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1、电力电子技术 Power Electronics Technology,Spring 2006,电 气 工 程 学 院 陈 洛 忠,第六章 无源逆变电路,6.1 概 述,无源逆变 直流 交流（向负载直接供电） 无源逆变电路简称逆变电路 通常由全控器件构成 逆变与变频 逆变电路经常与变频的概念联系在一起 变频电路：,分为交交变频和交直交变频两种，后者由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变,无源逆变技术的应用,直流电源如蓄电池、干电池和太阳能电池,逆变电路,交流负载供电,直流电源给交流负载供电,交流电源： 列车照明、感应加热电源、电解电镀电源、不停电电源（UPS）、高频焊机、高频电子镇流
2、器和航空电源等,交流调速系统： 铁道牵引、大型工矿机车、城市有轨交通（地铁和轻轨车）、重型电传动汽车和矿井提升设备等,逆变器的基本类型,按电路结构分类 桥式 零式 按输出相数分类 单相 多相 按器件分类 半控型 全控型,按调制方法分类 PWM PAM 方波、阶梯波 按导通的角度分类 180 120 按强迫换流的特点 谐振型 并联电容型等,按直流侧电源的性质分类（常用此分类） 电压型逆变器,电流型逆变器,直流侧电源为准恒压源,直流侧电源为准恒流源,6 . 2 无源逆变电路原理,一、 单相半桥逆变电路 1、电路结构,2、工作原理/波形分析 T1导通、T2截止：Uan=Ud /2 T1截止、T2导通
3、： Uan=-Ud /2,结 论, T1、T2轮流导通，使直流变为交流, 改变T1、T2的切换频率，便可改变输出交流的频率，即变频, 与输出电压同方向的电流流过开关管T，与输出电压反方向的电流流过二极D，因此在电压型逆变器中二极D是必须的，它提供了反向电流通路，故称为反馈二极管。同时D又起着使负载电流连续的作用，因此又称为续流二极管, T1、T2不能同时导通，否则将出现直流电源短路贯穿短路。因此电压型逆变器同一桥臂上、下管的控制必须遵循“先断后开”原则,3、基本关系 输出电压有效值 输出电压表达式 基波电压有效值 电感负载电流峰值 R-L负载电流基波分量,二、单相全桥逆变电路,1、电路结构,2
4、、工作原理、波形分析 T1 、T4导通，T2 、T3截止： Uan=Ud T1 、T4截止，T2 、T3导通： Uan=-Ud,3、基本关系 输出电压表达式 基波电压有效值 电感负载电流峰值 R-L负载电流 其中,四、两种单相逆变电路比较,1、单相全桥逆变电路 在单相逆变电路中，全桥逆变电路应用最多 2、单相半桥逆变电路 结构简单，所用器件比全桥电路少一半。 但输 出交流电压幅值低，且直流侧需要两个电容串 联，工作时需要控制两个电容器电压的均衡 常用于几KW以下的小功率逆变电源等场合,6 . 3 三相逆变器工作原理,一、 三相电压型逆变器工作原理,负载连接方式 型连接 Y型连接,电路结构,根据
5、各管导通时间分： 180 导电型 120导电型,电压型三相桥式逆变器原理图,1、功率器件的控制规律,导通顺序 六个阶段，依次相差60 任何时刻有三个开关管同时导通 各管导通180 ,（一） 1800导电型工作原理,2、各阶段等值电路及电压值,3、电压波形 相电压波形（六阶梯波） 线电压波形（矩形波）,电压型逆变器： 输出电压波形与负载性质（负载阻抗角）无关,4、感性负载电流 负载电流阻抗角小于60 （a）A相电压波形Uan （b）A相电流波形ia （c）T1的电流波形iT1 （d）D4的电流波形iD4 （e）直流输入电流id,负载电流阻抗角大于60 ,电压型逆变器： 输出电流波形与负载性质（负
6、载阻抗角）有关 直流侧电流是脉动电流,5、电压表达式 相电压表达式 线电压表达式,方波控制时： 输出电压中含有大量的谐波分量，特别是5、7、11、 13次等谐波,相电压有效值 线电压有效值,方波控制时： 交流输出电压与直流侧电压的关系固定，即方波 输出电压型逆变器本身不能调节输出电压。若想 调节逆变器输出电压，只有通过调节直流侧电压， 即通过PAM控制方式实现,120 导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形 线电压波形,180 导通方式和 120 导通方式的比较： 120 方式上下两管间有60 的间隙，对换流有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，则始终有一相断开，在换流时会引起较高的感应
