第六章無源逆變1第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三本章內(nèi)容6.1無源逆變電路的基本原理6.3三相逆變器工作原理6.4PWM控制技術(shù)6.5逆變器輸出的其它控制方法第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三概述無源逆變直流交流（向負(fù)載直接供電）無源逆變電路簡稱逆變電路

通常由全控器件構(gòu)成逆變器與變頻器逆變電路經(jīng)常與變頻的概念聯(lián)系在一起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和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變各種功率等級第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三無源逆變技術(shù)的應(yīng)用直流電源如蓄電池、干電池和太陽能電池逆變電路交流負(fù)載供電直流電源給交流負(fù)載供電第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三交流電源：如列車照明、感應(yīng)加熱電源、電解電鍍電源、不停電電源（UPS）、高頻焊機(jī)、高頻電子鎮(zhèn)流器和航空電源等。無源逆變技術(shù)的應(yīng)用交流調(diào)速系統(tǒng)：如鐵道牽引、大型工礦機(jī)車、城市有軌交通（地鐵和輕軌車）、重型電傳動汽車和礦井提升設(shè)備等。RO1BrakeControl+24VBrakeResistor第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三逆變器的基本類型按電路結(jié)構(gòu)分類橋式零式按輸出相數(shù)分類單相多相按器件分類半控型全控型按導(dǎo)通的角度分類180120按強(qiáng)迫換流的特點(diǎn)諧振型并聯(lián)電容型等按調(diào)制方法分類PWMPAM方波、階梯波第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三逆變器的基本類型（續(xù)）按直流側(cè)電源的性質(zhì)分類（常用此分類）電壓型逆變器電流型逆變器第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.1無源逆變電路的基本原理6.1.1單相半橋逆變電路工作原理T1、T2輪流導(dǎo)通T1導(dǎo)通、T2截止：uan=UD/2T1截止、T2導(dǎo)通：uan=-UD/2波形分析第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三結(jié)論：①T1、T2輪流導(dǎo)通，使直流交流②改變T1、T2切換頻率，便可改變輸出交流電的頻率——變頻。③與輸出電壓同方向的電流流過T，反方向電流流過D，因此在電壓型逆變器中D是必須的，它提供了反向電流通路，稱為反饋二極管。同時(shí)D又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，因此又稱續(xù)流二極管。④T1、T2不能同時(shí)導(dǎo)通，否則將出現(xiàn)直流電源短路——貫穿短路。因此電壓型逆變器同一橋臂上、下管的控制必須遵循“先斷后開”原則。第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1單相半橋逆變電路（續(xù)）基本關(guān)系輸出電壓表達(dá)式基波電壓有效值電感負(fù)載電流峰值R-L負(fù)載電流基波分量第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.1.2單相全橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)工作原理與半橋逆變電路相同T1、T4導(dǎo)通、T2、T3截止：Uan=UDT1、T4截止、T2、T3導(dǎo)通：Uan=-UD波形分析第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.1.2單相全橋逆變電路（續(xù)）基本關(guān)系輸出電壓表達(dá)式基波電壓有效值電感負(fù)載電流峰值R-L負(fù)載電流第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三兩種單相逆變電路的比較1、單相全橋逆變電路在單相逆變電路中，全橋逆變電路應(yīng)用最多。2、單相半橋逆變電路結(jié)構(gòu)簡單，所用器件比全橋電路少一半。但輸出交流電壓幅值低，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容串聯(lián)，工作時(shí)需要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡。應(yīng)用場合：常用于幾KW以下的小功率逆變電源。第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.3三相逆變器工作原理6.3.1三相電壓型逆變器工作原理電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)各管導(dǎo)通時(shí)間分：180導(dǎo)通型120導(dǎo)通型負(fù)載連接方式Δ型連接Y型連接第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1800導(dǎo)電型—控制規(guī)律觸發(fā)脈沖各管導(dǎo)通180依次相差60任何時(shí)刻有三個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)通順序六個(gè)階段第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1800導(dǎo)電型工作原理分析各階段的等值電路及電壓值第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1800導(dǎo)電型工作原理分析（續(xù)）相電壓波形（六階梯波）線電壓波形（矩形波）電壓型逆變器：①輸出電壓波形與負(fù)載性質(zhì)（負(fù)載阻抗角）無關(guān)。第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1800導(dǎo)電型工作原理分析（續(xù)）電壓表達(dá)式相電壓表達(dá)式線電壓表達(dá)式方波控制時(shí)：①輸出電壓中含有大量的諧波分量，特別是 5、7、11、13次諧波！第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1800導(dǎo)電型工作原理分析（續(xù)）電壓表達(dá)式（續(xù)）相電壓有效值線電壓有效值方波控制時(shí)：②交流輸出電壓與直流側(cè)電壓的關(guān)系固定，即方波輸出電壓型逆變器本身不能調(diào)節(jié)輸出電壓。若想調(diào)節(jié)輸出電壓，只有通過調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓，即通過PAM控制方式實(shí)現(xiàn)。第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1800導(dǎo)電型工作原理分析（續(xù)）感性負(fù)載電流負(fù)載電流滯后角小于60（a）A相電壓波形Uan（b）A相電流波形ian（c）T1的電流波形iT1（d）D4的電流波形iD4（e）直流輸入電流id第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1200導(dǎo)電型工作原理分析電壓波形相電壓波形線電壓波形第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三180導(dǎo)通方式和120導(dǎo)通方式的比較：120方式上下兩管間有60

