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1、第7章 逆变电路所谓逆变，就是与整流相反，把直流电转换成某一固定频率或可变频率的交流电(DC/AC)的过程。当把转换后的交流电直接回送电网，即交流侧接入交流电源时，称为有源逆变；而当把转换后的交流电直接供给负载时，则称为无源逆变。通常所讲的逆变电路，若不加说明，一般都是指无源逆变电路。本章介绍的逆变电路即为无源逆变电路，它在电力电子电路中占有十分突出的位置。本章要求掌握无源逆变电路的基本结构及其工作原理。第1页/共49页7.1 无源逆变原理器件换流方式逆变器的工作原理第2页/共49页7.1 无源逆变原理(a)电压型(b)电流型图7.1 电压型和电流型逆变器原理图第3页/共49页器件换流方式2)
2、电流强迫换流强迫换流电路如图7.3所示，由电容和电感组成的关断振荡电路构成。4.器件换流(DeviceCommutation)利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。器件换流是换流方式中最简单的一种。适用于各种由全控型器件构成的电力电子电路。图7.3 电流强迫换流原理图 第4页/共49页器件换流方式1.电网换流(LineCommutation)利用电网提供换流电压进行换流称为电网换流。2.负载换流(LoadCommutation)利用负载自身提供换流电压的换流方式称为负载换流。3.强迫换流(ForcedCommutation)强迫换流是采用专门的换流电路，给欲关断的晶闸管强制施加反向电
3、压或反向电流的换流方式。第5页/共49页器件换流方式1)电压强迫换流在强迫换流方式中，由换流电路中的电容直接给电力电子器件提供换流电压的方式称电压强迫换流。图7.2 电压强迫换流原理图 第6页/共49页逆变器的工作原理图7.4(a)所示为单相桥式逆变电路的原理示意图。当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，如此交替进行下去，就在负载上得到了由直流电变换的交流电，uo的波形如图7.4(b)所示。输出交流电的频率与两组开关的切换频率成正比。这样就实现了直流电到交流电的逆变。图7.4 逆变原理及其波形第7页/共49页7.2 单相逆变
4、电路单相半桥逆变电路单相全桥逆变电路第8页/共49页单相半桥逆变电路单相半桥电压型逆变电路如图7.5(a)所示，它由一对桥臂和一个带有中点的直流电源构成，负载接在两个桥臂的连接点与直流电源的中点之间。图7.5 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 第9页/共49页单相全桥逆变电路1.电压型单相全桥逆变电路图7.6所示为电压型单相全桥逆变电路的原理图，它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。图7.6 电压型单相全桥逆变电路原理图第10页/共49页单相全桥逆变电路移相调压是通过调节输出电压脉冲的宽度来改变输出电压的大小。其思想是通过控制同一对桥臂上两个开关器件的栅极信号的相位，使两个开关器件
5、导通与关断错开一定的时间(相位)，使输出到负载上的电压宽度小于180。图7.7 单相全桥逆变电路的移相调压方式第11页/共49页单相全桥逆变电路2.单相全桥电流型逆变电路对于电流型逆变电路来说，往往是在直流侧串联一个大电感，使电流波动减小，把直流电源近似看作恒流源。输出电流为恒值，输出电压取决于负载的性质。图7.8 电流型逆变电路及其工作波形第12页/共49页单相全桥逆变电路2.单相全桥电流型逆变电路图7.8是单相桥式电流型逆变电路原理图。当开关T1、T4闭合，T2、T3断开时，直流电流由x流向y，负载电流io为正；当T2、T3闭合，T1、T4断开时，直流电流由y流向x，io为负。io为宽度为
