第4章++逆變電路

1、 逆變的概念 逆變與整流相對應，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。交流側(cè)接負載，為無源逆變無源逆變。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。主要應用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。本章講述無源逆變以單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路為例說明逆變電路最基本的工作原理圖4-1 逆變電路及其波形舉例負載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成

2、。S1、S4閉合閉合，S2、S3斷開斷開時，負載電壓uo為正正。S1、S4斷開斷開，S2、S3閉合閉合時，負載電壓uo為負負。直流電交流電1）逆變電路的分類 根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同根據(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Voltage Source Inverter-VSI直流側(cè)是電壓源電壓源電流型逆變電路又稱為電流源型逆變電路Current Source Inverter-CSI直流側(cè)是電流源電流源2）逆變電路的分類 根據(jù)主電路結構的不同根據(jù)主電路結構的不同主電路結構半橋逆變器、全橋逆變器、二電平逆變器、多電平逆變器。單相全橋逆變電路單相半橋逆變電路 1) 全橋逆變電路

3、共四個橋臂，每個橋臂由一個可控器件組成，負載上就可以得到交流電壓 ，這是一個幅值為直流電源電壓 的周期性交變電壓，相應的電流為 。兩對橋臂交替導通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)。RiRudU1) 全橋逆變電路工作原理V1、 V4和V2、 V3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 o為矩形波，幅值為Um=Ud/2。V1、4或V2、3通時，io和uo o同方向，直流側(cè)向負載提供能量；VD1、4或VD2、3通時，i io o和u uo o反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1 、4 、VD2、3稱為反饋二極反饋二極管管, ,它又起著使負載電流連

4、續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管續(xù)流二極管。tttUu5sin513sin31sin4doddo1m27.14UUUdd1o9 . 022UUU矩形波uo o展開成傅里葉級數(shù)其中基波的幅值Uo1mo1m和基波有效值Uo1o1分別為moU1dU 逆變電路輸出的交流電壓基波最大幅值 和直流電壓 之比稱為直流電壓利用率（或逆變電路輸出電壓增益），提高直流電壓利用率可以提高逆變器的輸出能力，因此這是逆變器性能的一個重要指標。阻感負載時，還可采用移相得方式來調(diào)節(jié)輸出電壓移相調(diào)壓移相調(diào)壓。V3的基極信號比V1落后q （0 q 180 ）。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180q。輸出電壓是正負各為q的脈

5、沖。改變q就可調(diào)節(jié)輸出電壓。圖4-4 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式1）半橋逆變電路u圖46 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理V1和V2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 o為矩形波，幅值為Um=Ud/2。V1或V2通時，io和uo o同方向，直流側(cè)向負載提供能量；VD1或VD2通時，i io o和u uo o反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管反饋二極管, ,它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管續(xù)流二極管。半橋逆變電路的電

6、壓計算公式與全橋電路的輸出電壓公式基本相同，只是式中的U Ud d要換成U Ud d/2/2。因而，可以看出全橋逆變電路的直流電壓利用率（輸出電壓增益）比半橋逆變電路要高。優(yōu)點優(yōu)點：電路簡單，使用器件少。缺點缺點：輸出交流電壓幅值為U Ud d/2/2，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。3） 帶中心抽頭變壓器的逆變電路圖4-8 帶中心抽頭變壓器的逆變電路Ud和負載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1時，uo和io o波 形及幅值與全橋逆變電路完全相同。與全橋電路的比較：比全橋電路少用一半開關器件

7、。器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高 一倍。必須有一個變壓器 。交替驅(qū)動兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負載加上矩形波交流電壓。兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路應用最廣的是三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路圖4-9 三相電壓型橋式逆變電路基本工作方式180導電方式導電方式每橋臂導電180，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120 。任一瞬間有三個橋臂同時導通。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流縱向換流。 各管的導通情況依次是V1、V2、V3；V2、V3、V4；V3、V4、V5；V4、V5、V6；V5、V6、V1；V6、

8、V1、V2；BOAOABuuuCOBOBCuuuAOCOCAuuu線電壓由相電壓相減得出： 線電壓的波形是寬為1200的矩形波，各線電壓波形依次相差1200。ntnntUtttttUusin1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2ddUN 式中，式中， ，k為自然數(shù)。為自然數(shù)。16 knd202UNUN471.0d21UtuU負載相電壓uBO展開成傅里葉級數(shù)得電壓輸出相電壓有效值UBO為基本的數(shù)量關系 相電壓中無余弦項、偶次項和3的倍數(shù)次諧波。電壓中最低為5次諧波，含量為基波的20%，其余為7次諧波，含量為基波的14.2%。nktnntUtttttUusin)

