逆變電路逆變種類與換流方式電壓型逆變電路Voltagesourceinverter(VSI)電流型逆變電路Currentsourceinverter(CSI)

SPWM逆變電路本章主要內(nèi)容逆變的概念

逆變是與整流相對應的，指直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變?！煽卣麟娐饭ぷ髟谀孀儬顟B(tài)，把該電路的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變成與交流電源同頻率的交流電返送到電源。交流側(cè)接負載，為無源逆變?！煽卣麟娐返慕涣鱾?cè)不與電源聯(lián)接，而直接接到無源負載。

逆變電路5.1.1有源逆變電路

1單相雙半波有源逆變電路1、電路結(jié)構(gòu)

圖3-1

2、工作原理1）整流狀態(tài)（0≤α﹤90°）當α等于零時，輸出電壓瞬時值ud在整個周期內(nèi)全部為正；當90°>α>0時，ud在整個周期內(nèi)有正有負，但正面積總是大于負面積，故平均值Ud為正值，其極性是上正下負，如上圖a。通常Ud略大于E，此時電流Id從Ud的正端流出，從E的正端流進。電機M吸收電能，作電動運行，電路把從交流電網(wǎng)吸收的電能轉(zhuǎn)變成直流電能輸送給電動機，電路工作在整流狀態(tài)，電機M工作在電動狀態(tài)。2）逆變狀態(tài)（90°﹤α≤180°）逆變是將電機吸收的直流電能轉(zhuǎn)變成交流反饋回電網(wǎng)。由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕撦d電流Id不能改變方向，只有將E反向，即電機作發(fā)電運行才能回饋電能；為避免Ud與E順接，此時將Ud的極性也反過來，如上圖b示。要使Ud反向，α應該大于90°。當α在90°﹤α≤180°間變動時，輸出電壓瞬時值ud在整個周期內(nèi)有正有負，但負面積大于正面積，故平均值Ud為負值，見上圖b所示。此時E略大于Ud，電流Id的流向是從E的正端流出，從Ud的正端流入，逆變電路吸收從電機反送來的直流電能，并將其轉(zhuǎn)變成交流電能反饋回電網(wǎng)，這就是該電路的有源逆變狀態(tài)。

（a）α=60°的整流狀態(tài)（b）α=120°的逆變狀態(tài)單相雙半波電路α=60°的整流和α=120°的逆變時的仿真波形要使整流電路工作在逆變狀態(tài)，必須滿足兩個條件：1）變流器的輸出Ud能夠改變極性（內(nèi)部條件）。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，電流Id不能改變方向，為實現(xiàn)有源逆變，必須改變Ud的極性。即讓變流器的控制角α＞90°即可。2）須有外接的提供直流電能的電源E。E也要能改變極性，且有（外部條件）。按輸入電源特點電壓源逆變電路電流源逆變電路按電路結(jié)構(gòu)特點半橋、全橋5.2.1無源逆變電路按主電路的器件全控型逆變電路、半控型逆變電路按輸出波形特點正弦式、非正弦式逆變電路換流——電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。器件開通：適當?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使器件開通。器件關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(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零后施加一定時間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。5.2.2換流方式控制極關(guān)斷方式（又稱器件換流方式）利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。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。陽極關(guān)斷方式電網(wǎng)換流（LineCommutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負的電網(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)的無源逆變電路。負載換流（LoadCommutation）強迫換流（ForcedCommutation）5.2.2換流方式器件換流——適用于全控型器件。其余三種方式——針對晶閘管。器件換流和強迫換流——屬于自換流。電網(wǎng)換流和負載換流——屬于外部換流。當電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅。換流方式總結(jié)以單相橋式逆變電路為例S1-S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。5.2.3逆變電路的基本工作原理S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正。S1、S4斷開，S2、S3閉合時，負載電壓uo為負。直流電交流電5.2.3逆變電路的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。電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同。注意電路的功率流向5.2.3逆變電路的基本工作原理根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同電壓型逆變電路——又稱為電壓源型逆變電路VoltageSourceInverter-VSI直流側(cè)是電壓源電流型逆變電路——又稱為電流源型逆變電路CurrentSourceInverter-CSI直流側(cè)是電流源5.3電壓型逆變電路電路結(jié)構(gòu)特點由兩個橋臂組成，每個橋臂為一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管并聯(lián)。直流側(cè)有兩個串聯(lián)的大電容，兩個電容的聯(lián)結(jié)點為直流電源的中點。負載連接在直流電源中點和兩個橋臂的聯(lián)結(jié)點之間。C容量較大，O點電位基本不變，A點電位取決于器件導通情況。5.3.1單相半橋電壓型逆變電路18工作原理VT1和VT2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2。VT1或VT2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管,它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。VT1，VT2不能同時導通。優(yōu)點：電路簡單，使用器件少。缺點：輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應用：用于幾kW以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。5.3.1單相半橋電壓型逆變電路共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成，直流側(cè)只有一個電容。兩對橋臂交替導通180°。5.3.2單相全橋電壓型逆變電路21輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。無移相調(diào)壓全橋電路中，V1和V2，V3和V4柵極信號互補，V3比V1落后180°。改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)?？刹捎靡葡喾绞秸{(diào)節(jié)輸出電壓，這種方式稱為移相調(diào)壓移相調(diào)壓是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。

