第八章 組合變流電路

第八章組合變流技術(shù)本章所要講述的內(nèi)容基本概念逆變器基本工作原理?yè)Q流方式電壓型逆變電路SPWM控制技術(shù)本章重點(diǎn)基本概念、換流方式、單相全橋電壓型無(wú)源逆變電路、三相電壓型逆變電路（180o導(dǎo)電方式）工作原理與波形分析第四章無(wú)源逆變電路第1頁(yè)逆變的概念

逆變——與整流相對(duì)應(yīng)，將直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。交流側(cè)接負(fù)載，為無(wú)源逆變。逆變與變頻變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。主要應(yīng)用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池向交流負(fù)載供電等。交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。4.1基本概念2變頻器從廣義角度講變頻器是一種變頻裝置或稱變頻電源，它能根據(jù)實(shí)際需要將輸入的交流電或直流電變換成頻率固定或頻率可調(diào)的交流電輸出給負(fù)載。最早的變頻裝置是旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組(電動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī))，其缺點(diǎn)是設(shè)備體積龐大，機(jī)組旋轉(zhuǎn)而噪聲大。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在則由基于電力電子技術(shù)的靜止變頻裝置所取代。如中頻電源、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源、電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源等。從狹義角度講，變頻器主要指滿足交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速要求的變頻驅(qū)動(dòng)電源（或稱交流調(diào)速控制設(shè)備）。

4.1基本概念3交直交變頻器（間接變頻器）圖4.1(P102，圖4.1)逆變4.1基本概念4交交變頻器（直接變頻器）電壓源型變頻器（直流側(cè)是電壓源）電流源型變頻器（直流側(cè)是電流源）可控整流逆變ACDC50HzAC可控整流逆變AC50HzDCAC圖4.2（圖2P102，圖4.1）4.1基本概念交交變頻54.2逆變器基本工作原理

逆變電路最基本的工作原理

——改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。改變輸入直流電平的大小可改變交流電的幅值。a)b)tuoiot1t2

圖4.3逆變電路及其工作波形（p103圖4.2）負(fù)載64.3換流方式開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使器件開通。關(guān)斷：全控型器件可通過(guò)門極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷。一般在晶閘管電流過(guò)零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。換流——電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱為換相。74.3換流方式總共有四種換流方式1.器件換流Devicecommutation

2.電網(wǎng)換流Linecommutation3.負(fù)載換流Loadcommutation4.強(qiáng)迫換流Forcedcommutation

84.3換流方式器件換流（DeviceCommutation）——利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。在采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。電網(wǎng)換流（LineCommutation）——電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無(wú)源逆變電路。負(fù)載換流（LoadCommutation）——由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流，即電容性負(fù)載都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）——設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流。9電壓型逆變電路的特點(diǎn)(1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)。(2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。4.4電壓型逆變電路圖4.7單相全橋電路（P105，圖4.6）(3)阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。104.4.1單相電壓型逆變電路全橋逆變電路共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通180°。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過(guò)改變直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)。b)a)圖4.8單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式（P107，圖4.8）11阻感負(fù)載時(shí)，可采用移相的方式來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓－移相調(diào)壓。V3的柵極信號(hào)比V1落后q

（0＜q

＜180°）。V3、V4的柵極信號(hào)分別比V2、V1的超前180o-q。輸出電壓是正負(fù)各為q的脈沖。改變q就可調(diào)節(jié)輸出電壓。4.4.1單相電壓型逆變電路tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo124.4.2

三相電壓型逆變電路圖4.10（P108，圖4.10）三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路13基本工作方式——180°導(dǎo)電方式每個(gè)橋臂導(dǎo)電180°，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度相差120°。任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流。4.4.2

三相電壓型逆變電路圖4.10（P108，圖4.10）144.4.2三相電壓型逆變電路圖4.11電壓型三相橋式逆變電路的工作波形(p109,圖4.11)15PWM

(PulseWidthModulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。PWM技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，目前應(yīng)用的逆變電路絕大部分都是PWM型逆變電路。PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。4.5SPWM控制技術(shù)（P118）164.5.1PWM控制的基本原理