9、1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV式中，式中， ，k為自然數(shù)。為自然數(shù)。16 knd202UVUV816.0d21UtuU基本的數(shù)量關系負載線輸出線電壓uBC展開成傅里葉級數(shù)得電壓輸出線電壓有效值UBC為 線電壓中的諧波分量與相電壓中的諧波分量相同，只是符號不同，使波形產(chǎn)生差異。線電壓比相電壓的幅值大3線電壓與相電壓有效值之間仍有 倍的關系。3180導電方式逆變器中，防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時導通而引起直流側(cè)電源短路，應采取“先斷后通”。先給應關斷的器件關斷信號，待其關斷后留一定的時間裕量，然后再給應導通的器件發(fā)出開通信號，即在兩

10、者之間留一個短暫的死區(qū)時間。一相上下兩橋臂間的換流過程和半橋電路相似。 120導電方式導電方式由于同一橋臂中上下兩管有600 0 的導通間隙，對換流的安全有利，但管子的利用率較低，并且若電機采用星型接法，則始終有一相繞組斷開，在換流時該相繞組中會引起較高的感應電勢，應采用過電壓保護措施。 各管的導通情況依次是00 0 60 V6、V1；600 0 120 V1、V2；dAOUu21dBOUu210COudAOUu210BOudCOUu21當逆變器的負載為感性時，逆變器必須設置滯后電流的續(xù)流回路。負載已知時，可由相電壓uAO波形求出iA波形。 和 之和組成iA的正向電流，。橋臂1、3、5的電流相

11、加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個特點。感性負載下的三相橋式逆變器和無功能量的反饋1Vi4VDi 在感性負載下，反饋二極管是必不可少的。它既能提供感性負載電流的通道，避免過電壓的出現(xiàn)、又可減少電流、改善逆變器的效率。在電壓型逆變器向電網(wǎng)反饋能量時，必須專門設置一個用來反饋能量的有源逆變電橋；原因：電壓型逆變器的直流電壓極性不變，故必須使直流電流反向才能反饋能量，因而反饋用的逆變橋，必須反并聯(lián)，使反方向的反饋電流進入電網(wǎng)。與電流型逆變器相比，這是較大的缺點。換流換流電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的

12、過程，也稱為換相換相。換流方式可分為：1) 器件換流（Device Commutation）利用全控型器件的自關斷能力進行換流。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。2) 電網(wǎng)換流（Line Commutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。3) 負載換流（Load Commutation） 由負載提供換流電壓稱為負載換流。凡是負載電流的相位超前于負載電壓的場合，都可以實現(xiàn)負載換流。4) 強迫換流（Forced Commutation） 設置附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強迫換流。電流型逆變電

13、路主要特特點點 (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流型逆變電路電路。圖4-11 電流型三相橋式逆變電路 (2) 交流輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關。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。 1) 電路原理圖412 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路由四個橋臂構成，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。工作方式為負載換流負載換流。 多用于感應加熱爐的電感

14、線圈供電的中頻電源。電容C和L 、R構成并聯(lián)諧振電路（略容性）。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖413并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形2) 工作分析一個周期內(nèi)有兩個一個周期內(nèi)有兩個導通階段和兩個換導通階段和兩個換流階段。流階段。t t1 1 t t2 2：VT1和VT4穩(wěn)定導通階段穩(wěn)定導通階段，i i= =I Id d，t t2 2時刻前在C上建立了左正右負的電壓。t t2 2 t t4 4：t

15、t2 2時觸發(fā)VT2和VT3開通，進入換流階段換流階段。LT使VT1、VT4不能立刻關斷，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。t=t4時，VT1、VT4電流減至零而關斷，換流階段結束。t4t2= tg g 稱為換流時間換流時間。保證晶閘管的可靠關斷保證晶閘管的可靠關斷晶閘管需一段時間才能恢復正向阻斷能力，換流結束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時間tb。tb b= t5- t4應大于晶閘管的關斷時間tq。 。io在t3時刻，即iVT1

16、=iVT2時刻過零，t3時刻大體位于t2和t4的中點。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖413并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形為保證可靠換流應在uo過零前td d= t5- t2時刻觸發(fā)VT2、VT3 。. td 為觸發(fā)引前時間觸發(fā)引前時間 (4-16)io超前于uo的時間 (4-17)表示為電角度 (4-18) 為電路工作角頻率；g、b分別是tg g、tb b對應的電角度。忽略換流過程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級數(shù) (4-19)基波電流有效值 (4-20

