的恒流源。w SPWM变换器，从载波信号的极性分有单极性和双极性脉宽调制方法。从载波信号与调制信号的关系分有同步、异步和分段同步调制的控制方式方法。现在多采用微机产生SPWM的方法和专门产生SPWM波形的大规模集成电路芯片。54本讲稿第五十四页，共五十四页