5.3.2單相全橋電壓型逆變電路三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路應用最廣泛5.3.3三相電壓型逆變電路假想中點5.3.3三相電壓型逆變電路■三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路。■三相橋式逆變電路

◆基本工作方式是180°導電方式?！敉幌啵赐话霕颍┥舷聝杀劢惶鎸щ?，橋臂1-橋臂6開始導電的相位依次差60°，任一瞬間有三個橋臂（兩個上臂一個下臂或者一個上臂兩個下臂）同時導通。

◆每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流。25tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形

■工作波形

◆對于U相輸出來說，當橋臂1導通時，uUN’=Ud/2，當橋臂4導通時，uUN’=-Ud/2，uUN’的波形是幅值為Ud/2的矩形波，V、W兩相的情況和U相類似。◆負載線電壓uUV、uVW、uWU可由下式求出◆負載各相的相電壓分別為

(4-4)(4-5)26tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形

◆把上面各式相加并整理可求得設負載為三相對稱負載，則有uUN+uVN+uWN=0，故可得◆負載參數(shù)已知時，可以由uUN的波形求出U相電流iU的波形，圖4-10g給出的是阻感負載下時iU的波形。◆把橋臂1、3、5的電流加起來，就可得到直流側(cè)電流id的波形，如圖4-10h所示，可以看出id每隔60°脈動一次。5.3.3三相電壓型逆變電路注意：為防止同一相上下橋臂開關(guān)器件同時導通而引起直流側(cè)電源短路，通常采取“先斷后通”的方法。即在器件關(guān)斷后留一定裕量，也稱為死區(qū)時間，然后再給出應導通的器件的開通信號。

特點直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動。輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同。阻感負載時需提供無功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。因為輸出電壓極性不可改變，交流側(cè)要向直流側(cè)反饋無功，只能通過改變電流的方向?qū)崿F(xiàn)，所以需并聯(lián)反饋二極管以提供反向電流通路。電壓型逆變電路單相電流型逆變電路三相電流型逆變電路

5.4電流型逆變電路并聯(lián)諧振單相全橋電流型逆變電路由四個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用來限制晶閘管開通時的di/dt。工作方式為負載換相。電容C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。輸出電流波形接近矩形波，多用于中頻加熱電源。5.4.1單相電流型逆變電路工作過程分析四個工作階段：兩個導通階段和兩個換流階段。t1-t2：VT1和VT4穩(wěn)定導通階段，iｏ=Id，t2時刻前在C上建立左正右負的電壓。t2-t4：t2時觸發(fā)VT2和VT3開通，因為兩管承受正向電壓，所以能夠?qū)?，電路進入換流階段。5.4.1單相電流型逆變電路工作過程分析LT使VT1、VT4不能立刻關(guān)斷，電流有一個減小過程。VT2、VT3電流有一個增大過程。4個晶閘管全部導通，負載電容電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電。LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一個經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4到C。5.4.1單相電流型逆變電路t=t4時，VT1、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4－t2=tγ

稱為換流時間保證晶閘管的可靠關(guān)斷晶閘管需一段時間才能恢復正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時間

=t5-t4應大于晶閘管的關(guān)斷時間tqio在t3時刻，即

iVT1=iVT2時刻過零，

t3時刻大體位于t2

和t4的中點5.4.1單相電流型逆變電路工作過程分析電路分析基本工作方式是120°導電方式－每個臂一周期內(nèi)導電120°，VT1-VT6每隔60度一次觸發(fā)導通。因此，任一時刻上下橋臂組各有一個臂導通，換流方式為橫向換流。在負載端并聯(lián)三相電容，為負載電感中的電流提供流通路徑，以吸收電感中存儲的能量5.4.2三相電流型逆變電路tOtOtOtOIdiViWuUVU圖5-14電流型三相橋式逆變電路的輸出波形

圖5-11電流型三相橋式逆變電路波形分析輸出電流波形和負載性質(zhì)無關(guān)，正負脈沖各120°的矩形波輸出電流和三相橋整流帶大電感負載時的交流電流波形相同，諧波分析表達式也相同輸出線電壓波形和負載性質(zhì)有關(guān)，大體為正弦波。5.4.2三相電流型逆變電路電流型逆變電路主要特點：

(1)

直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動，相當于電流源。直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。(2)交流輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關(guān)。輸出電壓波形和相位因負載不同而不同。

