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1、第4章 逆变电路,熟悉逆变电路的电路结构、分类及主要性能指标 掌握基本方波逆变电路及其特点 了解多重化逆变电路和多电平逆变电路 掌握逆变电路的脉冲宽度调制（PWM）控制技术 熟悉PWM整流电路,学习指导,第4章 逆变电路,4.1 逆变电路综述 4.2 方波逆变电路 4.3 多重逆变电路和多电平逆变电路 4.4 逆变电路的脉宽调制控制技术PWM控制技术 4.5 PWM跟踪控制技术 4.6 空间电压矢量PWM(SVPWM)控制技术 4.7 PWM整流电路,4.1逆变电路综述,4.1.1逆变电路概念 4.1.2逆变原理 4.1.3晶闸管电路换流方式 4.1.4逆变电路分类 4.1.5逆变器性能指标,
2、4.1.1逆变电路概念,把直流电能转换成负载所需要的固定频率和电压或可调频率和可调电压的变流方式称为逆变。 逆变电路是一种既能调压又能变频且应用十分广泛的变换电路。逆变电路既可以作为一个独立的装置使用，也可以作为一个复杂的变流装置的一部分应用于所需要的场合。 逆变电路由逆变主电路及相应控制电路所组成。实际应用中，习惯上把逆变主电路称为逆变电路，它由电力电子开关器件及其辅助电器元件（L、C）所组成，逆变电路的输入（直流侧）是直流电，输出（交流侧）是交流电。,4.1.1逆变电路概念,有源逆变是把交流侧接到交流电源上，即把直流电逆变成同频率的交流电送到电网上 把逆变电路的交流侧直接和负载（电机、电炉
3、或其它用电器）相连，即把直流电逆变成某一频率的交流电供给负载，则称为无源逆变。在不加说明时，逆变电路多指无源逆变电路。,4.1.2逆变原理,以图4-1a的单相桥式逆变电路为例说明逆变原理。S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负，其波形如图4-1(b)所示。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。这就是逆变电路最基本的工作原理。,图4- 1逆变电路及其波形举例,4.1.2逆变原理,电阻负载时，负载电流io和uo波形相同。阻感负载时，io
4、的基波相位滞后于uo的基波，两者波形也不同。,图4- 1逆变电路及其波形举例,图4-1(b)给出的就是阻感负载时io的波形。 t1时刻以前S1、S4导通，uo和io均为正。 在t2时刻断开S1、S4，同时合上S2、S3，则uo的极性立刻变为负，但是因为负载中有电感，其电流方向不能立刻改变为维持原方向。这时负载电流从直流电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，到t2时刻降为零,之后io才反向并逐渐增大。S2、S3断开，S1、S4闭合时的情况类似。,4.1.2逆变原理,若为阻感性负载，换流时必须为电感电流提供续流路径；逆变电路输出电压的极性只
5、取决于主电路开关的状态，而与负载电流的性质无关，根据开关的状态就可以直接确定电压型逆变电路的输出电压波形。如果S1S4由实际的电力电子开关器件所组成，且辅助元件（R、L、C）也是非理想的，则逆变过程要复杂得多。,图4- 1逆变电路及其波形举例,4.1.2逆变原理,逆变电路换流过程中，有的支路要从通态转移到断态，有的支路要从断态转移到通态。 从断态向通态转移时，无论支路是由全控型还是半控型电力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其开通。 但从通态向断态转移的情况就不同。全控型器件可以通过对门极的控制使其关断，而对于半控型器件的晶闸管来说，就不能通过对门极的控制使其关断，必须利用外部条
6、件或采取措施才能使其关断，所以关断晶闸管需要设置强迫换流电路。这种情况增加了逆变电路的复杂，降低了可靠性，也限制了开关频率。 如今，绝大多数逆变电路都采用全控型电力半导体开关器件。中、大功率逆变电路多用IGBT、IGCT，小功率逆变电路多用功率MOSFET。,4.1.3晶闸管电路换流方式,电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）。对于可控整流电路，无论其工作在整流状态还是有源逆变状态，都是借助与电网电压实现换流的，都属于电网换流。 负载换流 由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）。凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可以实现
7、负载换流。当负载为电容性负载时，即可实现负载换流。另外，当负载为同步电机时，由于可以控制励磁电流使负载呈现为容性，因而也可以实现负载换流。 强迫换流 强迫换流需要设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的方式称为强迫换流(Forced Commutation)。强迫换流可使输出频率不受电源频率的限制，但需附加换流电路，同时还要增加晶闸管的电压、电流定额，对晶闸管的动态特性要求也高。,4.1.3晶闸管电路换流方式,上述换流方式中，强迫换流是因为变换电路自身的原因而实现换流的，属于自换流；电网换流和负载换流不是依靠变换器自身因素，而是借助于外部手段(电网电压或负载电压)来实现
8、换流的，它们属于外部换流。采用自换流方式的逆变电路称为自换流逆变电路，采用外部换流方式的逆变电路称为外部换流逆变电路。 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。,4.1.4逆变电路分类,依据直流侧直流电源的性质 逆变电路分为电压源型逆变电路(Voltage Source Inverter， VSI)和电流源型逆变电路( Current Source Inverter， CSI)。,图4- 2电压源型逆变电路,输入(直流侧)为恒压源的逆变电路称为电压源型逆变电路(VSI)，通常简称为电压型逆变电路，其电路特征是在直流侧并联有大电容，如图4-2所示。 电压