的間隙，對換流有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，則始終有一相斷開，在換流時(shí)會引起較高的感應(yīng)電勢，而180方式無論在三角形還是星形接法時(shí)，正常工作都不會產(chǎn)生過電壓，故180

方式應(yīng)用較為普遍。第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三逆變器有功功率的反饋電動機(jī)負(fù)載工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，其發(fā)出的電能通過逆變器電路中的反饋二極管D1~D6回饋到直流側(cè)，使直流側(cè)電壓UD升高為限制UD，必需將回饋的電能消耗掉或回饋到電網(wǎng)，具體方案有：通過制動單元消耗掉通過有源逆變橋回饋到電網(wǎng)（見再生方案1）通過脈沖整流器回饋到電網(wǎng)（見再生方案2）第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三逆變器有功功率的反饋（續(xù)）再生方案1四象限運(yùn)行功率因數(shù)低諧波電流大主電路復(fù)雜第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三逆變器有功功率的反饋（續(xù)）再生方案2四象限運(yùn)行功率因數(shù)高（接近于1）諧波電流小控制較復(fù)雜第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.3.2三相電流型逆變器工作原理電路結(jié)構(gòu)：逆變器的供電電源為電流源第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三另外一種電路形式電流型逆變器：①帶感性負(fù)載時(shí)，輸出側(cè)必須接電容以吸收換流時(shí)負(fù)載電感中存置的能量。②橋臂必須是“逆阻型”橋臂。第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.3.2三相電流型逆變器工作原理（續(xù)）觸發(fā)脈沖：（1200導(dǎo)電方式）第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三工作原理及主要波形：線電流波形負(fù)載Δ型連接時(shí)的相電流波形輸出電流波形與負(fù)載性質(zhì)（負(fù)載阻抗角）無關(guān)！第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三電流型逆變器的四象限運(yùn)行第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三電流型逆變器的工作特點(diǎn)由于有大電感抑流，短路的危險(xiǎn)性也比電壓型逆變器小得多。電路對功率器件關(guān)斷時(shí)間（即功率器件快速性）的要求比電壓型逆變器的要求低，電路相對電壓型也比較簡單，造價(jià)略低。不需要增設(shè)反并聯(lián)的再生變流裝置。電感重量、體積都很大，實(shí)際使用不如電壓型逆變器廣泛。

