無源逆變電路

1、第第4 4章章: : 無源逆變電路無源逆變電路 4.1 4.1 逆變器的性能指標與分類逆變器的性能指標與分類 4.2 4.2 逆變電路的工作原理逆變電路的工作原理 4.3 4.3 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 4.4 4.4 電流型逆變電路電流型逆變電路 4.5 4.5 逆變器的逆變器的SPWMSPWM控制技術控制技術 4.6 4.6 負載換流式逆變電路負載換流式逆變電路 逆變器的性能指標與分類逆變器的性能指標與分類 4.11 1）定義：）定義：如果將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直如果將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去，流電逆變成同頻率的交流電反送

2、到電網(wǎng)去，2 2）應用：）應用：它用于直流電機的可逆調(diào)速、繞線型異步電機的它用于直流電機的可逆調(diào)速、繞線型異步電機的串級調(diào)速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。串級調(diào)速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。l1 1）定義：）定義：逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而是直接接到逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而是直接接到l負載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交負載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交l流電供給負載，流電供給負載，l2 2）應用：）應用：它在交流電機變頻調(diào)速、感應加熱、不停電電源它在交流電機變頻調(diào)速、感應加熱、不停電電源l等方面應用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術的重要內(nèi)容。等方面應用十分廣

3、泛，是構(gòu)成電力電子技術的重要內(nèi)容。 1 1、有源逆變、有源逆變: :2 2、無源逆變：、無源逆變：逆變器的性能指標逆變器的性能指標 （1 1）諧波系數(shù)）諧波系數(shù)HFHF（Harmonic FactorHarmonic Factor） 諧波系數(shù)諧波系數(shù)HFHF定義為諧波分量有效值同基波分量有致定義為諧波分量有效值同基波分量有致值之比，即值之比，即 式中式中n=1n=1、2 2、3 3，表示諧波次數(shù)，表示諧波次數(shù)，n=1n=1時為基波。時為基波。(4.1.1)(4.1.1)1UUHFn （2 2）總諧波系數(shù)）總諧波系數(shù)THDTHD（Total Harmonic Total Harmonic Dis

4、trotionDistrotion） 4 . 3,2211nnUUTHD(4.1.2)(4.1.2)（5 5）電磁干擾（）電磁干擾（EMIEMI）和電磁兼容性（）和電磁兼容性（EMCEMC）（3 3）逆變效率）逆變效率 （4 4）單位重量的輸出功率）單位重量的輸出功率: :衡量逆變器輸出功率密度的指標。衡量逆變器輸出功率密度的指標。 總諧波系數(shù)表征了一個實際波形同其基波的接近程度?？傊C波系數(shù)表征了一個實際波形同其基波的接近程度。THDTHD定義為定義為逆變電路的分類逆變電路的分類 電壓型：電壓型：電壓型逆變器的輸人端并接有大電容，輸入電壓型逆變器的輸人端并接有大電容，輸入直流電源為恒壓源，逆變

5、器將直流電壓變換成交流電壓。直流電源為恒壓源，逆變器將直流電壓變換成交流電壓。 電流型：電流型：電流型逆變器的輸入端串接有大電感，輸入電流型逆變器的輸入端串接有大電感，輸入直流電源為恒流源，逆變器將輸入的直流電流變換為交直流電源為恒流源，逆變器將輸入的直流電流變換為交流電流輸出。流電流輸出。4.1.2（1 1）、根據(jù)輸入直流電源特點分類）、根據(jù)輸入直流電源特點分類 半橋式逆變電路；半橋式逆變電路； 全橋式逆變電路；全橋式逆變電路； 推換式逆變電路；推換式逆變電路； 其他形式：如單管晶體管逆變電路。其他形式：如單管晶體管逆變電路。（2 2）、根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點分類）、根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點分類 負載

