无源逆变电路及PWM控制技术

1逆变把直流电变成交流电有源逆变交流侧接有电源逆变电路无源逆变交流侧直接和负载连接一般指无源逆变电路第8章无源逆变电路及PWM控制技术逆变电路应用广泛，各种直流电源向交流负载供电时就需要逆变电路。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置其电路的核心部分都是逆变电路。换流变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移。21、逆变电路的基本工作原理逆变电路基本工作原理S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；当S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负。直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。当负载为电阻时，io和uo的波形相同，相位也相同当负载为阻感时，io相位滞后于uo，波形也不同设t1时刻前S1、S4导通，uo和io均为正t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo极性立刻变负，但io不能立刻改变而维持原方向io从直流电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，io逐渐减小，到t2时刻降为零，之后io才反向并逐渐增大。§8.1换流方式+-+-tuoiot1t232、换流方式分类换流全控型器件可通过门极控制使其关断；半控型器件晶闸管，必须利用外部条件或采取其它措施才能使其关断。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反向电压，才能关断。开通时关断时无论支路是由全控型还是半控型电力电子器件组成，只要有适当的门极驱动信号，就可使其开通。换相41）.器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流2）.电网换流•可控整流电路•单相、三相交流调压电路电网换流•采用相控方式的交交变频电路只要把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断，不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件。不适用于没有交流电网的无源逆变电路由电网提供换流电压53）.负载换流负载电流相位超前于负载电压的场合负载为电容性负载时实现负载换流负载为同步电动机时由负载提供换流电压负载换流电路•4个桥臂均由晶闸管组成•负载是电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。•直流侧串入大电感Ld，工作过程中可认为id基本没有脉动6wtwtwtwtOOOOiit1uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4负载换流工作波形4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大而对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦波T1时刻前：VT1、VT4为通态，VT2、VT3为断态，uo、io均为正，VT2、VT3上施加的电压即为uot1时刻触发VT2、VT3使其开通，uo通过VT2、VT3本别加到VT4、VT1上使其承受反向电压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2触发VT2、VT3时刻，t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成74）.强迫换流（电容换流）设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式直接耦合式强迫换流由换流电路内电容直接提供换流电压SVT负载+直接耦合式强迫换流原理图晶闸管VT通态时，预先给电容C按图中所示极性充电。合上开关S，就可使晶闸管被施加反向电压而关断8电感耦合式强迫换流通过换流电路内电容和电感的耦合提供换流电压或换流电流电感耦合式强迫换流原理图•图a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断•图b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断•图a中，接通S后，LC振荡电流将反向流过VT，与VT的负载电流相减，直到VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。LC•图b中，接通S后，LC振荡电流先正向流过VT并和VT中原有的负载电流叠加，经过半个振荡周期振荡电流反向流过VT，直到VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。9给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流电压换流电流换流先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反向电压的换流器件换流只适用于全控型器件电网换流负载换流针对晶闸管强迫换流10器件换流强迫换流因器件或变流器自身原因引起换流自换流电网换流负载换流借助于外部手段（电网电压或负载电压）换流自然换流自换流逆变电路采用自换流方式逆变的电路外部换流逆变电路采用外部换流方式逆变的电路熄灭当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零11§8.2电压型逆变电路电流型逆变电路（电流源型逆变电路）电压型逆变电路（电压源型逆变电路）直流侧是电压源直流侧是电流源电压型全桥逆变电路12电压型逆变电路的特点1）直流侧为电压源或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，内阻抗近似为零。2）输出电压为矩形波，与负载阻抗角无关，交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联反馈二极管。131．单相半桥逆变电路单相半桥电压型逆变电路•半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。•在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点是直流电源的中点。•负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。14单相半桥电压型逆变电路工作波形设开关器件V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补。当负载为感性时，工作波形如图所示•输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2•输出电流io波形随负载情况而异。