第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三小結(jié)電壓型逆變器與電流型逆變器特點(diǎn)比較：直流側(cè)電路橋臂橋臂控制交流輸出電路交流輸出電壓、電流與負(fù)載性質(zhì)是否有關(guān)有功功率反饋第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4PWM技術(shù)方波型逆變器的問題本身不能調(diào)節(jié)輸出電壓幅值輸出電壓中含有大量的5、7、11次諧波解決方法采用PWM控制技術(shù)本節(jié)主要討論電壓型逆變器的PWM控制方法第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三PWM控制的思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。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?，F(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術(shù)。第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4.0PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)沖量等效原理（面積等效原理）：沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用于慣性系統(tǒng)時(shí)，其效果基本相同。

（說明為什么PWM波能與正弦波等效）第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4.1正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理目標(biāo)函數(shù)——正弦輸出電壓使脈沖列的作用效果盡量接近于正弦波的作用效果基本原理

根據(jù)沖量等效原理，用一組幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖列來代替正弦波改變各脈沖的寬度和變化周期即可改變等效正弦波的幅值和頻率第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理（續(xù)）第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波SPWM波若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理（續(xù)）第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理（續(xù)）3、SPWM的控制方法（說明SPWM波實(shí)現(xiàn)方法問題）離線計(jì)算法——根據(jù)輸出正弦波的頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)計(jì)算PWM波各脈沖的寬度和間隔。缺點(diǎn)：計(jì)算量大，繁瑣。調(diào)制法——將目標(biāo)涵數(shù)（波形）作為調(diào)制信號，通過對載波的調(diào)制得到PWM波形。一般用等腰三角形波作為載波；根據(jù)輸出電壓波形的極性可分為單極性（或不對稱）調(diào)制和雙極性（或?qū)ΨQ）調(diào)制。第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4.1正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理（續(xù)）1.單極性調(diào)制正半周：T1導(dǎo)通，T4交替通斷，T2、T3截止負(fù)半周：T2導(dǎo)通，T3交替通斷，T1、T4截止第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4.1正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理（續(xù)）2.雙極性調(diào)制同一橋臂上的兩個(gè)管子處于互補(bǔ)工作狀態(tài)ur>uc時(shí)：T1、T4導(dǎo)通，uo=UDur<uc時(shí)：T2、T3導(dǎo)通，uo=-UD第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三三相逆變器一般采用雙極性調(diào)制在雙極性調(diào)制中，上下橋臂互補(bǔ)工作。為了防止橋臂直通短路，一個(gè)管子關(guān)斷后，再延遲△t時(shí)間，才開通另一個(gè)管子，△t稱為死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間給輸出的PWM波形帶來影響，使其偏離正弦波。第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4.2SPWM的基波電壓數(shù)學(xué)分析結(jié)論一：輸出基波電壓幅值U1m與脈寬i有關(guān)，調(diào)節(jié)參考信號的幅值可以改變各脈沖的寬度，實(shí)現(xiàn)對逆變器輸出電壓基波的平滑調(diào)節(jié)。

（前提條件：n不太少，sin/2n

/2n，sini/2i/2）結(jié)論二：脈沖寬度與該處正弦值近似成正比。輸出的SPWM波是兩側(cè)窄、中間寬、脈寬按正弦規(guī)律逐漸變化的序列脈沖波形。結(jié)論三：SPWM逆變器輸出的基波電壓正是調(diào)制時(shí)所要求的等效正弦波。

第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三在電壓型逆變器輸出的SPWM電壓波形中對負(fù)載有用的只是基波電壓，諧波電壓在負(fù)載上產(chǎn)生諧波電流，只會給負(fù)載帶來負(fù)面影響，如產(chǎn)生諧波損耗、噪音、脈動轉(zhuǎn)矩。因此基波電壓越大越好?？梢宰C明當(dāng)n較大時(shí)，SPWM電壓波形的基波電壓與調(diào)制信號ur的幅值近視成正比，因此調(diào)節(jié)ur的幅值便可控制基波電壓的幅值。調(diào)節(jié)ur的頻率便可控制基波電壓的頻率。