6、換流型逆變電路；負載換流型逆變電路； 脈沖換流型逆變電路；脈沖換流型逆變電路； 自換流型逆變電路。自換流型逆變電路。逆變電路的分類逆變電路的分類4.1.2（3 3）、根據(jù)換流方式分類）、根據(jù)換流方式分類（4 4）、根據(jù)負載特點分類）、根據(jù)負載特點分類 非諧振式逆變電路非諧振式逆變電路 諧振式逆變電路諧振式逆變電路逆變電路用途逆變電路用途 1 1、可以做成變頻變壓電源（、可以做成變頻變壓電源（VVVFVVVF），主要用于交），主要用于交流電動機調(diào)速。流電動機調(diào)速。4.1.3 2 2、可以做成恒頻恒壓電源（、可以做成恒頻恒壓電源（CVCFCVCF），其典型代表為），其典型代表為不間斷電源（不間斷電

7、源（UPSUPS）、航空機載電源、機車照明，通信等）、航空機載電源、機車照明，通信等輔助電源也要用輔助電源也要用CVCFCVCF電源。電源。 3 3、可以做成感應加熱電源，例如中頻電源，、可以做成感應加熱電源，例如中頻電源，高頻電源等。高頻電源等。逆變器的用途十分廣泛：逆變器的用途十分廣泛：第第4 4章章: : 無源逆變電路無源逆變電路 4.1 4.1 逆變器的性能指標與分類逆變器的性能指標與分類 4.2 4.2 逆變電路的工作原理逆變電路的工作原理 4.3 4.3 電壓型逆變電路電壓型逆變電路4.4 4.4 電流型逆變電路電流型逆變電路 4.5 4.5 逆變器的逆變器的SPWMSPWM控制技

8、術控制技術4.6 4.6 負載換流式逆變電路負載換流式逆變電路 逆變電路的工作原理逆變電路的工作原理 Ud為輸入直流電壓，為輸入直流電壓，R為逆變器的為逆變器的輸出負載。輸出負載。 當開關當開關T1、T4閉合，閉合，T2、T3斷開時，斷開時，逆變器輸出電壓逆變器輸出電壓u0=Ud； 當開關當開關T1、T4斷開，斷開，T2、T3閉合時，閉合時，輸出電壓輸出電壓 u0=Ud ; 當以頻率當以頻率fS交替切換開關交替切換開關T1、T4和和T2、T3時，則在電阻時，則在電阻R上獲得如圖上獲得如圖4.2.4(b)所示的交變電壓波形，其周所示的交變電壓波形，其周期期Ts=1/fS，這樣，就將直流電壓這樣，

9、就將直流電壓E變變成了交流電壓成了交流電壓uo。uo含有各次諧波，含有各次諧波，如果想得到正弦波電壓，則可通過濾如果想得到正弦波電壓，則可通過濾波器濾波獲得。波器濾波獲得。圖圖4.2.1 單相橋式逆變單相橋式逆變 電路工作原理電路工作原理 4.2.21、主要功能、主要功能: 圖圖4.2.1(a)中主電路開關中主電路開關T1T4，它實際是各種半導體開關器件的它實際是各種半導體開關器件的一種理想模型。逆變電路中常用的開關器件有一種理想模型。逆變電路中常用的開關器件有快速晶閘管快速晶閘管、可關可關斷晶閘管（斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（功率晶體管（GTR）、功率場效應晶體管功率場效應晶體管（MOS

10、FET）、絕緣柵晶體管（絕緣柵晶體管（IGBT）。）。將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負載。將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負載。2、工作原理、工作原理：第第4 4章章: : 無源逆變電路無源逆變電路 4.1 4.1 逆變器的性能指標與分類逆變器的性能指標與分類 4.2 4.2 逆變電路的工作原理逆變電路的工作原理 4.3 4.3 電壓型逆變電路電壓型逆變電路4.4 4.4 電流型逆變電路電流型逆變電路 4.5 4.5 逆變器的逆變器的SPWMSPWM控制技術控制技術4.6 4.6 負載換流式逆變電路負載換流式逆變電路 電壓型單相半橋逆變電路電壓型單相半橋逆變電路 它由

