電力電子學電課無源逆變演示文稿

電力電子學電課無源逆變演示文稿當前第1頁\共有80頁\編于星期六\8點優(yōu)選電力電子學電課無源逆變當前第2頁\共有80頁\編于星期六\8點第六章無源逆變電路當前第3頁\共有80頁\編于星期六\8點6.1概述無源逆變直流交流（向負載直接供電）無源逆變電路簡稱逆變電路

通常由全控器件構成逆變與變頻逆變電路經常與變頻的概念聯(lián)系在一起變頻電路：

分為交交變頻和交直交變頻兩種，后者由交直變換和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變當前第4頁\共有80頁\編于星期六\8點

無源逆變技術的應用直流電源如蓄電池、干電池和太陽能電池逆變電路交流負載供電直流電源給交流負載供電當前第5頁\共有80頁\編于星期六\8點交流電源：列車照明、感應加熱電源、電解電鍍電源、不停電電源（UPS）、高頻焊機、高頻電子鎮(zhèn)流器和航空電源等交流調速系統(tǒng)：鐵道牽引、大型工礦機車、城市有軌交通（地鐵和輕軌車）、重型電傳動汽車和礦井提升設備等RO1BrakeControl+24VBrakeResistor當前第6頁\共有80頁\編于星期六\8點逆變器的基本類型按電路結構分類橋式零式按輸出相數(shù)分類單相多相按器件分類半控型全控型按調制方法分類PWMPAM方波、階梯波按導通的角度分類180120按強迫換流的特點諧振型并聯(lián)電容型等當前第7頁\共有80頁\編于星期六\8點按直流側電源的性質分類（常用此分類）電壓型逆變器

電流型逆變器直流側電源為準恒壓源直流側電源為準恒流源當前第8頁\共有80頁\編于星期六\8點6.2無源逆變電路原理一、單相半橋逆變電路1、電路結構當前第9頁\共有80頁\編于星期六\8點2、工作原理/波形分析T1導通、T2截止：Uan=Ud/2T1截止、T2導通：Uan=-Ud/2當前第10頁\共有80頁\編于星期六\8點結論①T1、T2輪流導通，使直流變?yōu)榻涣鳍诟淖僒1、T2的切換頻率，便可改變輸出交流的頻率，即變頻③與輸出電壓同方向的電流流過開關管T，與輸出電壓反方向的電流流過二極D，因此在電壓型逆變器中二極D是必須的，它提供了反向電流通路，故稱為反饋二極管。同時D又起著使負載電流連續(xù)的作用，因此又稱為續(xù)流二極管④T1、T2不能同時導通，否則將出現(xiàn)直流電源短路——貫穿短路。因此電壓型逆變器同一橋臂上、下管的控制必須遵循“先斷后開”原則當前第11頁\共有80頁\編于星期六\8點3、基本關系輸出電壓有效值輸出電壓表達式基波電壓有效值電感負載電流峰值

R-L負載電流基波分量當前第12頁\共有80頁\編于星期六\8點二、單相全橋逆變電路1、電路結構當前第13頁\共有80頁\編于星期六\8點2、工作原理、波形分析T1、T4導通，T2、T3截止：

Uan=UdT1、T4截止，T2、T3導通：

Uan=-Ud當前第14頁\共有80頁\編于星期六\8點3、基本關系輸出電壓表達式基波電壓有效值電感負載電流峰值

R-L負載電流其中當前第15頁\共有80頁\編于星期六\8點四、兩種單相逆變電路比較1、單相全橋逆變電路在單相逆變電路中，全橋逆變電路應用最多2、單相半橋逆變電路結構簡單，所用器件比全橋電路少一半。但輸出交流電壓幅值低，且直流側需要兩個電容串聯(lián)，工作時需要控制兩個電容器電壓的均衡常用于幾KW以下的小功率逆變電源等場合當前第16頁\共有80頁\編于星期六\8點6.3三相逆變器工作原理一、三相電壓型逆變器工作原理