17、)負載電壓有效值Uo和直流電壓Ud的關系（忽略Ld的損 耗，忽略晶閘管壓降） (4-21)tttbgttt2bgbg22tttttIi5sin513sin31sin4dodd1o9 . 024IIIcos11. 1cos22ddoUUU（1）濾波環(huán)節(jié)電壓型逆變電路的直流濾波環(huán)節(jié)，是并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動，相當于電壓源，直流回路呈現(xiàn)低阻抗；而電流型逆變電路直流側(cè)串聯(lián)有大電感，直流側(cè)電流基本無脈動，相當于電流源，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。（2）輸出波形電壓型逆變電路輸出電壓是矩形波或階梯波，且與負載阻抗角無關，輸出電流波形含有高次諧波并對負載變化反應迅速；而電流型逆變電路輸出電流是矩形波或階梯

18、波，輸出電壓波形取決于負載，對于電動機負載，其波形接近于正弦波。（3）電路結構對于電壓型逆變電路，當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道。逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。對于電流型逆變電路，當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。因為反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關器件反并聯(lián)二極管。（4）四象限運行電壓型變換器不容易進行四象限運行，原因是回饋制動時要求逆變橋運行在整流狀態(tài)，而整流橋運行在逆變狀態(tài)，由于直流環(huán)節(jié)接有大電容，因此改變極性很困難。為了使電壓型變換器

19、進行四象限運行，就要再設置一個全控整流橋與原來的整流橋反并聯(lián)，反向的全控整流橋的作用主要是實現(xiàn)電機的回饋制動。電流型逆變電路因直流環(huán)節(jié)串有大電感，在維持電流方向不變的情況下，逆變橋和整流橋可以很方便的改變極性，從而回饋電機的制動功率。所以電流型逆變電路容易實現(xiàn)四象限運行。（5）負載電壓型變換器適用于帶多臺電機齊速運行；電流型變換器適于單機拖動，尤其適于加減速頻繁需經(jīng)常反轉(zhuǎn)的場合。電壓型電壓型逆變電路輸出電壓是矩形波，電流型電流型逆變電路輸出電流是矩形波，含有較多諧波。多重逆變電路多重逆變電路把幾個矩形波組合起來，接近正弦。多電平逆變電路多電平逆變電路輸出較多電平，使輸出接近正弦。 多重逆變電路

20、多重逆變電路 電壓型、電流型都可多重化，以電壓型電壓型為例。單相電壓型二重逆變電路兩個單相全橋逆變電路組成，輸出通過變壓器T1和T2串聯(lián)起來。輸出波形：兩個單相的輸出u1和u2是180矩形波。圖4-21 二重逆變電路的工作波形12060180tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo圖4-20 二重單相逆變電路u1和u2相位錯開 =60,其中的3次諧波就錯開了 360=180。變壓器串聯(lián)合成后，3次諧波互相抵消，總輸出電壓中不含3次諧波。uo波形是120矩形波，含6k1次諧波，3k次諧波都被抵消。多重逆變電路有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種串聯(lián)多重串聯(lián)多重把幾個逆變電路的輸出串聯(lián)起來，多用于電壓型電壓型

21、。并聯(lián)多重并聯(lián)多重把幾個逆變電路的輸出并聯(lián)起來，多用于電流型電流型。12060180tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo圖4-21 二重逆變電路的工作波形圖4-20 二重單相逆變電路回顧圖4-9三相電壓型橋式逆變電路和圖4-10的波形。以N為參考點，輸出相電壓有U Ud d/2/2和-U-Ud d/2/2兩種電平，稱為兩電平逆變電路兩電平逆變電路。圖4-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3 三電平逆變電路三電平逆變電路也稱中點鉗位型逆變電中點鉗位型逆

22、變電路路（Neutral Point Clamped） 當A相開關處于三種不同位置時，相對電源中點O的輸出電位為 、0、 。因此稱三點式或三電平逆變器。1Z2Z3ZO2dU2dUdCdCABCO 圖4-15 三點式（三電平）逆變電路示意圖2dU2dU 三電平逆變電路三電平逆變電路也稱中點鉗位型逆變電路中點鉗位型逆變電路（Neutral Point Clamped）每橋臂由兩個全控器件串聯(lián)構成，兩者中點通過鉗位二極管和直流側(cè)中點相連 。圖4-25 三電平逆變電路以U U相相為例分析工作情況V11和V12（或VD11和VD12）通，V41和V42斷，UO間電位差為Ud/2。V41和V42（或VD4

