1、電力電子技術(shù)，第5章無(wú)源逆變器電路，第5章無(wú)源逆變器電路，5.1無(wú)源逆變器電路的工作原理5.2電壓型逆變器電路5.3電流型逆變器電路5.4多路逆變器和多電平逆變器5.5脈沖寬度調(diào)制型逆變器5.6無(wú)源逆變器電路的應(yīng)用， 5.1無(wú)源逆變器電路的工作原理5.1.1無(wú)源逆變器基本工作原理5.1.2換流方式分類(lèi)5.1.3逆變器電路的其他分類(lèi)方式、5.1.1無(wú)源逆變器基本工作原理、圖5-1單相橋逆變器電路工作原理，該電路有兩種工作狀態(tài)： (1) S1 5.1.2換流方式分類(lèi)、逆變電路的動(dòng)作中，電流從S1向S2、從S4向S3轉(zhuǎn)移。 從一個(gè)分支路向另一個(gè)分支路轉(zhuǎn)移電流的過(guò)程也稱(chēng)為換流，也稱(chēng)為換相。 換流及換流

2、方式(1)裝置的換流利用全控制型裝置(GTO、GTR、IGBT等)的自切斷能力進(jìn)行換流。 (2)從電網(wǎng)換流電網(wǎng)供給的換流電壓稱(chēng)為電網(wǎng)換流(Line Commutation )。 (3)從負(fù)載換流負(fù)載供給的換流電壓稱(chēng)為負(fù)載換流(Load Commutation )。 圖5-2的負(fù)載換流電路及其動(dòng)作波形，(4)在強(qiáng)制換流中設(shè)置附加的換流電路，強(qiáng)制向要關(guān)閉的晶閘管施加反向電壓或反向電流的換流方式稱(chēng)為強(qiáng)制換流。 強(qiáng)制換流通常通過(guò)利用儲(chǔ)存在附加容量中的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，也稱(chēng)為容量換流。 通過(guò)換流電路內(nèi)的電容和感應(yīng)耦合提供換流電壓或換流電流稱(chēng)為感應(yīng)耦合式強(qiáng)制換流。圖5-3直接耦合式強(qiáng)制換流原理圖、圖5-4感應(yīng)耦

3、合式強(qiáng)制換流原理圖、5.1.3逆變器電路的其他分類(lèi)方式、(1)根據(jù)輸入直流電源的特征對(duì)電壓型進(jìn)行分類(lèi)：電壓型逆變器的輸入端與大容量連接，輸入直流電源為恒壓源，逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓。 電流型：電流型逆變器的輸入端與大電感串聯(lián)，輸入直流電源為恒流源，逆變器將輸入的直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流輸出。 (2)根據(jù)電路的構(gòu)成特征對(duì)半橋逆變電路進(jìn)行分類(lèi)的全橋逆變電路和推逆變電路以及其他形式：如單管晶體管逆變電路。 (3)根據(jù)負(fù)載的特點(diǎn)，根據(jù)非諧振式逆變器電路諧振式逆變器電路、5.2電壓型逆變器電路、直流側(cè)電源的性質(zhì)，逆變器電路分為電壓型逆變器電路和電流型逆變器電路兩種，直流側(cè)電源為電壓源的逆變器電路稱(chēng)

4、為電壓型逆變器電路，直流側(cè)電源為5.2.1電壓型單相橋逆變器5.2.2電壓型三相橋逆變器5.2.3電壓型逆變器電路的特征、5.2.1電壓型單相橋逆變器、1半橋逆變器電路、圖5-5電壓型單相半橋逆變器電路； 若將2單相全橋逆變器電路uo展開(kāi)為傅立葉級(jí)數(shù)，則(5-1)基波分量振幅Uo1m和有效值Uo1分別為(5-2) (5-3)、5.2.2電壓型三相橋逆變器、電壓型三相橋逆變器電路如圖5所示180導(dǎo)電型三橋式逆變電路的動(dòng)作波形如圖5-8所示。 為了便于分析，將一個(gè)周期劃分成六個(gè)部分，每個(gè)部分占據(jù)60。 每60個(gè)階段的等效電路模式以及相電壓、線電壓的數(shù)值如表5-1所示。 表中，負(fù)載為三相星形對(duì)稱(chēng)負(fù)載