負載連接方式

Δ型連接

Y型連接

電路結構

根據(jù)各管導通時間分：

180導電型

120導電型電壓型三相橋式逆變器原理圖當前第17頁\共有80頁\編于星期六\8點1、功率器件的控制規(guī)律導通順序六個階段，依次相差60任何時刻有三個開關管同時導通各管導通180（一）1800導電型工作原理當前第18頁\共有80頁\編于星期六\8點2、各階段等值電路及電壓值當前第19頁\共有80頁\編于星期六\8點3、電壓波形相電壓波形（六階梯波）線電壓波形（矩形波）電壓型逆變器：①輸出電壓波形與負載性質（負載阻抗角）無關當前第20頁\共有80頁\編于星期六\8點4、感性負載電流負載電流阻抗角小于60（a）A相電壓波形Uan（b）A相電流波形ia（c）T1的電流波形iT1（d）D4的電流波形iD4（e）直流輸入電流id負載電流阻抗角大于60電壓型逆變器：②輸出電流波形與負載性質（負載阻抗角）有關③直流側電流是脈動電流當前第21頁\共有80頁\編于星期六\8點5、電壓表達式相電壓表達式線電壓表達式方波控制時：①輸出電壓中含有大量的諧波分量，特別是5、7、11、

13次等諧波當前第22頁\共有80頁\編于星期六\8點相電壓有效值線電壓有效值方波控制時：②交流輸出電壓與直流側電壓的關系固定，即方波輸出電壓型逆變器本身不能調節(jié)輸出電壓。若想調節(jié)逆變器輸出電壓，只有通過調節(jié)直流側電壓，即通過PAM控制方式實現(xiàn)當前第23頁\共有80頁\編于星期六\8點120導通型三相逆變器的輸出波形相電壓波形線電壓波形當前第24頁\共有80頁\編于星期六\8點180

導通方式和120導通方式的比較：

120方式上下兩管間有60

的間隙，對換流有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，則始終有一相斷開，在換流時會引起較高的感應勢，而180方式無論在三角形還是星形接法時，正常工作都不會產生過電壓，故180

方式應用較為普遍當前第25頁\共有80頁\編于星期六\8點感性負載情況

負載電流滯后角小于60（a）A相電壓波形（b）A相電流波形（c）T1的電流波形（d）D4的電流波形（e）直流輸入電流當前第26頁\共有80頁\編于星期六\8點負載電流滯后角大于60當前第27頁\共有80頁\編于星期六\8點感性負載下逆變器中可能有三種電流：功率電流它通過兩個或三個逆變管，將能量從直流電源送到負載環(huán)路電流它在逆變器內部經過一個逆變管和一個反饋二極管，形成環(huán)流，但此環(huán)流不經過電源反饋電流它通過兩個反饋二極管將負載的能量反饋到直流電源中去當前第28頁\共有80頁\編于星期六\8點（三）電壓型逆變器有功功率的反饋電動機負載工作在發(fā)電機狀態(tài)時，其發(fā)出的電能通過逆變器電路中的反饋二極管D1~D6回饋到直流側，使直流側電壓Ud升高為限制Ud