9、型逆变电路是目前应用最广泛的一种逆变电路。电压型逆变电路有以下主要特点： 逆变电路输入(直流侧)为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻扰。 由于电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波。 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。,4.1.4逆变电路分类,输入(直流侧)为恒流源的逆变电路称为电流源型逆变电路(CSI)，通常简称为电流型逆变电路，其电路特征是在直流侧串联有大电感，如图4-3所示。 电流型逆变电路主要特点如下： 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，直流回路呈现高阻扰。 电路中开关器件的作用仅
10、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。,图4- 3 电流型逆变电路,4.1.4逆变电路分类,依据输出交流电压的性质 逆变电路可分为恒频恒压正弦波逆变电路、方波逆变电路、变频变压逆变电路和高频脉冲电压(电流)型逆变电路。 依据逆变电路主电路(逆变电路)结构 逆变电路可分为单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变电路。 依据开关器件及其关断(换流)方式的不同 逆变电路可分为采用全控型开关的自关断换流逆变电路和采用晶闸管半控型开关的强迫
11、关断晶闸管逆变电路两类。晶闸管逆变电路也可利用负载侧交流电源电压换流(又被称为有源逆变电路)、负载反电动势换流或负载谐振换流。,4.1.5逆变器性能指标,主要性能指标 由于逆变器的输出波形除了含有基波分量外，还含有谐波分量，因此必须引人相关输出的性能指标来进行量化评价。 谐波系数HF(Hannonic Factor) 为了表征一个实际波形中第n次谐波与基波相比的相对值，引人谐波系数HF。 第n次谐波系数HFn定义为第n次谐波分量有效值Un与基波分量有效值U1之比，即,(4-1),4.1.5逆变器性能指标,总谐波畸变系数THD (Total Hannonic Distortion Factor)
12、 为了表征一个实际波形与基波分量的接近程度，引人总谐注畸变系数THD。 总谐波畸变系数THD定义为各次谐波分量有效值Un(n=2，3，)二次方主和的开方与基波分量有效值U1之比，即 显然，对于理想正弦波而言，其THD为零。,(4-2),4.1.5逆变器性能指标,畸变系数DF (Distortion Factor) 为了表征一个实际波形中每一次谐波分量对波形畸变的影响程度，引人畸变系数DF。 显然，若要考察第n次谐波对波形畸变的影响程度可定义第n次谐波的畸变系数DFn为 最低次谐波LOH(Lowest Order Hannonic) 定义为与基波频率最接近的谐波。,(4-3),(4-4),4.1
13、.5逆变器性能指标,其它性能指标 除了上述输出波形的性能指标外，逆变器还包括以下主要性能指标： 额定容量 逆变效率 输出频率精度。 功率密度 输出直流分量 过载能力 短路能力,4.2方波逆变电路,输出电压波形为方波(矩形波)或输出电流波形为方波(矩形波)的逆变电路称为方波逆变电路，本章之所以要介绍方波逆变电路是考虑到技术发展的连续性和为了对前期的逆变电路有一定的了解，从而可知采用PWM逆变电路的必然性和重要性。,4.2方波逆变电路,4.2.1电压型单相方波逆变电路 4.2.2电压型三相桥式方波逆变电路 4.2.3电流型单相桥式方波逆变电路 4.2.4电流型三相桥式方波逆变电路 4.2.5方波逆
14、变电路存在的问题,4.2.1电压型单相方波逆变电路,半桥逆变电路 半桥逆变电路原理如图4-4(a)所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点便成为直流电源的中点。负载连接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。,图4- 4(a)单相半桥电压型逆变电路,4.2.1电压型单相方波逆变电路,当负载为感性时，其工作波形如图4-4(b)所示。 设t2时刻以前VT1为通态，VT2为断态。 t2时刻给VT1关断信号，给VT2开通信号，则VTl关断，但感性负载中的电流io不能立即改变方向，于是VD2导通续流。 当t3时刻io将为零时，
15、VD2截止，VT2开通，io开始反向。 同样，在t4时刻给VT2关断信号，给VT1开通信号后，VT2关断，VD1先导通续流，t5时刻VT1才开通。 可见输出电压uo为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。输出电流io波形随负载情况而异。 设开关器件VT1和VT2的栅极信号在一个周期内期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。,图4- 4(b)单相半桥电压型 逆变电路工作波形,4.2.1电压型单相方波逆变电路,当VT1或VT2为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当VD1或VD2为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧。
16、反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用，因为二极管VD1、VD2是负载向直流侧反馈能量的通道，故称为反馈二极管；又因为VD1、VD2起着使负载电流连续的作用，因此又称为续流二极管。 优点：简单，使用器件少。 缺点：输出交流电压的幅值Um仅为Ud/2，且直流侧需要并联两个电容器，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。 因此，半桥电路常用于几kW以下的小功率逆变电路。,图4- 4单相半桥电压型 逆变电路及其工作波形,4.2.1电压型单相方波逆变电路,全桥逆变电路 全控型开关器件VT1、VT4同时通、断；VT2、VT3同时通、断。VT1(VT4)与VT2(VT3)的驱动信号互补，即VTl、VT4有驱动信号时，VT2、VT3无驱动信号，反之亦然。 其输出电压uo的波形和半桥电路波形uo形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，Um=Ud，在直流电压和负载都相同的情况下，其输出电流io的波形也和半桥电路波形io相同，仅幅值增加一倍。 VD1、VT1、VD2、VT2的相继导通的区间，分别对应图4-5中VD1和VD4、VT1和V4、VD2
