电力电子技术 第六章：无源逆变

第6章无源逆变电路概述•无源逆变直流交流（向负载直接供电）•无源逆变电路简称逆变电路•逆变与变频逆变电路经常与变频的概念联系在一起变频电路：交交变频和交直交变频两种交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变•无源逆变技术的应用直流电源如蓄电池、干电池和太阳能电池逆变电路交流负载供电交流电源：如列车照明、感应加热电源、电解电镀电源、不停电电源（UPS）、高频焊机、高频电子镇流器和航空电源等。•无源逆变技术的应用交流调速系统：如铁道牵引、大型工矿机车、城市有轨交通（地铁和轻轨车）、重型电传动汽车和矿井提升设备等。逆变器的基本类型•按电路结构分类桥式零式•按输出相数分类单相多相•按器件分类半控型全控型•按调制方法分类PWMPAM方波、阶梯波•按导通的角度分类180120逆变器的基本类型（续）•按直流侧电源的性质分类（常用此分类）电压型逆变器电流型逆变器直流侧电源为准恒压源直流侧电源为准恒流源本章内容6.1无源逆变电路的原理6.3三相逆变器工作原理6.4PWM技术6.5其它PWM控制方法6.6多重化技术6.7三电平逆变器的原理6.1无源逆变电路的原理一、单相半桥逆变电路1、电路结构2、工作原理/波形分析T1导通、T2截止：Uan=Ud/2T1截止、T2导通：Uan=-Ud/2Z++nC01C02T1T2iZD1D2(a)电路OO驱动T1驱动T1驱动T2T023T02T0驱动T23T04T04T0OvanD1T1D2T2iZmiZm=18VDf0L12VDiZiZOD1T1D2T2iZR-L(b)电压波形(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形(e)R-L负载电流波形图6.1　单相半桥逆变电路及电压电流波形aVDT1、T2轮流导通，使直流交流改变T1、T2的切换频率，便可改变输出交流电的频率。一、单相半桥逆变电路（续）3、基本关系输出电压有效值输出电压表达式基波电压有效值电感负载电流峰值R-L负载电流基波分量5,3,1sin2ndantnnUuddUUU45.0221)sin()(2)(12211tLRUtioLfUidom08/2422/12/02dTodoanUdtUTU二、单相全桥逆变电路1、电路结构2、工作原理/波形分析与全桥逆变电路相同T1、T4导通、T2、T3截止：Uan=UdT1、T4截止、T2、T3导通：Uan=-UdZT3T4iZD3D4(a)电路O驱动T2van图6.2　单相全桥逆变电路及电压、电流波形bT1T2D1D2aVD驱动T1、T4O、T3驱动T1、T4(b)负载电压(c)电阻负载电流波形iZO(d)电感负载电流波形iZT0/4T/20T0/43T0L负载R负载D1D4T1T4D2T2D3T3OiZθT1T4πD1D4D2D3T2T3π2RL负载(e)R-L负载电流波形二、单相全桥逆变电路（续）3、基本关系输出电压表达式基波电压有效值电感负载电流峰值R-L负载电流其中5,3,1sin4)(nDabtnnUtuDDUUU9.0241LfUiDom04/5,3,11)sin(nnnmotnnZUi22)(LnRZnRLnnarctan三、单相推挽式逆变电路1、电路结构2、工作原理T1导通、T2截止：Uo=-Ud/KT1截止、T2导通：Uo=Ud/K3、基本关系与桥式电路相同Z+-R+-OVT1OVT2OVT2(b)(a)图6.3推挽式单相逆变电路及其波形（a）简化原理图；（b）波形图6.4带感性负载的推挽式单相逆变电路T1T2VD2VD2VDVD/KT2D2D1T1VDωtωtωt四、三种单相逆变电路比较1、单相全桥逆变电路在单相逆变电路中，全桥逆变电路应用最多。2、单相半桥逆变电路结构简单，所用器件比全桥电路少一半。但输出交流电压幅值低，且直流侧需要两个电容串联，工作时需要控制两个电容器电压的均衡。应用场合：常用于几KW以下的小功率逆变电源。3、单相推挽式逆变电路所用器件比全桥电路少一半，但器件承受的电压比全桥电路高出一倍，而且必须有变压器，低频使用受限制。