6、180的方波交流电流。当负载为电阻时，uo的波形与io相同；当负载为感性时，在负载两端需要并联电容C，以便在换流时为感性负载电流提供流通路径、吸收负载电感的储能，输出电压近似为正弦波。图7.8 电流型逆变电路及其工作波形第13页/共49页单相全桥逆变电路图7.9 并联谐振逆变电路及其工作波形第14页/共49页7.3 三相逆变电路电压型三相桥式逆变电路电流型三相桥式逆变电路第15页/共49页电压型三相桥式逆变电路图7.11所示为电压型三相桥式逆变器的基本电路。图7.11 电压型三相桥式逆变电路原理图 第16页/共49页电压型三相桥式逆变电路1.180导电型所谓180导电型，是指每个开关元件在每个
7、周期连续导通180，关断时间也是180，同一相即同一半桥的上、下两个桥臂交替导电，即换相是在同一桥臂的上、下两个开关之间进行的，也称纵向换相或纵向换流。图7.12 电压型三相桥式逆变电路 第17页/共49页电压型三相桥式逆变电路负载相电压有效值UUN为输出线电压有效值UUV为第18页/共49页电压型三相桥式逆变电路2.120导电型采用120导电型时，每个开关元件导通角为120，T1T6依次以间隔60导通。逆变桥中任何时候只有两管导通，工作安全可靠，不会发生同一桥臂两元件直通现象。可以证明，此时输出相电压波形为幅值为Ud/2，正负相间的120方波，其合成线电压波形与图7.13(d)形状相同，不同
8、的是其台阶分别为Ud/2和Ud。相电压和线电压有效值分别为和，比180导电型有效值低。如果负载为电感性负载，其波形分析将十分复杂，此处不作详细分析。第19页/共49页电流型三相桥式逆变电路电流型逆变电路具有以下主要特点：直流侧串联有大电感，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。电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，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，因此不必像电压型逆变电路那样给开关器件反并联
9、二极管。第20页/共49页电流型三相桥式逆变电路图7.15 电流型三相桥式逆变电路 图7.16 电流型三相桥式逆变电路工作波形 第21页/共49页电流型三相桥式逆变电路线电流的基波幅值为线电流的基波有效值为线电流有效值为第22页/共49页7.4 逆变器的PWM控制技术控制的基本原理逆变电路的控制方式跟踪控制技术生成方法逆变电路的谐波抑制第23页/共49页7.4 逆变器的PWM控制技术根据负载的特性的不同，除要求频率可控外，还要求逆变器的输出电压(电流)、功率能够根据需要进行控制，VVVF逆变器输出电压控制原理如图7.17所示。PWM(PulseWidthModulation)控制技术，简言之就
10、是脉冲宽度调制技术。它是通过对输出电压或输出电流的一系列脉冲的宽度进行调制，来获得所需电压或电流的大小和形状的一项技术。(a)交流调压不控整流方式 (b)可控整流调压方式(c)斩波调压方式 (d)PWM方式图7.17 逆变器输出电压控制方式第24页/共49页控制的基本原理1.PWM的基本原理在采样控制理论中的一个重要的结论，就是当在一个惯性环节的输入端施加面积相同但形状不同的脉冲信号时，该环节的输出响应中，低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。而且输入信号的脉冲越窄，输出响应的差别越小。图7.18(b)所示的等幅脉冲列就称为脉冲宽度调制(PWM)波形，可以看出该波形中各个脉冲的幅值相等，而宽
11、度是按正弦规律变化的，根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。图7.18 用PWM波代替正弦波第25页/共49页控制的基本原理2.PWM波的获取方法1)计算法所谓计算法，就是当我们一旦确定了逆变电路所需输出的正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数，根据前述的面积等效的基本原理，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来，进一步计算出各脉冲的前、后沿时刻，于是便可得到所需的PWM波，以此直接控制逆变电路中各开关器件的通/断，便可在负载上得到所需要的PWM波形。由于逆变电路在工作时，每当需要改变输出的频率、幅值或相位时，都要对所有数据重新计算，尤其需要频繁改变输出正弦波的频率和幅值时，