23、1和VD42）通，V11和V12斷，UO間電位差為-Ud/2。V12和V41導通，V11和V42關斷時，UO間電位差為0。V12和V41不能同時導通。i iU U00時，V12和VD1導通。i iU U00時，V41和VD4導通。圖4-25 三電平逆變電路線電壓的電平線電壓的電平相電壓相減得到線電壓。兩電平逆變電路的輸出線電壓有Ud和0三種電平。三電平逆變電路的輸出線電壓有Ud、Ud/2和0五種電平。三電平逆變電路輸出電壓諧波可大大少于兩電平逆變電路。三電平逆變電路另一突出優(yōu)點：每個主開關器件承受電壓為直流側(cè)電壓的一半。因此，這種電路特別適合于高壓大容量的應用場合。PWM控制技術正是有賴于在逆

24、變電路逆變電路中的成功應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位?，F(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術。在電力傳動和電力牽引領域中，逆變器大多是感應電動機的電源，因此需要隨著頻率的改變而改變逆變器的輸出電壓，以保持V/f 為恒值，使電機具有恒轉(zhuǎn)矩的性能。也就是說要輸出一個電壓、頻率都可調(diào)的交流電源（VVVF）。間接變頻裝置（間接變頻裝置（交交-直直-交交）的各種形式）的各種形式斬波器DC調(diào)壓DC不 控整 流50Hz AC逆變ACVVVF調(diào)頻AC可 控整 流50Hz 調(diào)壓逆變ACVVVF調(diào)頻不 控整 流50Hz AC調(diào)壓調(diào)頻PWM逆變器ACVVVFDCDC功率因數(shù)小，諧波嚴重，一般用于電壓變

25、化不太大的場合諧波問題仍然沒有解決主電路不用附加其他裝置，結構簡單，性能優(yōu)良。 上述一系列等高不等寬的脈沖列，可以用計算方法求得，但較為實用的方法是調(diào)制法，即以所期望的正弦波作調(diào)制波，對它進行調(diào)制的等腰三角波稱為載波。當?shù)妊遣ㄅc正弦波相交時，用交點控制逆變器開關的通斷，即可得到一組等幅而脈沖寬度正比于正弦曲線函數(shù)值的矩形波，這就是正弦脈寬調(diào)制技術（SPWM）。雙極性PWM控制方式波形urucuOttuouofod單極性PWM控制方式波形urucuOtOuouofuoUd-Ud衡量PWM控制方法的標志：基本標志基本標志 輸出波形中所含諧波的多少重要要求重要要求 1、提高逆變電路的直流電壓利用

26、率 提高逆變器的輸出能力提高逆變器的輸出能力 2、較少開關次數(shù)降低開關損耗降低開關損耗輸出電壓諧波的分布是衡量PWM控制策略的最基本的指標之一。逆變器在PWM 脈沖的控制下將直流電能變換成交流電能的過程中，除了產(chǎn)生所需要的基波成分外，還會產(chǎn)生大量的諧波。輸出諧波的大小直接關系到輸出電能質(zhì)量的好壞，但在實際中不應只對輸出諧波進行籠統(tǒng)的“大小”評價，更準確的應該是對PWM 輸出中不同諧波的分布和含量進行研究，以便尋求最佳的抑制乃至消除PWM 逆變器諧波影響的措施。 技術性能指標（一）技術性能指標（一）輸出電壓諧波的分布開關頻率的提高受開關損耗和開關器件的開關速度的限制，這一矛盾在大功率裝置中尤為突

27、出。如何用較低的開關頻率（當然也就意味著相對較小的開關損耗）盡可能地保證輸出電能的質(zhì)量，就成為PWM 控制策略設計者必須考慮的非常重要的因素。 技術性能指標（二）技術性能指標（二）開關器件的開關損耗對于電壓型逆變器，在一定的直流環(huán)節(jié)電壓條件下，PWM 控制所能產(chǎn)生的最高交流輸出電壓代表了該PWM 控制策略直流電壓利用率的高低。 技術性能指標（三）技術性能指標（三）直流環(huán)節(jié)電壓的利用率PWM波形生成的第三種方法跟蹤控制方法跟蹤控制方法。把希望輸出的波形作為指令信號，把實際波形作為 反饋信號，通過兩者的瞬時值比較來決定逆變電路各開關器件的通斷，使實際的輸出跟蹤指令信號變化。常用的有滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式和固定開關頻率方式固定開關頻率方式。 1) 跟蹤型PWM變流電路中，電流跟蹤控制應用最多。圖4-21 滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流圖4-20 滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例基本原理基本原理把指令電流i*和實際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環(huán)比較器的輸入。V1（或VD1）通時，i增大V2（或VD2