第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4.3對脈寬調(diào)制的制約條件PWM控制中兩個(gè)重要定義：載波比：調(diào)制比：（調(diào)制深度）載波比N受開關(guān)器件開關(guān)頻率和損耗的限制：調(diào)制比M受最小脈寬與最小間歇的限制

第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4.4同步調(diào)制與異步調(diào)制1.同步調(diào)制：在變頻輸出過程中，載波比N不變，載波信號與調(diào)制波信號保持同步的調(diào)制方式。即開關(guān)頻率與輸出頻率同比例變化。優(yōu)點(diǎn)：波形對稱性好。當(dāng)N為奇數(shù)時(shí)，輸出波形正、負(fù)半周對稱；當(dāng)N為3的倍數(shù)時(shí)，三相輸出波形對稱，相互之間保持120相位移。缺點(diǎn)：低頻時(shí)諧波大。當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，開關(guān)頻率也隨之降低，諧波顯著增加，使負(fù)載電機(jī)產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩和噪聲。第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4.4同步調(diào)制與異步調(diào)制（續(xù)）2.異步調(diào)制：在變頻輸出過程中，載波頻率fc不變，載波比N隨輸出頻率的降低而增大。優(yōu)點(diǎn)：低頻特性好。減少負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)距脈動與噪聲，改善低頻工作性能。缺點(diǎn)：波形對稱性差。N連續(xù)變化，當(dāng)N不等于整數(shù)及三的倍數(shù)時(shí)，輸出正負(fù)不對稱，三相不對稱，會產(chǎn)生次諧波。要求開關(guān)頻率較高。第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4.4同步調(diào)制與異步調(diào)制（續(xù)）

3.分段同步調(diào)制：把變頻范圍劃分成若干頻段，每個(gè)頻段內(nèi)都維持載波比N恒定，不同頻段取不同的N值。分段同步要注意的問題：各段載波比均取3的奇數(shù)倍；各頻率切換點(diǎn)采用滯后切換的方法；盡量減小在頻率切換點(diǎn)處因載波比的變化而造成的輸出電壓沖擊。第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4.5SPWM波形實(shí)現(xiàn)方式SPWM波形具體生成方式有：模擬控制生成方式特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性好，但控制電路復(fù)雜，可靠性差數(shù)字控制（微機(jī)）生成方式（包括專用芯片實(shí)現(xiàn)）特點(diǎn)：控制電路簡單、可靠目前最常用的生成方式第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4.5.2SPWM的數(shù)字控制自然采樣法：按照正弦調(diào)制波與三角載波的自然交點(diǎn)，采集脈沖前、后沿時(shí)刻，生成SPWM波形，叫做自然采樣法。（NaturalSampling）第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4.5.2SPWM的數(shù)字控制（續(xù)）自然采樣法脈寬計(jì)算超越方程，求解困難！雖能確切反映正弦脈寬調(diào)制的原始方法，卻不適于微機(jī)實(shí)時(shí)控制。第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4.5.2SPWM的數(shù)字控制（續(xù)）規(guī)則采樣法：按照某種規(guī)則采集脈沖前、后沿時(shí)刻，生成SPWM波形，叫做規(guī)則采樣法（RegularSampling）。第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.4.5.2SPWM的數(shù)字控制（續(xù)）規(guī)則采樣法II脈寬計(jì)算規(guī)則采樣法的實(shí)質(zhì)是用階梯波來代替正弦波，從而簡化了算法，適合微機(jī)實(shí)時(shí)控制。第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.5其它PWM控制方法

6.5.1電流跟蹤控制PWM目標(biāo)函數(shù)——正弦電流使實(shí)際輸出電流盡量接近正弦參考電流電流跟蹤控制的方法很多，最基本的方法是電流滯環(huán)跟蹤控制，其它方法都是對滯環(huán)跟蹤控制的改進(jìn)第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.5.1電流跟蹤控制PWM（續(xù)）電流滯環(huán)跟蹤控制的原理設(shè)定參考電流i*環(huán)及環(huán)寬2h將實(shí)際電流i與參考電流i*比較根據(jù)比較結(jié)果控制上、下橋臂