12、计算任务相当繁重，甚至难以满足实时控制的要求，所以计算法在实际中很少采用。第26页/共49页控制的基本原理2)调制法实际中普遍使用的是调制法。在调制法中，把所希望输出的波形称为调制波ur，把接受调制的信号称为载波uc，通过对载波的调制可以得到所希望的脉冲宽度调制波形。图7.19 三角波调制的PWM波原理图第27页/共49页逆变电路的控制方式1.单极性SPWM控制方式图7.20 单相桥式PWM逆变电路(a)载波与调制波(b)主电路输出的SPWM电压 图7.21 单极性SPWM控制方式的电路及波形 第28页/共49页逆变电路的控制方式2.双极性SPWM控制方式和单极性SPWM控制方式相对应的是双极
13、性控制方式。其控制和输出波形如图7.22所示。其中ur为正弦调制波，uc为三角形载波。但uc的波形与单极性时有明显的不同，在ur的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负的双极性三角波。(a)载波与调制波(b)主电路输出的SPWM电压 图7.22 双极性SPWM波形第29页/共49页逆变电路的控制方式3.PWM主要参数1)调制比M2)载波比K第30页/共49页逆变电路的控制方式4.PWM的异步调制和同步调制1)异步调制在频率改变过程中，载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。2)同步调制在变频时使载波和调制信号波始终保持同步，并保持载波比K等于常数的调制方式称为同步调制。
14、3)分段同步调制为有效克服上述同步、异步调制存在的缺点，将异步和同步两种调制方法结合起来，使在整个频率范围内是异步的，但在一定频段内又是同步的，这就是分段同步调制。第31页/共49页逆变电路的控制方式图7.23 同步调制三相PWM波形 图7.24 分段同步调制方式举例 第32页/共49页跟踪控制技术1.电流滞环跟踪控制1)滞环跟踪方式的原理图7.25(a)给出了采用滞环比较方式的PWM电流跟踪控制单相半桥式逆变电路原理图。图7.25 电流滞环跟踪控制的逆变电路第33页/共49页跟踪控制技术2)采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路的特点硬件电路简单，属于闭环控制。系统具有较高的稳定性。具有
15、快速的瞬态响应。电流型半桥电路容易产生失控。电流脉宽不等固然可以维持电感端压的伏秒值平衡，但却会导致电容电荷的安秒值不平衡，导致直流侧分压电容端压不等、电源中点漂移，恶性循环的结果将使电路失控。开关频率不固定。由于器件的开关点完全取决于电流到达上下限值的时间，因此滞环控制的开关频率并不固定，使电路工作可靠性下降，输出电压的频谱变差。第34页/共49页跟踪控制技术3)恒开关频率的电流控制图7.27 采用恒开关频率电流控制的逆变电路第35页/共49页跟踪控制技术2.电压滞环跟踪控制与电流滞环跟踪控制方式相对应的是采用电压滞环跟踪控制方式。图7.28 电压跟踪控制逆变电路第36页/共49页跟踪控制技
16、术3.三角波比较方式三角波比较方式也分为电流跟踪型和电压跟踪型两种，它与前面介绍的调制法不同。在调制法中，是用三角波直接与给定信号进行比较，产生PWM调制信号，属开环控制，无电流或电压跟踪功能。而这里介绍的三角波比较方式是通过闭环来进行控制的。它是把给定电流(或电压)信号与逆变电路实际输的电流(或电压)信号进行比较，得到偏差信号，将该偏差信号送PI调节器进行放大和调节运算，再将其输出信号与三角波进行比较，产生PWM控制波形去控制主电路的开关器件的导通和关断，产生PWM波形。图7.29 三角波比较电流跟踪控制逆变电路第37页/共49页跟踪控制技术4.电压电流双环反馈控制图7.30(a)所示为具有