•t2时刻以前V1通，V2断•t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，则V1关断，但感性负载中io不能立即改变方向，于是VD2导通续流。•t3时刻io降为零时，VD2截止，V2开通，io开始反向。•t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号，V2关断，VD1先导通续流，t5时刻V1才开通。•V1或V2通时，负载电流io和电压uo同方向，直流侧向负载提供能量•VD1或VD2通时，io和uo反向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈uttOOONoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD215负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧，反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。二极管反馈二极管续流二极管是负载向直流侧反馈能量的通道使负载电流连续可控器件是不具有门极可关断能力的晶闸管时，须附加强迫换流电路才能正常工作。优点：简单，使用器件少缺点：输出交流电压幅值Um仅为Ud/2，直流侧需两电容器串联，工作时要控制两个电容器电压均衡半桥逆变电路常用于几kW以下的小功率逆变电源162．单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2和3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°17采用移相方式调节逆变电路的输出电压实际就是调节输出电压脉冲的宽度移相调压tOtOtOtOtOuG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo18在纯电阻负载时，VD1~VD4不再导通，不起续流作用，uo为零的期间，4个桥臂均不能导通，负载没有电流。采用改变正负脉冲宽度的方法来调节半桥逆变电路的输出电压，上下两桥臂栅极信号不再是各180°正偏、180°反偏且互补，而是正偏宽度为θ，反偏宽度为360°-θ，两者相位差为180°。这时输出电压uo也是正负脉冲的宽度各为θ。193．带中心抽头变压器的逆变电路交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压两个二极管的作用也是给负载电感中贮藏的无功能量提供反馈通道Ud和负载参数相同，变压器一次侧2个绕组和二次侧绕组的匝比为1:1:1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同带中心抽头变压器的逆变电路比全桥电路少用一半开关器件，但器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高一倍，必须有一个变压器204．三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成。电压型三相桥式逆变电路也是180°导电方式每桥臂导电角度180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°在任一瞬间将有三个桥臂同时导通每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流21电压型三相桥式逆变电路的工作波形U相输出•当桥臂1导通时，uUN’=Ud/2•当桥臂4导通时，uUN’=－Ud/2•uUN’的波形幅值是为Ud/2的矩形波V、W两相情况和U相类似uVN’、uWN’的波形形状与uUN’相同，只是依次相差120°tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud322负载线电压负载相电压将上两式整理得负载中点N和电源中点N′之间电压uNN’UN'WN'WUWN'VN'VWVN'UN'UVuuuuuuuuu'NNWN'WNNN'VN'VNNN'UN'UNuuuuuuuuu)(31)(31WNVNUNWN'VN'UN'NN'uuuuuuu负载为三相对称负载，则有uUN+uVN+uWN=0，可得)(31WN'VN'UN'NN'uuuu23三桥式逆变电路输出线电压uUV展开成傅里叶级数得式中，n=6k±1,k为自然数输出线电压有效值UUV为基波幅值为nktnntUtttttUuwwsin)1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUVd202UVUV816.0d21UtuUwddUV1m1.132UUU24基波有效值为三桥式逆变电路负载相电压uUN展开成傅里叶级数得式中，n=6k±1,k为自然数负载相电压有效值UUN为ddUV1mUV178.062UUUUntnntUtttttUuwwsin1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2ddUNd202UNUN471.0d21UtuUw25基波幅值为基波有效值为ddUN1m637.02UUUdUN1mUN145.02UUU为了防止同一相上下两桥臂开关器件同时导通而引起的直流侧电源短路，要采取“先断后通”的方法。即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间，死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间越短。26电流型逆变电路一般在逆变电路直流侧串联一个大电感，因大电感中的电流脉动很小，可近似看成直流电流源电流型三相桥式逆变电路•图中GTO使用反向阻断型器件，交流侧电容器是为吸收换流时负载电感中存贮的能量而设计的§8.3电流型逆变电路27电流型逆变电路主要特点1)直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流电源呈现高阻抗。2)电路中开关器件的作用只是改变直流电流的流通路径，与负载阻抗角无关，交流侧输出电压波形和相位侧因负载阻抗情况的不同而不同。3)当交流侧为足感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。281、单相电流型逆变电路单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路4桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器LT，用来限制晶闸管开通时的di/dt，各桥臂的LT之间不存在互感。使桥臂1、4和桥臂2、3以1000~2500Hz的中频轮流导通，就可以在负载上得到中频交流电。采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负载电压。R和L串联为感应线圈的等效电路，因功率因数很低，故并联补偿电容器C和L、R构成并联谐振电路，故此