(3)直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應用較多。換流方式有負載換流、強迫換流。5.4電流型逆變電路375.4PWM逆變電路普通逆變電路的缺點：1）輸出波形中含有較多的諧波，對負載不利；2）輸入電流諧波含量大，功率因數(shù)低；3）電壓調(diào)節(jié)困難，響應較慢。實際的逆變電路基本都采用PWM控制方式。PWM控制方式也正是由于在逆變電路中的成功應用，才在電力電子裝置中得到了廣泛應用。PWM(PulseWidthModulation)控制技術(shù)就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。5.4PWM逆變電路Themostwidelyusedcontroltechnique

inpowerelectronics重要理論基礎——面積等效原理

Theequal-areatheorem沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，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)的輸出響應波形基本相同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)5.4.1BasicprinciplesofPWMb)具體的實例說明“面積等效原理”a）u(t)－電壓窄脈沖，是電路的輸入

i(t)－輸出電流，是電路的響應

5.4.1BasicprinciplesofPWMOuωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>5.4.1BasicprinciplesofPWM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。SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>Ouωt>5.4.1BasicprinciplesofPWMOwtUd-Ud負半周可采取同樣方法，得到PWM波形：OwtUd-Ud另外一種用得更多的等效方式5.4.1BasicprinciplesofPWM直流斬波電路直流波形SPWM波正弦波形PWM電流波電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波PWM波可等效的各種波形

所需波形

等效的PWM波等效成其他所需波形，如:5.4.1BasicprinciplesofPWM計算法調(diào)制法跟蹤法5.4.2SPWM逆變電路的控制方法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。本法較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化。計算法調(diào)制法基本原理：希望輸出的波形作為調(diào)制信號Ur，接收調(diào)制的信號作為載波信號Uc，通過對信號波的調(diào)制得到所期望的PWM波。常用等腰三角波作為載波，因為其任一點的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱。當它與任一平緩變化的調(diào)制信號波相交時，就得到脈沖寬度正比于信號波幅值的脈沖，即PWM波。當調(diào)制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波。50可用模擬電路構(gòu)成三角載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻對功率開關(guān)器件進行控制，從而得到SPWM波形，不用進行大量數(shù)學運算。當輸出正弦波的頻率、幅值和相位發(fā)生變化，調(diào)制時刻隨之改變，控制方便。單相全橋SPWM逆變電路5.4.3單相SPWM逆變電路控制方式：調(diào)制法。調(diào)制信號：正弦波。載波信號：三角波。調(diào)制方式：單極性調(diào)制，雙極性調(diào)制。單相全橋SPWM逆變電路5.4.3單相SPWM逆變電路單極性調(diào)制

載波（三角波）在調(diào)制波半個周期內(nèi)只在一個方向變化，所得到的PWM波形也只在一個方向變化，這種控制方式稱為單極性PWM控制方式。

單相全橋SPWM逆變電路5.4.3單相SPWM逆變電路單極性調(diào)制的控制

逆變器同一橋臂的上部開關(guān)器件和下部開關(guān)器件在調(diào)制波（輸出電壓基波）的半周期內(nèi)僅有一個器件多次開通和關(guān)斷，另一個一直處于導通狀態(tài)。

5.4.3單相SPWM逆變電路單極性調(diào)制ug正半周，VT1保持通，VT2保持斷。當ug>uc時使VT4通，VT3斷，uo=Ud。當ug<uc時使VT4斷，VT3通，uo=0。ur負半周，請同學們自己分析。

在ug和uc的交點時刻控制IGBT的通斷。5.4.3單相SPWM逆變電路雙極性調(diào)制載波（三角波）在調(diào)制波半個周期內(nèi)是在正負兩個方向變化，所得到的PWM波形也在正負兩個方向變化。同一橋臂上下兩個開關(guān)器件的驅(qū)動信號互補，在調(diào)制波的半個周期內(nèi)，相對橋臂的兩個開關(guān)同時多次導通和關(guān)斷。在ug的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負，其幅值只有±Ud兩種電平。同樣在調(diào)制信號ug和載波信號uc的交點時刻控制器件的通斷。ug正負半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。在ug和uc的交點時刻控制IGBT的通斷。5.4.3單相SPWM逆變電路雙極性調(diào)制當ug>uc時，給VT1和VT4導通信號，給VT2和VT3關(guān)斷信號。如io>0，VT1和VT4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud。當ug<uc時，給VT和VT3導通信號，給VT1和VT4關(guān)斷信號。如io<0，VT2和VT3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud。5.4.3單相SPWM逆變電路雙極性調(diào)制

單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制，由于對開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。半橋電路只能采用雙極性調(diào)制。5.4.3單相SPWM逆變電路三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調(diào)制信號ugA、ugB和ugC依次相差120°5.4.4三相SPWM逆變電路電路結(jié)構(gòu)：與三相方波電路相同。調(diào)制法以A相為例分析：當ugA>uc時，給VT1導通信號，給VT4關(guān)斷信號，uOO’=Ud/2。當ugA<uc時，給VT4導通信號，給VT1關(guān)斷信號，uOO’=-Ud/2。5.4.4三相SPWM逆變電路當給VT1(VT4)加導通信號時，可能是VT1(VT4)導通，也可能是VD1(VD4)導通。uOO’、uAO’和uCO’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平。uAB波形可由uAO’-uBO’得出，當1和6通時，uAB=Ud，當3和4通時，uAB=－Ud，當1和3或4和6通時，u