第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.5.1電流跟蹤控制PWM（續(xù)）電流滯環(huán)跟蹤控制的特點(diǎn)屬于閉環(huán)控制（跟蹤型PWM控制的共同特點(diǎn)控制電路簡單電流響應(yīng)快不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波電流控制的精度與滯環(huán)比較器的環(huán)寬有關(guān)環(huán)寬大：諧波電流分量大，但開關(guān)頻率低；環(huán)寬?。褐C波電流分量小，但開關(guān)頻率高。開關(guān)頻率不固定第57頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6.5.1電流跟蹤控制PWM（續(xù)）影響開關(guān)頻率的因素開關(guān)頻率fc與環(huán)寬2h成反比;負(fù)載電感L越大，fc越??；直流側(cè)電壓VD值越大，fc越大;參考電流i*的變化率越大，fc越?。回?fù)載反電勢Ea越大，fc越小。第58頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三PWM控制技術(shù)總結(jié)PWM控制技術(shù)在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它推動了電力電子技術(shù)的發(fā)展諧波消除PWM技術(shù)在晶閘管逆變器上用得較多，它較好地解決了在開關(guān)頻率不高的情況下消除危害最嚴(yán)重的諧波的問題電流跟蹤控制PWM技術(shù)要求功率開關(guān)器件具有較高的開關(guān)頻率，通常只用在IGBT逆變器上。SPWM技術(shù)和電壓空間矢量PWM技術(shù)是目前最通用的PWM技術(shù)，相比而言，電壓空間矢量PWM技術(shù)更有發(fā)展前途。

重點(diǎn)掌握SPWM技術(shù)第59頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三習(xí)題6-1無源逆變電路和有源逆變電路有何不同？6-2電壓型逆變電路中反饋二極管的作用是什么？6-3三相電壓型逆變電路，180°導(dǎo)通方式，Ud=500V，求輸出相電壓的有效值Uan和基波有效值Uan1，輸出線電壓的有效值Uab、基波有效值Uab1和5次諧波有效值Uab5。6-4在逆變器中為什么要采用PWM技術(shù)？第60頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6-5IGBT三相電壓型無源逆變電路，工作在180°導(dǎo)通方式下，帶電阻電感負(fù)載，畫出完整的主電路圖，以及在負(fù)載阻抗角φ<60°情況下的輸出電壓uan、uab、輸出電流ia、開關(guān)電流iT1、iD4、直流側(cè)電流id的波形。6-6單極性和雙極性PWM調(diào)制有什么區(qū)別？單相逆變器和三相逆變器分別可采用什么調(diào)制方法？6-7載波比和調(diào)制比如何定義？是不是越大越好？分別受什么因素限制？它們與輸出電壓和輸出頻率有何關(guān)系？6-8什么是同步調(diào)制？什么是異步調(diào)制？二者各有何特點(diǎn)？分段同步調(diào)制有什么優(yōu)點(diǎn)？第61頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三6-9三相電壓型逆變器，當(dāng)采用PWM控制時(shí)，分頻比N為什么要?。车谋稊?shù)？為什么要取奇數(shù)？6-10什么是自然采樣法？什么是規(guī)則采樣法？與自然采樣法相比，規(guī)則采樣法有什么優(yōu)缺點(diǎn)？6-11下圖為交－直－交系統(tǒng)電路圖，試回答下列問題：①簡要說明圖中各電路單元的作用；②分別畫出無源逆變器工作在180°導(dǎo)通方式下，輸出電壓uAB的波形圖；③當(dāng)負(fù)載電機(jī)分別工作在電動狀態(tài)和發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，分別說明該變流系統(tǒng)中的能量傳遞路徑，以及