7、势，而180 方式无论在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，故180 方式应用较为普遍,感性负载情况 负载电流滞后角小于60 （a）A相电压波形 （b）A相电流波形 （c）T1的电流波形 （d）D4的电流波形 （e）直流输入电流,负载电流滞后角大于60 ,感性负载下逆变器中可能有三种电流： 功率电流 它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载 环路电流 它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源 反馈电流 它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去,（三）电压型逆变器有功功率的反馈,电动机负载工作在发电机状态时，其发出的电能通过逆变器电
8、路中的反馈二极管D1D6回馈到直流侧，使直流侧电压Ud升高 为限制Ud ，必需将回馈的电能消耗掉或回馈到电网，具体方案有： 通过制动单元消耗掉 通过有源逆变桥回馈到电网（见再生方案1） 通过脉冲整流器回馈到电网（见再生方案2）,再生方案1 系统可四象限运行 功率因数低 谐波电流大 主电路复杂,通过有源逆变器将再生能量反馈给电网,逆变器/电机系统的再生方案一,再生方案2 系统可四象限运行 功率因数高（接近于1） 谐波电流小 控制较复杂,通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网,逆变器/电机系统的再生方案二,二、三相电流型逆变器工作原理,1、电路结构：,电流型逆变器： 感性负载时，输出侧要接电容以吸收换
9、流时负载电感中存的能量 桥臂必须是“逆阻型”桥臂,另外一种电路形式,优点： 由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型 逆变器小得多 电路对晶闸管关断时间（即晶闸管的快速性） 的要求比电压型逆变器的要求低，电路相对电 压型也比较简单，造价略低,2、工作原理及主要波形（以1200导电方式为例） 功率器件的控制规律,线电流波形 负载型连接时的相电流波形,电流型逆变器 输出电流波形与负载性质（负载阻抗角）无关,电流型三相逆变电路 1200导电的相电流、线电流波形,负载 型连接时：,方波控制时： 输出电流中含大量谐波分量，特别是5、7、11、13次等谐波 交流输出电流与直流侧电流的关系固定，即方波输出电
10、流型逆 变器本身不能调节输出电流。若想调节逆变器输出电流，则只 有通过调节直流侧电流，即通过PAM控制方式实现,线电流表达式,相电流表达式,理想情况下，相电流中： 基波电流的幅值为 基波电流有效值为 相电流的有效值为,3、电流型逆变器有功功率的反馈 ： 再生方案1 将交流电源端的相控整流器控制角后移到90， 使整流器成为有源逆变器，工作在再生状态,再生方案2 通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网,4、特点： 由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型 逆变器小得多。电路对功率器件关断时间（即 功率器件快速性）的要求比电压型逆变器的要 求低 不需要增设反并联的再生变流装置 电感重量、体积都很大 ，实
11、际使用不如电压型逆变器广泛,小 结,电压型逆变器与电流型逆变器特点比较： 直流侧电路 桥臂 桥臂控制 交流输出电路 交流输出电压、电流与负载性质是否有关 有功功率反馈,6 . 4 PWM技术,方波控制逆变器的问题 本身不能调节输出量幅值 输出量中含有大量的5、7、11、13次谐波 解决方法 采用PWM控制技术 本课程主要讨论电压型PWM逆变器控制方法,PWM控制的理论基础冲量等效原理,冲量指窄脉冲的面积,指环节的输出响应波形基本相同,方波窄脉冲 三角波窄脉冲 正弦半波窄脉冲 单位冲击函数,形状不同而冲量相同的各种窄脉冲：,一、正弦脉宽调制（SPWM）原理,1、目标函数正弦电压 使脉冲列电压的作