17、电压外环和电流内环的双环反馈控制半桥逆变电路。电压外环采用瞬时值反馈，与给定电压进行比较得到输出电压的瞬时误差，将该信号经PI调节器调节运算后作为电流内环的给定iR；电流内环由负载电流瞬时值与电流给定iR比较产生误差信号，再与三角形载波比较后产生SPWM信号。图7.30 电压电流双环反馈控制逆变电路 第38页/共49页跟踪控制技术5.电压空间矢量控制逆变电路一个很重要的应用方面，就是作为交流电动机的调速电源。由电机学可知，为使交流电动机产生一个空间圆形旋转磁场，应给电动机施加一个正弦交流电流。按照旋转磁场轨迹为圆的目标来进行PWM控制，其效果将更直接，这种控制就称为磁链跟踪控制。由于磁链的轨迹
18、可由电压空间矢量得到，所以又称为电压空间矢量控制。第39页/共49页生成方法1.SPWM波生成的基本方法1)采用模拟电路生成SPWM波形按照SPWM产生的原理，是用分立的模拟或数字电路来构成正弦信号发生器、三角波发生器生成调制波和载波，再通过比较器自动完成两者交点的确定，即可在比较器的输出端直接输出SPWM矩形波。这种方法的实时性好，但其电路复杂、可靠性低，灵活性差，输出波形优化困难。为增加该方法的灵活性和可靠性，也有利用单片机的计算与存储功能和D/A转换器参与三角波和正弦波的生成或直接生成SPWM波形。第40页/共49页生成方法2)直接采用集成电路产生SPWM波采用集成电路产生SPWM波的方
19、法简单可靠，方便易行。3)采用微处理器的SPWM控制近年来，微处理器的发展特别迅速，许多厂商开发了专门用于电机控制的微处理器或数字信号处理器(DSP)。这些微处理器有专用的输出端口，可在软件支持下产生SPWM波形。第41页/共49页生成方法2.自然采样法所谓自然采样法，就是按照SPWM控制的基本原理，利用正弦调制波和三角形载波的自然交点控制功率开关器件的通/断，生成SPWM波形的方法。自然采样法的任务就是为准确生成SPWM波形，而准确地计算正弦波和三角波的交点。图7.31 自然采样法 第42页/共49页生成方法3.规则采样法规则采样法是针对自然采样法中要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线
20、计算，而采用的一种对正弦波与三角波交点求解的一种简化方法，其效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法少了许多。图7.32 规则采样法 第43页/共49页逆变电路的谐波抑制1.多重化抑制方法多重化抑制就是使多个逆变电路在相同的频率、不同的相位下工作，并将各个逆变器的输出端相叠加，使输出的多个矩形波组合叠加起来，达到减少输出谐波的目的。图7.33 单相二重逆变电路及波形第44页/共49页逆变电路的谐波抑制图7.34 三相多重化逆变电路第45页/共49页逆变电路的谐波抑制2.指定谐波消除法这种方法实际是一种消谐的SPWM技术，其主要思想是根据实际需要，在采用尽可能低的载波比(尽量降低开关器件的开关
21、频率)前提下，直接用输出电压的数学模型确定脉冲开关角，有选择地消除某些低次谐波的方法。图7.35 指定谐波消除法的PWM波形第46页/共49页逆变电路的谐波抑制3.倍频式PWM由图7.36可见，与普通单极性SPWM逆变电路不同的是电路中有两个载波信号，uc1和与之反相的uc2，即uc2=-uc1。正弦波调制信号ur与uc1的交点形成相位互补的脉冲序列ug1和ug2；ur与uc2的交点形成另一对互补脉冲序列ug3和ug4。图7.36 单相桥式单极性SPWM逆变电路的倍频控制方式第47页/共49页逆变电路的谐波抑制4.多电平逆变器图7.37 多电平单相半桥逆变电路 图7.38 中点钳位三相三电平PWM逆变电路 第48页/共49页感谢您的观看！第49页/共49页