，必需將回饋的電能消耗掉或回饋到電網(wǎng)，具體方案有：通過制動單元消耗掉通過有源逆變橋回饋到電網(wǎng)（見再生方案1）通過脈沖整流器回饋到電網(wǎng)（見再生方案2）當前第29頁\共有80頁\編于星期六\8點再生方案1系統(tǒng)可四象限運行功率因數(shù)低諧波電流大主電路復雜通過有源逆變器將再生能量反饋給電網(wǎng)逆變器/電機系統(tǒng)的再生方案一當前第30頁\共有80頁\編于星期六\8點再生方案2系統(tǒng)可四象限運行功率因數(shù)高（接近于1）諧波電流小控制較復雜通過脈沖變流器將再生能量反饋給電網(wǎng)逆變器/電機系統(tǒng)的再生方案二當前第31頁\共有80頁\編于星期六\8點二、三相電流型逆變器工作原理1、電路結構：電流型逆變器：①感性負載時，輸出側要接電容以吸收換流時負載電感中存的能量②橋臂必須是“逆阻型”橋臂當前第32頁\共有80頁\編于星期六\8點另外一種電路形式當前第33頁\共有80頁\編于星期六\8點優(yōu)點：由于有大電感抑流，短路的危險性也比電壓型逆變器小得多電路對晶閘管關斷時間（即晶閘管的快速性）的要求比電壓型逆變器的要求低，電路相對電壓型也比較簡單，造價略低當前第34頁\共有80頁\編于星期六\8點2、工作原理及主要波形（以1200導電方式為例）功率器件的控制規(guī)律當前第35頁\共有80頁\編于星期六\8點線電流波形負載Δ型連接時的相電流波形電流型逆變器③輸出電流波形與負載性質（負載阻抗角）無關電流型三相逆變電路1200導電的相電流、線電流波形當前第36頁\共有80頁\編于星期六\8點負載Δ型連接時：方波控制時：①輸出電流中含大量諧波分量，特別是5、7、11、13次等諧波②交流輸出電流與直流側電流的關系固定，即方波輸出電流型逆變器本身不能調節(jié)輸出電流。若想調節(jié)逆變器輸出電流，則只有通過調節(jié)直流側電流，即通過PAM控制方式實現(xiàn)線電流表達式相電流表達式當前第37頁\共有80頁\編于星期六\8點理想情況下，相電流中：基波電流的幅值為基波電流有效值為相電流的有效值為當前第38頁\共有80頁\編于星期六\8點3、電流型逆變器有功功率的反饋：再生方案1將交流電源端的相控整流器控制角后移到>90，使整流器成為有源逆變器，工作在再生狀態(tài)當前第39頁\共有80頁\編于星期六\8點再生方案2通過脈沖變流器將再生能量反饋給電網(wǎng)當前第40頁\共有80頁\編于星期六\8點4、特點：由于有大電感抑流，短路的危險性也比電壓型逆變器小得多。電路對功率器件關斷時間（即功率器件快速性）的要求比電壓型逆變器的要求低不需要增設反并聯(lián)的再生變流裝置電感重量、體積都很大，實際使用不如電壓型逆變器廣泛當前第41頁\共有80頁\編于星期六\8點小結電壓型逆變器與電流型逆變器特點比較：直流側電路橋臂橋臂控制交流輸出電路交流輸出電壓、電流與負載性質是否有關有功功率反饋當前第42頁\共有80頁\編于星期六\8點6.4PWM技術方波控制逆變器的問題本身不能調節(jié)輸出量幅值輸出量中含有大量的5、7、11、13次諧波解決方法采用PWM控制技術本課程主要討論電壓型PWM逆變器控制方法當前第43頁\共有80頁\編于星期六\8點PWM控制的理論基礎——沖量等效原理沖量指窄脈沖的面積指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同方波窄脈沖三角波窄脈沖正弦半波窄脈沖單位沖擊函數(shù)形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖：當前第44頁\共有80頁\編于星期六\8點一、正弦脈寬調制（SPWM）原理1、目標函數(shù)——正弦電壓使脈沖列電壓的作用效果盡量接近正弦波電壓的作用效果2、基本原理（說明SPWM波與正弦波如何等效問題）

根據(jù)沖量等效（面積等效）原理，用一組幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖列來代替正弦波按同一比例改變各脈沖的寬度即可改變等效正弦波的幅值當前第45頁\共有80頁\編于星期六\8點如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波當前第46頁\共有80頁\編于星期六\8點如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波？SPWM波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當前第47頁\共有80頁\編于星期六\8點3、SPWM的控制方法（說明SPWM波實現(xiàn)方法問題）離線計算法：根據(jù)輸出正弦波的頻率、幅值和半個周期內的脈沖數(shù)計算PWM波各脈沖的寬度和間隔缺點：計算量大，繁瑣調制法：將目標函數(shù)（波形）作為調制信號，通過對載波的調制得到PWM波形一般用等腰三角形波作為載波根據(jù)輸出電壓波形的極性可分為單極性（或不對稱）調制和雙極性（或對稱）調制當前第48頁\共有80頁\編于星期六\8點