11、兩個導電臂構(gòu)成，每它由兩個導電臂構(gòu)成，每個導電臂由一個全控器件和個導電臂由一個全控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。在一個反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容足夠大的電容C1和和C2，且滿且滿足足C1=C2。設感性負載連接設感性負載連接在在A、0兩點間。兩點間。 T1和和T2之間存在死區(qū)時間，之間存在死區(qū)時間，以避免上、下直通，在死區(qū)以避免上、下直通，在死區(qū)時間內(nèi)兩晶閘管均無驅(qū)動信時間內(nèi)兩晶閘管均無驅(qū)動信號。號。圖圖4.3.1 電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形 4.3.1電壓型逆變電路電壓型逆變電路半橋逆變半橋逆變電路結(jié)

12、構(gòu)及波形：電路結(jié)構(gòu)及波形： 輸出輸出電壓有效值電壓有效值為為: 由傅里葉分析，輸出由傅里葉分析，輸出電壓瞬電壓瞬時值時值為為: 其中，其中， 為輸出電壓角頻率。為輸出電壓角頻率。 當當 n=1時其時其基波分量的有效基波分量的有效值值為為: 4.3.122122/0dTdSOUdtUTUS tnnUundo sin2, 5 , 3, 1 ddOUUU45. 0221(4.3.1)(4.3.2)(4.3.3)sf 2 圖圖4.3.1 電壓型半橋逆變電路電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形及其電壓電流波形 在一個周期內(nèi)，電力晶體管在一個周期內(nèi)，電力晶體管T1和和T2的基極的基極信號各有半周正偏，半周反

13、偏，且互補。信號各有半周正偏，半周反偏，且互補。 若負載為阻感負載，設若負載為阻感負載，設t2時刻以前，時刻以前，T1有驅(qū)有驅(qū)動信號導通，動信號導通，T2截止，則截止，則 u0=Ud/2。 t2時刻關斷的時刻關斷的T1，同時給同時給T2發(fā)出導通信號。發(fā)出導通信號。由于感性負載中的電流由于感性負載中的電流i。不能立即改變方向，不能立即改變方向，于是于是D2導通續(xù)流，導通續(xù)流，u0=Ud /2 。 t3時刻時刻i。降至零，降至零，D2截止，截止，T2導通，導通，i。開開始反向增大，此時仍然有始反向增大，此時仍然有u0=Ud /2 。 在在t4時刻關斷時刻關斷T2，同時給同時給T1發(fā)出導通信號，發(fā)出

14、導通信號，由于感性負載中的電流由于感性負載中的電流i。不能立即改變方向，不能立即改變方向，D1先導通續(xù)流，此時仍然有先導通續(xù)流，此時仍然有u0=Ud /2 ； t5時刻時刻 i。降至零，降至零， T1導通，導通，u0=Ud /2 ； 圖圖4.3.1 電壓型半橋逆變電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形電路及其電壓電流波形 4.3.11 1、電壓型逆變電路、電壓型逆變電路半橋逆變電路半橋逆變電路工作原理：工作原理：電壓型單相半橋逆變電路電壓型單相半橋逆變電路 緩緩沖沖電電感感反反饋饋的的無無功功能能量量電壓型單相半橋逆變電路電壓型單相半橋逆變電路缺點：缺點：4.3.11）交流電壓幅值僅為）交流電壓幅

15、值僅為Ud/2；2）直流側(cè)需分壓電容器；）直流側(cè)需分壓電容器；3 3）為了使負載電壓接近正弦波通常在輸出端要）為了使負載電壓接近正弦波通常在輸出端要接接LC濾波器，輸出濾波器濾波器，輸出濾波器LC濾除逆變器輸濾除逆變器輸出電壓中的高次諧波。出電壓中的高次諧波。 l優(yōu)點：優(yōu)點： 簡單，使用器件少；簡單，使用器件少；應用：應用：用于幾用于幾kW以下的小功率逆變電源；以下的小功率逆變電源；電壓型單相全橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路 全控型開關器件全控型開關器件T1和和T4構(gòu)構(gòu)成一對橋臂，成一對橋臂，T2和和T3構(gòu)成一對構(gòu)成一對橋臂橋臂, T1和和T4同時通、斷；同時通、斷；T2和和T3同時通、斷。

