電力電子技術(shù) 第3章 無源逆變和變頻

2023/2/11第3章無源逆變和變頻3.1無源逆變的概念3.4晶閘管三相逆變電路3.3交-直-交變頻器的構(gòu)成和控制模式3.2用于開關(guān)電源的逆變電路22023/2/13.1無源逆變的概念及應(yīng)用

有源逆變是將逆變器輸出的交流電能回送到交流電網(wǎng)，因此逆變器輸出的電壓的幅度、頻率以及相位都必須與電網(wǎng)電壓統(tǒng)一。

逆變是把直流電能變換成交流電能的過程，實(shí)現(xiàn)這種功能的裝置叫做逆變器。無源逆變是指逆變器輸出的交流電能直接供給負(fù)載而不送往交流電網(wǎng)。

32023/2/13.1無源逆變的概念及應(yīng)用

無源逆變電路多與其它電力電子變換電路組合形成具有特殊功能的電力電子設(shè)備。如無源逆變器與整流器組合為交-直-交變頻器。

整流和無源逆變的另一種組合是開關(guān)電源。

42023/2/13.2.1全橋式逆變器U為直流電源，作為逆變器的能源。S1~S4為四個(gè)電力電子開關(guān)，開關(guān)為全控型，可以控制開通也可控制關(guān)斷，但開關(guān)均為單向的，電流只能從圖的上端流向下端。因此多數(shù)全控型電力電子器件如GTR、IGBT、MOSFET等都可用來做此開關(guān)使用。

四個(gè)二極管VD1~VD4均與一個(gè)開關(guān)反并聯(lián)，其作用是續(xù)流，在負(fù)載為感性時(shí)為電流提供通路。2023/2/153.2用于開關(guān)電源的逆變電路逆變器3.2.1全橋式逆變器3.2.2半橋式逆變器3.2.3三相無源逆變器62023/2/13.2.1全橋式逆變器

S1、S4同步動(dòng)作，S2、S3同步動(dòng)作，S1、S4開通時(shí)S2、S3關(guān)斷，此狀態(tài)持續(xù)時(shí)間為T；S2、S3開通時(shí)S1、S4關(guān)斷，該狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間也為T。按照?qǐng)D3-4所示的電壓方向，在S1、S4導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓uO=U；S2、S3導(dǎo)通時(shí)uO=-U。負(fù)載電壓有效值UO為負(fù)載電壓中基波成分的有效值U1為

對(duì)于電阻性負(fù)載，負(fù)載電流的波形與負(fù)載電壓相同，也為矩形波。但如果負(fù)載是電感性的，由于電感電流不能突變，電流波形將發(fā)生改變，呈指數(shù)規(guī)律變化。72023/2/13.2.1全橋式逆變器對(duì)n次諧波電流可有下式計(jì)算公式為：

其中Umn為n次諧波電壓的振幅值。

為n次諧波的阻抗角。82023/2/13.2.2半橋式逆變器半橋式逆變電路的主電路如圖所示。主電路仍是橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有兩個(gè)橋臂改為兩個(gè)電容器C1、C2。這兩個(gè)電容器電容量相等且電容量很大，保證電路工作時(shí)每個(gè)電容器兩端的電壓均為電源電壓的二分之一。

半橋式電路的負(fù)載基波電壓有效值為

92023/2/13.2.3三相無源逆變器直流電源可能是電壓源，也可能是電流源電子開關(guān)可以與單相橋式電路一樣采用全控型電力電子器件，如GTR、IGBT、GTO等。

