第4章無源逆變電路第一講

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(biāo)與分類逆變器的性能指標(biāo)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(shù)控制技術(shù) 4.6 4.6 負(fù)載換流式逆變電路負(fù)載換流式逆變電路 逆變器的性能指標(biāo)與分類逆變器的性能指標(biāo)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(yīng)用：）應(yīng)用：它用于直流電機(jī)的可逆調(diào)速、繞線型異步電機(jī)的它用于直流電機(jī)的可逆調(diào)速、繞線型異步電機(jī)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(fù)載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交負(fù)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(fù)載，流電供給負(fù)載，l2 2）應(yīng)用：）應(yīng)用：它在交流電機(jī)變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源它在交流電機(jī)變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源l等方面應(yīng)用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容。等方面應(yīng)用十分廣

3、泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)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(biāo)逆變器的性能指標(biāo) （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(biāo)。衡量逆變器輸出功率密度的指標(biāo)。 總諧波系數(shù)表征了一個實(shí)際波形同其基波的接近程度?？傊C波系數(shù)表征了一個實(shí)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(diǎn)分類）、根據(jù)輸入直流電源特點(diǎn)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(diǎn)分類）、根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 負(fù)載

6、換流型逆變電路；負(fù)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(fù)載特點(diǎn)分類）、根據(jù)負(fù)載特點(diǎn)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(jī)調(diào)速。流電動機(jī)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(jī)載電源、機(jī)車照明，通信等）、航空機(jī)載電源、機(jī)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(yīng)加熱電源，例如中頻電源，、可以做成感應(yīng)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(biāo)與分類逆變器的性能指標(biāo)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(shù)控制技術(shù)4.6 4.6 負(fù)載換流式逆變電路負(fù)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(fù)載。輸出負(fù)載。 當(dāng)開關(guān)當(dāng)開關(guān)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(dāng)開關(guān)當(dāng)開關(guān)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(dāng)以頻率當(dāng)以頻率fS交替切換開關(guān)交替切換開關(guān)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(guān)中主電路開關(guān)T1T4，它實(shí)際是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的它實(shí)際是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的一種理想模型。逆變電路中常用的開關(guān)器件有一種理想模型。逆變電路中常用的開關(guān)器件有快速晶閘管快速晶閘管、可關(guān)可關(guān)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(yīng)晶體管功率場效應(yīng)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(fù)載。將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負(fù)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(biāo)與分類逆變器的性能指標(biāo)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(shù)控制技術(shù)4.6 4.6 負(fù)載換流式逆變電路負(fù)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(dǎo)電臂構(gòu)成，每它由兩個導(dǎo)電臂構(gòu)成，每個導(dǎo)電臂由一個全控器件和個導(dǎo)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(shè)感性負(fù)載連接設(shè)感性負(fù)載連接在在A、0兩點(diǎn)間。兩點(diǎn)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： 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，半周反偏，且互補(bǔ)。信號各有半周正偏，半周反偏，且互補(bǔ)。 若負(fù)載為阻感負(fù)載，設(shè)若負(fù)載為阻感負(fù)載，設(shè)t2時刻以前，時刻以前，T1有驅(qū)有驅(qū)動信號導(dǎo)通，動信號導(dǎo)通，T2截止，則截止，則 u0=Ud/2。 t2時刻關(guān)斷的時刻關(guān)斷的T1，同時給同時給T2發(fā)出導(dǎo)通信號。發(fā)出導(dǎo)通信號。由于感性負(fù)載中的電流由于感性負(fù)載中的電流io不能立即改變方向，不能立即改變方向，于是于是D2導(dǎo)通續(xù)流，導(dǎo)通續(xù)流，u0=Ud /2 。 t3時刻時刻io降至零，降至零，D2截止，截止，T2導(dǎo)通，導(dǎo)通， io開開始反

13、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(guān)斷時刻關(guān)斷T2，同時給同時給T1發(fā)出導(dǎo)通信號，發(fā)出導(dǎo)通信號，由于感性負(fù)載中的電流由于感性負(fù)載中的電流io不能立即改變方向，不能立即改變方向，D1先導(dǎo)通續(xù)流，此時仍然有先導(dǎo)通續(xù)流，此時仍然有u0=Ud /2 ； t5時刻時刻io降至零，降至零， T1導(dǎo)通，導(dǎo)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

14、反饋饋的的無無功功能能量量 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(dāng)當(dāng) n=1時其時其基波分量的有效基波分量的有效值值為為: 4.3.122222/0dTdSOUdtUTUStnnUundo 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 電壓型單相半橋逆變電路電壓型單相半橋逆變電路缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：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(fù)載電壓接近正弦波通常在輸出端要）為了使負(fù)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(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 簡單，使用器件少；簡單，使用器件少；應(yīng)用：應(yīng)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(guān)器件全控型開關(guān)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(bǔ)，即的驅(qū)動信號互補(bǔ)，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(dǎo)通替導(dǎo)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(fù)同單相半橋逆變電路相比，在相同負(fù)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(fù)載時）純電阻負(fù)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(dǎo)通起負(fù)載電流續(xù)導(dǎo)通起負(fù)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(dǎo)通。均不導(dǎo)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(fù)載時）電感負(fù)載時22somodTILdtdiLU dsomULTI4 由由可得負(fù)載電流峰值為：可得負(fù)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 0 t 期間，期間，T1和和T4有驅(qū)動信有驅(qū)動信號，由于電流號，由于電流i0為負(fù)值，為負(fù)值，T1和和T4不導(dǎo)通，不導(dǎo)通，D1、D4導(dǎo)通起負(fù)載電流續(xù)流作用，導(dǎo)通起負(fù)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(dǎo)通。才導(dǎo)通。 t+期間，期間，