16、同時通、斷。T1(T)4與與T2(T3)的驅(qū)動信號互補，即的驅(qū)動信號互補，即T1和和T4有有驅(qū)動信號時，驅(qū)動信號時，T2和和T3無驅(qū)動信無驅(qū)動信號，反之亦然，兩對橋臂各交號，反之亦然，兩對橋臂各交替導通替導通180。圖圖4.3.2 電壓型單相全橋逆變電壓型單相全橋逆變 電路和電壓、電流波形圖電路和電壓、電流波形圖 4.3.21、電路工作過程：、電路工作過程：電壓型單相全橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路 輸出方波電壓瞬時值：輸出方波電壓瞬時值： 輸出方波電壓有效值：輸出方波電壓有效值： 基波分量的有效值：基波分量的有效值：圖圖4.3.2 電壓型單相全橋逆變電壓型單相全橋逆變 電路和電壓、電流波形

17、圖電路和電壓、電流波形圖 4.3.2(4.3.6)ddOUUU9 . 0241 dTdsOUdtUTUs 22/01tnnUundo sin4, 5 , 3, 1 (4.3.4)(4.3.5) 同單相半橋逆變電路相比，在相同負同單相半橋逆變電路相比，在相同負載的情況下，其輸出電壓和輸出電流的幅載的情況下，其輸出電壓和輸出電流的幅值為單相半橋逆變電路的兩倍。值為單相半橋逆變電路的兩倍。1 1）純電阻負載時）純電阻負載時電壓型單相全橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路 0tTs4，T Ts s2t3T2t3Ts s4 4期間，期間，D1、D4導通起負載電流續(xù)導通起負載電流續(xù)流作用，在此期間流作用，在此

18、期間T T1 1 T T4 4均不導通。均不導通。圖圖4.3.2 電壓型單相全橋逆變電壓型單相全橋逆變 電路和電壓、電流波形圖電路和電壓、電流波形圖 4.3.22 2）電感負載時）電感負載時22somodTILdtdiLU dsomULTI4 由由可得負載電流峰值為：可得負載電流峰值為：(4.3.7) 電壓型單相全橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路 0t期間，期間，T1和和T4有驅(qū)動信號，有驅(qū)動信號，由于電流由于電流i0為負值，為負值，T1和和T4不導通，不導通，D1、D4導通起負載電流續(xù)流作用，導通起負載電流續(xù)流作用， u0=+Ud。 t期間，期間， i0為正值，為正值，T1和和T4才導通。才

19、導通。 t+期間，期間，T2和和T3有驅(qū)動有驅(qū)動信號，由于電流信號，由于電流i0為負值，為負值，T2、T3不導不導通，通，D2、D3導通起負載電流續(xù)流作用，導通起負載電流續(xù)流作用， u0=Ud 。 +t2期間，期間，T2和和T3才導通。才導通。4.3.23 3）阻感負載）阻感負載RLRL時時圖圖4.3.2 電壓型單相全橋逆變電壓型單相全橋逆變 電路和電壓、電流波形圖電路和電壓、電流波形圖 圖圖4.3.2(e)所示是所示是RL負載時直流電源輸負載時直流電源輸入電流的波形。圖入電流的波形。圖4.3.2(f)所示是所示是RL負載時負載時直流電源輸入電流的波形。直流電源輸入電流的波形。電壓型三相橋式逆