正半周：T1導通，T4交替通斷（當ur>uc時導通、ur<uc時關斷），T2、T3截止負半周：T2導通，T3交替通斷（當ur>uc時導通、ur<uc時關斷），T1、T4截止逆變器輸出電壓也只有一種極性，正半周為+Ud和零，負半周為-Ud和零在半個周期內三角載波只有一種極性（調制波正、負半周分別為+、-）

單極性調制當前第49頁\共有80頁\編于星期六\8點雙極性調制在半個周期內三角載波有兩種極性同一橋臂上的兩個管子處于互補工作狀態(tài)ur>uc時：T1

、T4導通，T2、T3截止，uo=UDur<uc時：

T2

、T3導通，T1、T4截止，uo=-UD逆變器輸出電壓也有兩種極性，+Ud和-Ud當前第50頁\共有80頁\編于星期六\8點在雙極性PWM控制方式中，同一橋臂的兩個管子是互補工作的。為了防止橋臂直通短路，在給一個管子施加關斷信號后，再延遲△t時間（亦即通常所說的死區(qū)時間），才給另一個管子施加導通信號。延遲時間的長短主要由管子的關斷時間決定。這個延遲時間將會給輸出的PWM波形帶來影響，使其偏離正弦波與單極性調制相比，雙極性調制可以使逆變器有較高的利用率（較大的輸出電壓）在相同載波比的條件下，單極性調制比雙極性調制有更好的諧波抑制效果。因為單極性調制時輸出電壓波形的變化幅度為Ud

，而雙極性調制時輸出電壓波形的變化幅度為2Ud當前第51頁\共有80頁\編于星期六\8點三相逆變器一般采用雙極性調制三相電路中公用一個三角波載波uc

，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱為使正、負半周鏡對稱，N一般取奇數(shù)A相控制原理：當ura>uc時，上橋臂T1導通，下橋臂T4關斷，uao=Ud/2；當ura<uc時，T4導，T1關斷，uao=-Ud/2B相和C相的控制方式和A相相同三相調制信號ura、urb和urc的相位依次相差120°當前第52頁\共有80頁\編于星期六\8點二、SPWM波的基波電壓在電壓型逆變器輸出的SPWM電壓波形中對負載有用的只是基波電壓，諧波電壓在負載上產生諧波電流，只會給負載帶來負面影響，如產生諧波損耗、噪音、脈動轉矩。因此基波電壓越大越好可以證明當n

較大時，SPWM電壓波形的基波電壓與調制信號ur的幅值近視成正比，因此調節(jié)ur的幅值便可控制基波電壓的幅值調節(jié)ur的頻率便可控制基波電壓的頻率當前第53頁\共有80頁\編于星期六\8點SPWM脈沖的一般表達式：數(shù)學分析結論：（前提條件：n不太少，sin/2n

/2n，sini/2i/2）

結論一：輸出基波電壓幅值U1m與脈寬i有關，調節(jié)調制信號的幅值可以改變各脈沖的寬度，實現(xiàn)對逆變器輸出電壓基波的平滑調節(jié)當前第54頁\共有80頁\編于星期六\8點

結論二：脈沖寬度與該處正弦值近似成正比。輸出的SPWM波是兩側窄、中間寬、脈寬按正弦規(guī)律逐漸變化的序列脈沖波形

U1m=Um

結論三：SPWM逆變器輸出的基波電壓正是調制時所要求的等效正弦波

當前第55頁\共有80頁\編于星期六\8點

由整個推導過程得結論四：分頻比N越大，輸出波形越接近正弦當前第56頁\共有80頁\編于星期六\8點三、對脈寬調制的制約條件1、定義載波頻率fc與調制波頻率fr之比為載波比N，定義調制波與載波的幅值之比為調制比M2、對脈寬調制的制約條件（1）器件開關頻率對N的限制：為了使逆變器的輸出波形盡量接近正弦波，應盡可能增大N