5、： ZaZbZc，圖5- 8 180導(dǎo)電型三橋逆變電路的動(dòng)作波形，表5-1 180導(dǎo)電型三橋逆變電路的各階段的等效電路及相電壓和線電壓，5.2.3電壓型逆變電路的特征(2)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波，與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)，交流側(cè)電流波形和相位根據(jù)負(fù)載阻抗角而不同，其波形接近三角波或接近正弦波。 (3)交流側(cè)為感應(yīng)性負(fù)載時(shí)，供給無(wú)功電力，直流側(cè)電容起到緩沖無(wú)功能的作用。 為了向交流側(cè)供給直流側(cè)反饋能量，在各逆變器臂上并聯(lián)連接有回流二極管。 (4)逆變器電路從直流側(cè)向交流側(cè)傳輸?shù)碾娏Πl(fā)生脈動(dòng)，但由于直流電壓沒(méi)有脈動(dòng)，所以電力的脈動(dòng)以直流電流的脈動(dòng)出現(xiàn)。 (5)當(dāng)逆變器電路用于交直

6、流變換器，負(fù)載為電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)在再生制動(dòng)狀態(tài)下動(dòng)作，則必須向交流電源反饋能量。 由于不能改變直流側(cè)的電壓方向，只能通過(guò)改變直流電流的方向來(lái)實(shí)現(xiàn)，這需要在正交整流橋上反并聯(lián)連接另一組逆變橋，或者在整流側(cè)采用四象限脈沖變流器。 5.3電流型逆變器電路、5.3.1電流型單相橋式逆變器5.3.2電流型三相橋式逆變器5.3.3電流型逆變器的特征、5.3.1電流型單相橋式逆變器、1電路結(jié)構(gòu)圖5-9(a )中表示單相橋式逆變器的電路臂1、4和臂2、3以1 0002 500Hz的中間頻率交替導(dǎo)通，在負(fù)載中得到中頻交流。 圖5-9(a )的負(fù)載是中頻電爐，如圖5-9(b )所示，實(shí)際上是電磁感應(yīng)線圈，對(duì)放

7、置在線圈內(nèi)的鋼材進(jìn)行加熱。圖5-9單相橋電流型(并聯(lián)諧振式)逆變電路、雙工作原理逆變橋?qū)蔷чl管以一定頻率交替觸發(fā)時(shí)，在負(fù)載感應(yīng)線圈中流過(guò)中頻電流，在線圈中產(chǎn)生中頻交變磁通。 當(dāng)將金屬(鋼鐵、銅、鋁)放入線圈中時(shí)，通過(guò)交變磁場(chǎng)，在金屬中產(chǎn)生渦電流和磁滯(鋼鐵)的效果，如圖5-9(b )所示，使金屬發(fā)熱熔融。 圖5-10是該逆變電路工作時(shí)的換流過(guò)程，圖5-11是該逆變電路的換流過(guò)程的波形。 交流電流的一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)穩(wěn)定的導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。 圖5-10并聯(lián)諧振式逆變器電路的換流過(guò)程、圖5-11并聯(lián)諧振式逆變器電路的動(dòng)作波形，為了保證可靠的換流相位，在負(fù)載電壓uo過(guò)零前的tf定時(shí)將VT2、V

8、T3、tf稱(chēng)為觸發(fā)前時(shí)間。 從圖5-11可知，在(5-4)式中，取t(23) tq。 由圖5-11可知，為了使導(dǎo)通的晶閘管截止來(lái)實(shí)現(xiàn)換流，必須使負(fù)載電路整體呈現(xiàn)電容性，使流過(guò)負(fù)載電路的電流基波分量io1前進(jìn)uo中頻電壓，使負(fù)載電流前進(jìn)負(fù)載電壓的時(shí)間t (5-5)，因此，必須使負(fù)載的功率因數(shù)角、 即，電流超前電壓的相位角為(5-5)， 如果3中頻電流、電壓和輸出功率的校正運(yùn)算忽略反相疊加時(shí)間t，則中頻負(fù)載電流io成為交變矩形波，如果在傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)中(5-7)上式中的基波電流有效值忽略(5-8)逆變器電路的功率損失，則逆變器電路輸入的有效功率即直流功率成為與輸出相等的式(5-7) 將代入上式(5

