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1、第七章 逆变电路与变频电路 逆变的概念与整流相对应，将直流电变成交流电，实现DC/AC变换。交流侧接电网，为有源逆变，第五章内容。交流侧接负载，为无源逆变，本章主要讲述无源逆变。 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。 主要应用在已有的各种电源中，如蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电 源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。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。交流电机调速用变频器、家用电器等。n第一节 电力变流器换相方式 n第二节 单相无源逆变电路 n第三节 三相无源逆变
2、电路 n第四节 脉宽调制（PWM）型逆变电路n第五节 交-直-交变频电路n第六节 交-交变频电路n本章小结第七章 逆变电路与变频电路 第一节 电力变流器换相方式 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。图7-1 熄灭和换相熄灭换相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。 研究换相方式主要是研究如何使器件关断。第一节 电力变流器换相方式 交流电网换相电网提供换相电压的换相方式 。如可控整流电路、有源逆变电路 和交流调压及交交变频电路。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
3、网的无源逆变电 路。换相方式分为以下四种：第一节 电力变流器换相方式 负载谐振式换相 由负载提供换相电压的换相方式。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，如电容性负 载和同步电动机。右图是基本的负载换相逆变电路， 整个负载工作在接近并联谐振状态而略 呈容性，直流侧串大电感，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。 t t t tOOOOiit1b)ouo ioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4第一节 电力变流器换
4、相方式 脉冲换相设置附加的换相电路，给欲关断的晶闸管强 迫施加反压或反电流的换相方式称为脉冲换相。通常利用附加电容上所储存的能量来实现， 因此也称为电容换相。分类直接耦合式：由换流电路内电容直接提供 换相电压。如图1，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。电感耦合式：通过换流电路内的电容和电感 的耦合来提供换相电压或换相电流。如图2a中晶 闸管在LC振荡第一个半周期内关断，图2b中晶 闸管在LC振荡第二个半周期内关断。图1 直接耦合式原理图图2 电感耦合式原理图第一节 电力变流器换相方式 器件换相利用全控型器件的自关断能力进行换相。在采用IGBT 、
5、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器 件的电路中的换相方式是器件换相。换相方式总结器件换相只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶 闸管而言的。 器件换相和脉冲换相属于强迫换相，电网换相和负载换相属 于自然换相。逆变电路所采用的换相方式有负载换相、脉冲换相和器件换 相三种。第二节 单相无源逆变电路 一、基本原理及分类以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduo iot1t2图7-3逆变电路工作原理 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
6、，S2、S3闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。第二节 单相无源逆变电路 一、基本原理及分类根据直流侧电源性质的不同，可以分为电压型和电流型两类。电压型逆变电路：直流侧是电压源。电流型逆变电路：直流侧是电流源。 根据交流侧输出相数，可以分为单相和三相两种。单相逆变电路三相逆变电路 根据换相方式的不同，晶闸管构成的逆变电路有很多种，如：并联谐振式串联谐振式辅助晶闸管换相式（麦克墨莱）串联二极管式第二节 单相无源逆变电路 二、电压型逆变电路
7、的主要特点图7-4电压型逆变电路 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。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。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。图 7-6 串联谐振逆变电路 第二节 单相无源逆变电路 三、电流型逆变电路的主要特点图7-5 电流型逆变电路 图 7-9 并联谐振逆变电路 直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和 相位因负载不同而不同。直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二 极管。第三节 三相无源
8、逆变电路 一、电压型三相逆变电路 图7-11 三相辅助晶闸管换相逆变电路 VT1VT6间隔60o依次触通，且同一桥臂换相（纵向换相），每只 主晶闸管在一个周期内导电180o。电路构成辅助晶闸管换相式 工作原理三相六拍180o导电型第三节 三相无源逆变电路 一、电压型三相逆变电路 为了防止同一相上下两桥臂的晶闸管同时导通而引起直流侧 电源的短路，要采取“先断后通”的方法。 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。图7-15 180o导电型逆变电路两种情况的等效由路 （a）0o60o区间 （b）60o120o区间第三节 三相无源逆变电路 一、电压型三相逆