，但N必須滿足下列條件當前第57頁\共有80頁\編于星期六\8點（2）器件的導通時間ton、關斷時間toff對M的限制（最小脈寬與最小間歇的限制）：為保證主電路開關器件的安全工作，必須使調制成的脈沖波有個最小脈寬與最小間歇的限制，以保證最小脈沖寬度大于開關器件的導通時間ton，而最小脈沖間歇大于器件的關斷時間toff

因此對M有限制，M在0~1之間，實際上小于1

當前第58頁\共有80頁\編于星期六\8點四、同步調制與異步調制

根據(jù)調頻過程載波比的變化情況，PWM調制方式可分為異步調制和、同步調制和分段同步調制1、異步調制：載波信號和調制信號不同步的調制方式，通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的特點：在信號波的半周期內，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱——波形對稱性差當fr較低時，N較大，一周期內脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較小——低頻特性相對較好當fr增高時，N減小，一周期內的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響變大——高頻特性相對較差當前第59頁\共有80頁\編于星期六\8點2、同步調制：載波信號和調制信號保持同步的調制方式，當變頻時使載波與信號波保持同步，即N等于常數(shù)

同步調制三相PWM波形要求：三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱特點：高頻特性好；低頻特性差當前第60頁\共有80頁\編于星期六\8點分段同步調制方式舉例

3、分段同步調制：異步調制和同步調制的綜合應用討論：把整個fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持N恒定，不同頻段的N不同在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低為防止fc在切換點附近來回跳動，采用滯后切換的方法結論：同步調制比異步調制復雜，但用微機控制時容易實現(xiàn)可在低頻輸出時采用異步調制方式，高頻輸出時切換到同步調制方式，這樣把兩者的優(yōu)點結合起來，和分段同步方式效果接近當前第61頁\共有80頁\編于星期六\8點五、SPWM波形生成方式（一）模擬控制生成方式特點：實時性好，但控制電路復雜，可靠性差當前第62頁\共有80頁\編于星期六\8點（二）SPWM的數(shù)字控制生成方式數(shù)字控制生成方式（包括用微機實時計算生成或用專用芯片生成）目前最常用的生成方式特點：控制電路簡單、可靠用微機實時計算生成SPWM控制信號時，關鍵問題是如何快速、準確地計算出脈沖寬度。這主要取決于脈沖寬度計算方法和微機的計算速度專用芯片生成：控制電路簡單、可靠且實時性好當前第63頁\共有80頁\編于星期六\8點脈沖寬度經典計算方法介紹1、基本概念自然采樣法：按照正弦調制波與三角載波的自然交點，采集脈沖前、后沿時刻，生成SPWM波形，叫做自然采樣法（NaturalSampling）當前第64頁\共有80頁\編于星期六\8點規(guī)則采樣法：按照某種規(guī)則采集脈沖前、后沿時刻，生成SPWM波形，叫做規(guī)則采樣法（RegularSampling）。下圖為規(guī)則采樣的兩種方法當前第65頁\共有80頁\編于星期六\8點2、自然采樣法脈寬計算

超越方程，求解困難，雖能確切反映正弦脈寬調制的原始方法，卻不適于微機實時控制當前第66頁\共有80頁\編于星期六\8點3、規(guī)則采樣法II脈寬計算

規(guī)則采樣法的實質是用階梯波來代替正弦波，從而簡化了算法，適合微機實時控制當前第67頁\共有80頁\編于星期六\8點課堂思考1、獲得SPWM波形的基本方法有：硬件生成法、