20、變電路電壓型三相橋式逆變電路 電壓型三相橋式逆變電路的基電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式為本工作方式為180180導電型，即每個導電型，即每個橋臂的導電角為橋臂的導電角為180180，同一相上下，同一相上下橋臂交替導電的縱向換流方式，各橋臂交替導電的縱向換流方式，各相開始導電的時間依次相差相開始導電的時間依次相差120120。 在一個周期內(nèi)，在一個周期內(nèi)，6 6個開關管觸個開關管觸發(fā)導通的次序為發(fā)導通的次序為T T1 1TT2 2 T T3 3 T T4 4 TT5 5TT6 6 ，依次相隔依次相隔6060，任一時，任一時刻均有三個管子同時導通，導通的刻均有三個管子同時導通，導通的組合順序

21、為組合順序為T T1 1T T2 2T T3 3，T T2 2T T3 3T T4 4，T T3 3T T4 4T T5 5，T T4 4T T5 5T T6 6，T T5 5T T6 6T T1 1，T T6 6T T1 1T T2 2，每種組合工每種組合工作作6060。圖圖4.3.3 電壓型三相橋式逆變電路電壓型三相橋式逆變電路 4.3.31 1、工作過程：、工作過程：電壓型三相橋式逆變電路電壓型三相橋式逆變電路 將一個工作周期分成將一個工作周期分成6個區(qū)域。個區(qū)域。 在在00, ug20, ug30，則有則有T1，T2，T3導通，導通，dcadbcabUuUuu0dcNdbNdaNUuU

22、uUu3231314.3.3 2 2、各相負載相電壓和線電壓波形：、各相負載相電壓和線電壓波形：根據(jù)同樣的思路可得其余根據(jù)同樣的思路可得其余5個時域的值個時域的值線線電電壓壓相相電電壓壓圖圖4.3.4 4.3.4 電壓型三相橋式逆變電路及其工作波形電壓型三相橋式逆變電路及其工作波形式中式中Ud為逆變器輸入直流電壓。為逆變器輸入直流電壓。電壓型三相橋式逆變電路電壓型三相橋式逆變電路 4.3.3 3 3、負載相電壓和線電壓幅值分析：、負載相電壓和線電壓幅值分析：利用博里葉分析，其利用博里葉分析，其相電壓的瞬時值相電壓的瞬時值為：為： tttttUudBN 13sin13111sin1117sin7

23、15sin51sin2 dmBNUU21 相電壓基波幅值相電壓基波幅值 (4.3.8)(4.3.9)由上式可知，負載相電壓中無由上式可知，負載相電壓中無3次諧波，只含更高階奇次諧波，次諧波，只含更高階奇次諧波，n次諧波次諧波幅值為基波幅值的幅值為基波幅值的1/n。其其線電壓的瞬時值線電壓的瞬時值為：為： tttttUudBC 13sin13111sin1117sin715sin51sin32線電壓基波幅值線電壓基波幅值 dmBCUU21 (4.3.11)(4.3.10)由上式可知，負載由上式可知，負載線線電壓中無電壓中無3次諧波，只含更高階奇次諧波，次諧波，只含更高階奇次諧波，n次諧波次諧波幅

24、值為基波幅值的幅值為基波幅值的1/n。電壓型三相橋式逆變電路電壓型三相橋式逆變電路4.3.3表表4.3.1三相橋式逆變電路的工作狀態(tài)表三相橋式逆變電路的工作狀態(tài)表第第4 4章章: : 無源逆變電路無源逆變電路 4.1 4.1 逆變器的性能指標與分類逆變器的性能指標與分類 4.2 4.2 逆變電路的工作原理逆變電路的工作原理 4.3 4.3 電壓型逆變電路電壓型逆變電路4.4 4.4 電流型逆變電路電流型逆變電路 4.5 4.5 逆變器的逆變器的SPWMSPWM控制技術控制技術4.6 4.6 負載換流式逆變電路負載換流式逆變電路 電流型單相橋式逆變電路電流型單相橋式逆變電路 當當T1、T4導通，