9、-12 )可知，通過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓Ud或改變逆變器角，能夠改變中頻輸出功率的大小。5.3.2電流型三相橋式逆變器、串聯(lián)二極管式逆變器為電流型逆變器，性能優(yōu)于電壓型逆變器，主要用于大中型電力交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。 圖5-12是其主電路，VT1VT6構(gòu)成三相橋逆變器，C1C6是換流電容，VD1 VD 6是隔離二極管，發(fā)揮防止換流電容直接通過(guò)負(fù)載放電的作用。 Za、Zb、Zc是電動(dòng)機(jī)的三相負(fù)載。該逆變器為120導(dǎo)電型，與三相橋整流類(lèi)似，在任意時(shí)刻只有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，管道導(dǎo)通順序?yàn)閂T1VT6，觸發(fā)脈沖間隔為60，每個(gè)管道導(dǎo)通120電角度。圖5-12串聯(lián)二極管式電流型三相橋式逆變器電路

10、、(1)換流前(2)晶閘管換流(3)二極管換流(4)正常運(yùn)行、圖5-13串聯(lián)二極管式逆變器電路換流過(guò)程、圖5-14在電流換流期間引起電動(dòng)機(jī)繞組中電流的急劇變化因?yàn)榕c原來(lái)的電壓重疊，所以在接近電流型逆變器輸出的正弦波的電壓波形中出現(xiàn)換流尖峰電壓(毛刺)，其數(shù)值大，在選擇晶閘管耐壓時(shí)必須考慮。圖5-14電流型三相電橋逆變器電路的輸出波形、5.3.3電流型逆變器的特征、(1)在直流側(cè)串聯(lián)連接大電感，直流側(cè)的電流幾乎沒(méi)有脈動(dòng)，由于大電感的電流抑制作用，直流電路顯示出高阻抗，有短路的危險(xiǎn)(2)電路中的開(kāi)關(guān)元件的作用只是改變直流電流的流路，所以從交流側(cè)輸出的電流是矩形波，與負(fù)載的性質(zhì)無(wú)關(guān)。 交流側(cè)的電壓波

11、形根據(jù)負(fù)載阻抗角而不同。 (3)由于直流側(cè)的電感不能反轉(zhuǎn)緩沖無(wú)效能量的作用，所以不需要在開(kāi)關(guān)元件上反并聯(lián)連接二極管，電路相對(duì)電壓型也簡(jiǎn)單。 5.4多重逆變器和多電平逆變器、5.4.1多重逆變器5.4.2多電平逆變器、5.4.1多重逆變器，如圖5-15(a )所示，逆變器和電路是完全相同的2個(gè)電壓型逆變器，兩變壓器的次級(jí)側(cè)如圖5所示圖5-15逆變器電壓疊加，圖5-16是電流型逆變器三重化的一個(gè)方案。 變頻器、之間有20個(gè)電氣角不同，通過(guò)3臺(tái)變壓器耦合并聯(lián)輸出。圖5-16逆變器電壓疊加、5.4.2多電平逆變器、圖5-17三電平逆變器電路、圖5-18三電平逆變器電路的不同控制時(shí)的負(fù)載相電壓UAN、圖

12、5-19三電平逆變器電路15時(shí)的負(fù)載相電壓波形、5.5脈沖寬度各脈沖的5.5.1 PWM控制的基本原理5.5.2 PWM逆變器及其優(yōu)點(diǎn)5.5.3 SPWM控制電路，5.5.1 PWM控制的基本原理，正弦波脈沖寬度調(diào)制的控制思想利用逆變器的開(kāi)關(guān)元件，根據(jù)控制線路以一定的規(guī)則使開(kāi)關(guān)元件通斷逆變器上的SPWM控制方式控制逆變器電路的開(kāi)關(guān)設(shè)備的通斷，在輸出端得到一系列振幅相等而寬度不相等的脈沖，使用這些脈沖來(lái)代替正弦波和其他必要的波形。 圖5-20 SPWM波形如圖5-21(a) (b )那樣，在正弦波和三角波的交點(diǎn)得到等寬矩形脈沖的集合，其寬度以正弦規(guī)則變化。 (1)逆變器輸出頻率與正弦調(diào)制波頻率相