9、变电路 对对于图图7-15（a），U点和W点等电电位，则则0 o60 o区间间相电压电压 为为： （7-5 ）同理，对图对图 7-15（b）可求得60o120o区间间相电压为电压为 ：（7-7 ）（7-8）（7-6）第三节 三相无源逆变电路 一、电压型三相逆变电路 输输出线电压线电压 可根据相电压电压 由下式求得：（7-9）负载参数已知时，可以由uUN的波形求出U相电流iU的波形。图7-16列出了一个周期内各晶闸管的导通次序和 U、V、W三点的 电压极性以及输出的相电压、线电压和U相负载电流iU的波形。图7-16 180o导电型逆变电路的电压及电流波形 第三节 三相无源逆变电路 二、电流型三相
10、逆变电路 VT1VT6间隔60o依次触通，且相邻桥臂换相（横向换相），每只 晶闸管在一个周期内导电120o。电路构成串联二极管式 工作原理三相六拍120o导电型图7-18 三相串联二极管逆变电路 第三节 三相无源逆变电路 二、电流型三相逆变电路 每一时刻上下桥臂组各有一个晶闸管导通,并按1,2一2,3一3,4 一4,5一5,6一6,1的顺序导通。 波形分析输出电流波形和负载性 质无关，正负脉冲各120的矩 形波。输出电流和三相桥整流 带大电感负载时的交流电流波 形相同。输出线电压波形和负载 性质有关，大体为正弦波，但 叠加了一些脉冲。图7-21 120 o导电型逆变电路的电压及电流波形第三节
11、三相无源逆变电路 三、电压型和电流型逆变电路的比较 表7-1 电压型和电流型逆变器的比较第四节 脉宽调制（PWM）型逆变电路 PWM（Pulse Width Modulation）控制技术就是对脉冲的宽度进 行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获 得所需要波形（含形状和幅值）。 PWM控制技术的地位PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性, 除功率很大的 逆变装置外，不用PWM控制的逆变电路已十分少见。正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制 技术在电力电子技术中的突出地位, 并对电力电子技术产生了十分 深远的影响。 PWM技术与器件的关系IGBT、电力M
12、OSFET等为代表的全控型器件的不断完善给 PWM控制技术提供了强大的物质基础。第四节 脉宽调制（PWM）型逆变电路 一、PWM的基本原理面积等效原理原理内容：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。冲量即指窄脉冲的面积。 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段 略有差异。 实例将图1a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图2a所示的R-L电路上，设其 电流i(t)为电路的输出，图2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。 图1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 图2 冲量相同的各种窄脉冲的响应
13、波形 第四节 脉宽调制（PWM）型逆变电路 一、PWM的基本原理用PWM波代替正弦半波将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为 /N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的 脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽 的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波 部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部 分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得 到PWM波形。 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 。 基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其他 所需要的波形，如等效所需
14、要的非正弦交流波形（ 如矩形波）等。 图7-23 SPWM原理波形图 第四节 脉宽调制（PWM）型逆变电路 一、PWM的基本原理计算法根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉 冲数，将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出来，按照 计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需 要的PWM波形，这种方法称之为计算法。计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或 相位变化时，结果都要变化。 调制法 把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为 载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波 应用最多。 调制度：M
15、=Urm / Ucm 载波比：N=f c / f r（7-10） （7-11） 第四节 脉宽调制（PWM）型逆变电路 二、单相SPWM逆变电路单极性PWM控制方式 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V3关断，V4导通，uo=0。 urucuOtOtuo uofuoUd-Ud图7-25 单相桥式PWM逆变电路 图7-26 单极性脉宽调制波形 第四节 脉宽调制（PWM）型逆变电路 二、单相SPWM逆变电路双极性PWM控制方式 在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制 各开关器件的通断。 在ur的半个周期内，三角波载波有正有负， 所得的PWM波也是有正有负，在ur的一个周期 内，输出的PWM波只有Ud两种电平。在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律 相同。 当uruc时，V1和V4导通，V2和V3关断，这 时如io0，则V1和V4通，如io0，则VD2和VD3 通，不管哪种情况都是uo=-Ud。 图7-25 单相桥式PWM逆变电路 urucuOtOtuouofuo Ud-Ud图7-27 双极性脉宽调制波形 第四节 脉宽调制（PWM）型逆变电路 三、三相SPWM逆变电路图7-28 三相SPWM逆变电