25、導通，T2、T3關斷關斷時，時，I0=Id ；反之，反之，I0=-Id 。 當以頻率當以頻率f交替切換開關管交替切換開關管T1、T4和和T2、T3時，則在負載上獲時，則在負載上獲得如圖得如圖 4.4.1（b）所示的電流所示的電流波形。波形。 輸出電流波形為矩形波，與輸出電流波形為矩形波，與電路負載性質(zhì)無關，而輸出電電路負載性質(zhì)無關，而輸出電壓波形由負載性質(zhì)決定。壓波形由負載性質(zhì)決定。 主電路開關管采用自關斷器主電路開關管采用自關斷器件時，如果其反向不能承受高件時，如果其反向不能承受高電壓，則需在各開關器件支路電壓，則需在各開關器件支路串入二極管串入二極管。圖圖4.4.1 電流型單相橋式電流型單

26、相橋式 逆變電路及電流波形逆變電路及電流波形 4.4.11、電路工作過程：、電路工作過程：防反相高壓防反相高壓恒流大電感恒流大電感其中基波幅值其中基波幅值I01m和基波有效值和基波有效值I01分別為分別為 (4.4.1) (4.4.2) (4.4.3) 4.4.1電流型單相橋式逆變電路電流型單相橋式逆變電路)5sin513sin31(sin4 tttIido ddmIII27. 1401 ddIII9 . 02401 將圖將圖4.4.1（b）所示的電流波形所示的電流波形i0展開成傅氏級數(shù)展開成傅氏級數(shù),有有2、電流波形參數(shù)計算：、電流波形參數(shù)計算： 圖圖4.4.1 電流型單相橋式電流型單相橋式

27、 逆變電路及電流波形逆變電路及電流波形 電流型三相橋式逆變電路電流型三相橋式逆變電路 導電方式導電方式為為120導通、橫向換流方式，導通、橫向換流方式，任意瞬間只有兩個橋臂導通。任意瞬間只有兩個橋臂導通。 導通順序?qū)樞驗闉?T2T3T4T5T6，依依次間隔次間隔60，每個橋臂導通，每個橋臂導通120。這。這樣，每個時刻上橋臂組和下橋臂組中都樣，每個時刻上橋臂組和下橋臂組中都各有一個臂導通。各有一個臂導通。 輸出電流波形輸出電流波形與負載性質(zhì)無關。與負載性質(zhì)無關。 輸出電壓波形輸出電壓波形由負載的性質(zhì)決定。由負載的性質(zhì)決定。圖圖4.4.3 電流型三相橋式逆變電流型三相橋式逆變電路原理圖及輸出

28、電流波形電路原理圖及輸出電流波形 (4.4.4) 4.4.21、工作方式、工作方式: 輸出電流的基波有效值輸出電流的基波有效值I01和直和直流電流流電流Id的關系式為：的關系式為： ddIII78. 0601 第第4 4章章: : 無源逆變電路無源逆變電路 4.1 4.1 逆變器的性能指標與分類逆變器的性能指標與分類 4.2 4.2 逆變電路的工作原理逆變電路的工作原理 4.3 4.3 電壓型逆變電路電壓型逆變電路4.4 4.4 電流型逆變電路電流型逆變電路 4.5 4.5 逆變器的逆變器的SPWMSPWM控制技術控制技術4.6 4.6 負載換流式逆變電路負載換流式逆變電路 SPWM控制的基本

29、原理控制的基本原理 將一個正弦波半波電壓分成將一個正弦波半波電壓分成N等份，等份，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點與相應正弦等份的中點且矩形脈沖的中點與相應正弦等份的中點重合，得到如圖重合，得到如圖4.5.1（b）所示的脈沖列。所示的脈沖列。這就是這就是PWM波形。正弦波的另外一個半波形。正弦波的另外一個半波可以用相同的辦法來等效。波可以用相同的辦法來等效。 PWM被形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律被形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化，稱為變化，稱為SPWM（Sinusoidal Pulse Width