12、用效果尽量接近正弦波电压的作用效果 2、基本原理（说明SPWM波与正弦波如何等效问题）,根据冲量等效（面积等效）原理，用一组幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲列来代替正弦波 按同一比例改变各脉冲的宽度即可改变等效正弦波的幅值,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波？,SPWM波,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可,3、SPWM的控制方法（说明SPWM波实现方法问题） 离线计算法：根据输出正弦波的频率、幅值和 半个周期内的脉冲数计算PWM波各脉冲的宽 度和间隔 缺点：计算量大，繁琐 调制法：将目标函数（波形）作为调制信
13、号，通 过对载波的调制得到PWM波形 一般用等腰三角形波作为载波 根据输出电压波形的极性可分为单极性（或不对称） 调制和双极性（或对称）调制,正半周：T1导通，T4交替通断（当uruc时导通、 uruc时导通、 uruc时关断），T1、T4截止 逆变器输出电压也只有 一种极性，正半周为+Ud和零，负半周为-Ud和零,在半个周期内三角载波只有一种极性（调制波正、负半周分别为+、-）,单极性调制,双极性调制 在半个周期内三角载波有两种极性 同一桥臂上的两个管子处于互补工作状态 uruc时：T1 、T4导通，T2、T3截止，uo=UD uruc时： T2 、T3导通，T1、T4截止， uo=-UD
14、逆变器输出电压也有两种极性，+Ud和-Ud,在双极性PWM控制方式中，同一桥臂的两个管子是互补工作的。为了防止桥臂直通短路，在给一个管子施加关断信号后，再延迟t时间（亦即通常所说的死区时间），才给另一个管子施加导通信号。延迟时间的长短主要由管子的关断时间决定。这个延迟时间将会给输出的PWM波形带来影响，使其偏离正弦波 与单极性调制相比，双极性调制可以使逆变器有较高的利用率（较大的输出电压） 在相同载波比的条件下，单极性调制比双极性调制有更好的谐波抑制效果。因为单极性调制时输出电压波形的变化幅度为Ud ，而双极性调制时输出电压波形的变化幅度为2Ud,三相逆变器一般采用双极性调制,三相电路中公用一
15、个三角波载波uc ，且取N为3的整数倍，使三相输出对称,为使正、负半周镜对称，N一般取奇数,A相控制原理：当urauc时，上桥臂T1导通，下桥臂T4关断，uao=Ud/2；当urauc时，T4导，T1关断，uao=-Ud/2 B相和C相的控制方式和A相相同 三相调制信号ura、urb和urc的相位依次相差120,二、SPWM波的基波电压,在电压型逆变器输出的SPWM电压波形中对负载有用的只是基波电压，谐波电压在负载上产生谐波电流，只会给负载带来负面影响，如产生谐波损耗、噪音、脉动转矩。因此基波电压越大越好 可以证明当n 较大时，SPWM电压波形的基波电压与调制信号ur的幅值近视成正比，因此调节
16、ur的幅值便可控制基波电压的幅值 调节ur的频率便可控制基波电压的频率,SPWM脉冲的一般表达式： 数学分析结论： （前提条件：n不太少，sin/2n /2n，sini/2 i/2） 结论一：输出基波电压幅值U1m与脉宽i有关，调节调制信号的幅值可以改变各脉冲的宽度，实现对逆变器输出电压基波的平滑调节,结论二：脉冲宽度与该处正弦值近似成正比。输出的SPWM波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形 U1m = Um 结论三：SPWM逆变器输出的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波,由整个推导过程得 结论四：分频比N越大，输出波形越接近正弦,三、对脉宽调制的制约条件,1、定义载波频率fc与调制波频率fr之比为载波比N，定义调制波与载波的幅值之比为调制比M,2、对脉宽调制的制约条件 （1）器件开关频率对N的限制：为了使逆变器的输出波形尽量接近正弦波，应尽可能增大N ，但N必须满足下列条