理論基礎(chǔ)——采樣控制理論（面積等效原理）沖量（面積）相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同圖4.12形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖(p119,圖4.24)d)單位脈沖函數(shù)f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t)e）輸出波形174.5.1PWM控制的基本原理

用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（SinusoidalPWM）波形。要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)際應(yīng)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。

圖4.13（P119，圖4.25)184.5.2SPWM逆變電路及控制方法產(chǎn)生SPWM波形的常用方法——計(jì)算法、調(diào)制法和跟蹤控制法調(diào)制法:結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路進(jìn)行說(shuō)明,把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波。工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)。以u(píng)o正半周為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷。圖4.14單相橋式PWM逆變電路（p120,圖4.26）19負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，uo等于Ud

。V4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)V1和VD3續(xù)流，uo=0負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，V1和V4仍導(dǎo)通，io為負(fù)，實(shí)際上io從VD1和VD4流過(guò)，仍有uo=Ud

。4.5.2SPWM逆變電路及控制方法204.5.2SPWM逆變電路及控制方法V4關(guān)斷V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0。uo總可得到Ud和零兩種電平。uo負(fù)半周，讓V2保持通，V1保持?jǐn)?，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平。21

調(diào)制信號(hào)ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。4.5.2SPWM逆變電路及控制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量圖4.15單極性PWM控制方式波形（p121,圖4.27）單極性PWM控制方式22在ur的正半周，V1保持通態(tài)，V2保持?jǐn)鄳B(tài)，當(dāng)ur＞uc時(shí)，使V4導(dǎo)通，V3關(guān)斷，uo=Ud；當(dāng)ur＜uc時(shí)，使V4關(guān)斷，V3導(dǎo)通，uo=0。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量4.5.2SPWM逆變電路及控制方法23在ur的負(fù)半周，V1保持?jǐn)鄳B(tài)，V2保持通態(tài)，當(dāng)ur＜uc時(shí)，使V3導(dǎo)通，V4關(guān)斷，uo＝-Ud；當(dāng)ur＞uc時(shí)，使V3關(guān)斷，V4導(dǎo)通，uo=0。這樣，就得到了SPWM波形uo。4.5.2SPWM逆變電路及控制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量24雙極性PWM控制方式4.5.2SPWM逆變電路及控制方法圖4.16雙極性PWM控制方式波形（p121,圖4.27）urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù)，其幅值只有±Ud兩種電平。25同樣在調(diào)制信號(hào)ur和載波信號(hào)uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制器件的通斷。ur正負(fù)半周，對(duì)各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud4.5.2SPWM逆變電路及控制方法264.5.2SPWM逆變電路及控制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud當(dāng)ur

>uc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào)。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，uo=Ud

。當(dāng)ur<uc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào)。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud

。27三相SPWM逆變電路和PWM控制方式4.5.2SPWM逆變電路及控制方法圖4.17三相橋式PWM型逆變電路（p121，圖4.28）三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差120°28ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud圖4.19三相橋式PWM型逆變電路圖4.18三相橋式PWM逆變電路波形

以U相為例分析控制規(guī)律：當(dāng)urU>uc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，uUN’=Ud/2。當(dāng)urU<uc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，uUN’=-Ud/2。當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通。uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平。uUV波形可由uUN’-uVN’得出，當(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)3和4通時(shí)，uUV=－Ud，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0。4.5.2SPWM逆變電路及控制方法29輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成。防直通的死區(qū)時(shí)間同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來(lái)影響，使其稍稍偏離正弦波。ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud圖4.19三相橋式PWM型逆變電路

圖4.18三相橋式PWM逆變電路波形

4.5.2SPWM逆變電路及控制方法304.5.3SPWM調(diào)制方式及實(shí)現(xiàn)方法根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的。在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱。載波比載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，N=fc/fr1）異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式31當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小。當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱的影響就變大。這使得PWM波形和正弦