2023/2/1103.3.1電壓源型三相逆變器3.3.2無源逆變電路的控制模式3.3交-直-交變頻器的構(gòu)成和控制模式交-直-交變頻器PWM基本原理PWM控制方法112023/2/13.3.1電壓源型三相逆變器180度導(dǎo)電型各區(qū)間采用電容濾波直流電源為一電壓源電容濾波122023/2/13.3.1電壓源型三相逆變器180度導(dǎo)電型線電壓的波形180度導(dǎo)電型相電壓的波形132023/2/13.3.1電壓源型三相逆變器120度導(dǎo)電型各區(qū)間晶閘管導(dǎo)通情況和各相電壓、線電壓的數(shù)值。142023/2/13.3.1電壓源型三相逆變器120度導(dǎo)電型相電壓的波形120度導(dǎo)電型線電壓的波形152023/2/13.3.1電流源型三相逆變器電流源型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)采用電感濾波162023/2/13.3.1電流源型三相逆變器如果負(fù)載是星型連接，線電流就是相電流；如果負(fù)載是三角形連接，可由線電流求出相電流。在橋臂6、1導(dǎo)電時(shí)，線電流iC=0，負(fù)載電路相當(dāng)于ZBC和ZCA串聯(lián)后又與ZAB并聯(lián)，然后接于電源。

設(shè)電路工作在120o導(dǎo)電方式，由于電源為恒流型，任何一個(gè)橋臂導(dǎo)電，與之連接的線電流的絕對(duì)值為電源電流I，橋臂1、3、5導(dǎo)電時(shí)，與之連接的線電流為正；橋臂4、6、2導(dǎo)電時(shí)，與之連接的線電流為負(fù)。172023/2/13.3.2無源逆變電路的控制模式——PWM基本原理

PWM控制的理論基礎(chǔ)是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(shí)，其效果基本相同。其中的沖量指窄脈沖的面積；效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。PWM控制技術(shù)在無源逆變電路中應(yīng)用最廣，實(shí)際應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。182023/2/13.3.2無源逆變電路的控制模式——PWM基本原理無源逆變電路的實(shí)質(zhì)是用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波，將正弦半波N等分，可看成N個(gè)彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等，若用矩形脈沖代替每一等份，脈沖將是等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等的，其寬度按正弦規(guī)律變化，這樣就得到了無源逆變電路中常見的SPWM波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。要改變電路輸出的等效正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。192023/2/13.3.2無源逆變電路的控制模式——PWM控制方法就是根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)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，進(jìn)而得到所需PWM波形。這種方法比較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需波形時(shí)，也能得到等效的PWM波。就是將理想輸出波形作為調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，可以得到期望的PWM波形，通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，等腰三角波應(yīng)用最多，因?yàn)槠淙我稽c(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱.計(jì)算法調(diào)制法202023/2/13.3.2無源逆變電路的控制模式——PWM控制方法

三角波載波信號(hào)uc，正弦波調(diào)制信號(hào)ur。uc為正的三角波，調(diào)制電路實(shí)際上是一個(gè)電壓比較器。根據(jù)三角波和調(diào)制信號(hào)大小的不同，輸出高電平和低電平。

212023/2/13.3.2無源逆變電路的控制模式——PWM控制方法單極性SPWM控制方式，三角波載波信號(hào)uc與正弦波調(diào)制信號(hào)ur始終保持相同極性

雙極性SPWM控制方式，三角波載波信號(hào)和正弦波調(diào)制信號(hào)的極性均為正負(fù)交替改變。

單極性和雙極性

222023/2/13.3.2無源逆變電路的控制模式——PWM控制方法對(duì)于三相橋式逆變器，如圖3-21所示。三相的PWM控制電路公用三角波載波uc，三相的調(diào)制信號(hào)urA、urB和urC依次相差120。輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成。負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成。三相PWM控制232023/2/13.3.2無源逆變電路的控制模式——PWM控制方法242023/2/13.3.2無源逆變電路的控制模式——PWM控制方法異步調(diào)制和同步調(diào)制異步調(diào)制是載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的。其特點(diǎn)是在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱。同步調(diào)制是指載波比N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步的調(diào)制方式。分段同步調(diào)制實(shí)用中往往采用分段同步調(diào)制的方式。把fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段N不同。在fr高的頻段采用較低的