13、同逆變器的輸出端需要進(jìn)行頻率變換時(shí)，如果變更調(diào)制波的頻率，則參照?qǐng)D5圖5-21(c )、(e ) (2)確定三角波與正弦調(diào)制波的交點(diǎn)，即逆變器輸出脈沖的寬度和相位。 通常采用一定幅度的三角波，但通過(guò)改變調(diào)制幅度值的方法能夠得到逆變器輸出波形的不同幅度，能夠得到不同的逆變器輸出電壓(參照?qǐng)D5-21(c )、(d ) )。圖5-21是使SPWM的輸出電壓和頻率變化時(shí)的波形，一般將正弦調(diào)制波的峰值urm與三角載波的峰值ucm之比定義為調(diào)制度m，也稱(chēng)為調(diào)制比或調(diào)制系數(shù)(Moducation Index )、(5-13 )、5 .的圖5-22單相橋單極性PWM控制的工作原理如圖5-23所示，按照PWM控

14、制的基本原理，將期望輸出的正弦波作為調(diào)制信號(hào)ur，將受到調(diào)制的等腰三角形波作為載波信號(hào)uc。 逆變器電路輸出的uo是PWM波形，如圖5-23所示，uof是uo的基波成分。 由于這樣的控制方式下的PWM波形只向一個(gè)方向變化，因此被稱(chēng)為單極性PWM控制方式。圖5-23單極性PWM控制原理波形、(2)雙極性PWM控制工作原理電路依然是圖5-22，調(diào)制信號(hào)ur保持正弦波，載波信號(hào)uc向正負(fù)兩個(gè)方向變化而變化為等腰三角形波，如圖5-24所示。圖5-24雙極PWM控制原理波形、2三相橋式PWM逆變器電路的工作原理電路如圖5-25所示，本電路采用GTR作為電壓型三相橋式逆變器電路的自關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件，負(fù)載為電感

15、性。圖5-25的三相橋PWM逆變電路如圖5-26所示，三相調(diào)制信號(hào)urU、urV、urW是相位依次相差120的正弦波，三相載波信號(hào)共享在正負(fù)方向上變化的三角波uc。 圖5-26所示的uUN波形是三相橋式PWM逆變器電路，是u相輸出的波形(相對(duì)n點(diǎn))。 3PWM的優(yōu)點(diǎn)(1)可分別進(jìn)行調(diào)頻、調(diào)壓和同時(shí)進(jìn)行調(diào)頻，全部逆變器統(tǒng)一完成，只有一個(gè)可控功率電平，因此簡(jiǎn)化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，裝置體積小，重量輕，成本低，可靠性高。 (2)直流電壓可以通過(guò)二極管整流得到，交流電網(wǎng)的輸入功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小和頻率無(wú)關(guān)，有接近1的多臺(tái)裝置，可以從同一臺(tái)不可控整流器的輸出向直流共用母線供給電力。 (3)

16、輸出頻率和電壓都在逆變器內(nèi)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，其響應(yīng)速度依賴(lài)于電子控制電路，與直流電路的濾波殘奧表無(wú)關(guān)，調(diào)節(jié)速度快，配合調(diào)節(jié)中的頻率和電壓，可以得到良好的動(dòng)態(tài)性能。 (4)輸出電壓或電流波形接近正弦，降低高次諧波成分。 5.5.3用PWM控制電路、1模擬電路生成PWM脈沖的工作原理本方法通常在正弦調(diào)制波和三角形載波的比較中發(fā)生，如圖5-27所示，正弦波發(fā)生器和三角波發(fā)生器分別由模擬電路構(gòu)成，在異步調(diào)制方式中，三角波的頻率一定， 正弦波的頻率和振幅隨著調(diào)制深度的增大而線性增大，圖5-27由模擬電路生成PWM脈沖，2由專(zhuān)用集成芯片構(gòu)成的三相SPWM控制電路已實(shí)用化，三相SPWM控制由專(zhuān)用的SPWM大規(guī)模單片集成電路進(jìn)行。 常用的專(zhuān)用集成芯片有HEF4752、SLE4520、MA818(828/838 )等。圖5-28 SLE4520引腳排列、5.6無(wú)源逆變電