和

。2、采用SPWM控制的電壓型逆變電路中，載波頻率越高，則輸出電壓中的諧波頻率越

。3、SPWM控制的逆變電路，輸出SPWM波半周期包含25個脈沖波，設逆變器輸出電壓基波頻率為200Hz，則電路中開關管的工作頻率為

。4、SPWM技術運用于電壓型逆變器中，當改變

可改變逆變器輸出電壓幅值；當改變

可改變逆變器輸出電壓頻率；當改變

可改變開關管的工作頻率。

5、電壓型無源逆變電路：①輸出電壓與負載性質無關 （ ）②輸出電流與負載性質無關 （ ）③直流側電流有脈動 （ ）④上、下橋臂的控制需遵循“先斷后開”的原則 （ ）6、SPWM電壓型逆變器采用同步調制，其特點有：①在調頻過程中載波頻率不變 （ ） ②在調頻過程中載波比不變 （ ）③低頻運行時輸出電壓波形對稱性好 （ ）④低頻運行時輸出電壓諧波分量較小 （ ）

當前第68頁\共有80頁\編于星期六\8點６.1~６.4小結1、無源逆變：直流交流（向負載直接供電）

2、無源逆變電路的分類3、三種單相電壓型逆變電路的工作原理、特點4、三相電壓型逆變電路的結構、工作原理分析；三相電流型逆變電路的結構、工作原理分析；電壓型逆變電路與電流型逆變電路的特點比較５、方波控制逆變器的缺點６、①

SPWM控制的目的、基本原理②單極性調制、雙單極性調制的原理、特點③三相逆變器一般采用雙極性調制，三相調制信號ura、urb和urc的相位依次相差120°，三相公用一個三角波載波uc

，一般取N為奇數(shù)且為3的整倍數(shù)④對脈寬調制的制約條件⑤何為異步調制、同步調制和分段同步調制，三者的特點⑥SPWM波形生成方式；自然采樣法、規(guī)則采樣法的原理及特點當前第69頁\共有80頁\編于星期六\8點6.5其它PWM控制方法

一、電流跟蹤控制PWM目標函數(shù)——正弦電流使實際輸出電流盡量接近正弦參考電流電流跟蹤控制的方法很多，最基本的方法是電流滯環(huán)跟蹤控制，其它方法都是對滯環(huán)跟蹤控制的改進當前第70頁\共有80頁\編于星期六\8點電流滯環(huán)跟蹤控制的原理設定參考電流i*環(huán)及環(huán)寬2h將實際電流i與參考電流i*比較根據(jù)比較結果控制上、下橋臂

當前第71頁\共有80頁\編于星期六\8點電流滯環(huán)跟蹤控制的原理設定參考電流i*環(huán)及環(huán)寬2h將實際電流i與參考電流i*比較根據(jù)比較結果控制上、下橋臂

當前第72頁\共有80頁\編于星期六\8點電流滯環(huán)跟蹤控制的特點屬于閉環(huán)控制（跟蹤型PWM控制的共同特點）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波電流控制的精度與滯環(huán)比較器的環(huán)寬有關環(huán)寬大：諧波電流分量大，但開關頻率低環(huán)寬?。褐C波電流分量小，但開關頻率高開關頻率不固定電流響應快控制電路簡單當前第73頁\共有80頁\編于星期六\8點影響開關頻率的因素

開關頻率fc與環(huán)寬2h成反比負載電感L越大，fc越小直流側電壓Ud值越大，fc越大參考電流i*變化率越大，fc越小負載反電勢Ea越大，fc越小當前第74頁\共有80頁\編于星期六\8點最大的開關頻率發(fā)生在Ea=0（電機堵轉）且參考電流i*的變化率為零的時刻，此時

為了在功率器件的允許開關頻率范圍內得到較好的電流波形，派生出了很多種電流跟蹤控制方法，這些控制方法的實質是：使任何時刻實際開關頻率盡可能達到最大設計值當前第75頁\共有80頁\編于星期六\8點PWM控制技術總結PWM控制技術在電力電子領域有著廣泛的應用，它推動了電力電子技術的發(fā)展諧波消除PWM技術在晶閘管逆變器上用得較多，它較好地解決