本章内容6.1无源逆变电路的原理6.3三相逆变器工作原理6.4PWM技术6.5其它PWM控制方法6.6多重化技术6.7三电平逆变器的原理6.3三相逆变器工作原理一、三相电压型逆变器工作原理•电路结构图6.7　电压型三相桥式逆变器电路原理图ZaZbZcD1D3D5D4D6D2T1T3T5T4T6T2nVDabc•根据各管导通时间分：180导通型120导通型•负载连接方式Δ型连接Y型连接（一）1800导电型工作原理分析1、电压波形相电压波形线电压波形（一）1800导电型工作原理分析（续）2、各阶段的等值电路及电压值（一）1800导电型工作原理分析（续）3、电压表达式相电压表达式线电压表达式...)11sin1117sin715sin51(sin2ttttUudan...)11sin1117sin715sin51(sin32ttttUudab（一）1800导电型工作原理分析（续）3、电压表达式（续）相电压有效值线电压有效值dddanUUUU471.033223342122ddabUUU816.0)3(242（三）电压型逆变器有功功率的反馈•电动机负载工作在发电机状态时，其发出的电能通过逆变器电路中的反馈二极管D1~D6回馈到直流侧，使直流侧电压Ud升高•为限制Ud，必需将回馈的电能消耗掉或回馈到电网，具体方案有：通过制动单元消耗掉通过有源逆变桥回馈到电网（见再生方案1）通过脉冲整流器回馈到电网（见再生方案2）（三）逆变器有功功率的反馈（续）•再生方案1功率因数低谐波电流大α90°～LALBLCABCα90°图6.12　逆变器/电机系统的再生方案一+-T1T3D1T4T6D4T2D6D3T5D2D5ABCM～通过有源逆变器将再生能量反馈给电网（三）逆变器有功功率的反馈（续）•再生方案2功率因数高（接近于1）谐波电流小LALBLCABC三相脉冲整流器平波电容无源逆变电机图6.13　逆变器/电机系统的再生运行方案二M～通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网二、三相电流型逆变器工作原理1、电路结构：逆变器的供电电源为电流源本章内容6.1无源逆变电路的原理6.3三相逆变器工作原理6.4PWM技术6.5其它PWM控制方法6.6多重化技术6.7三电平逆变器的原理6.4PWM技术•方波控制逆变器的问题本身不能调节输出量幅值输出量中含有大量的5、7、11、13次谐波•解决方法采用PWM控制技术•本课程主要讨论电压型PWM逆变器的控制方法•PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。•PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。•PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。PWM控制的理论基础方波窄脉冲三角波窄脉冲单位冲击函数正弦半波窄脉冲f(t)d(t)tOa)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)形状不同而冲量相同的各种窄脉冲理论基础冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积指环节的输出响应波形基本相同PWM控制的基本原理i(t)e(t)•实例以上实例说明了“面积等效原理”电路输入：e(t)电路输出：i(t)一、正弦脉宽调制（SPWM）原理1、目标涵数——正弦电压使脉冲列的作用效果尽量接近正弦波的作用效果2、基本原理（说明SPWM波与正弦波如何等效问题）根据冲量等效（面积等效）原理，用一组幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲列来代替正弦波。按同一比例改变各脉冲的宽度即可改变等效正弦波的幅值。Ouωt•如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）OuωtOuωtOuωt•如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波SPWM波若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）OuωtOuωtOuωt正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）3、SPWM的控制方法（说明SPWM波实现方法问题）离线计算法——根据输出正弦波的频率、幅值和半个周期内的脉冲数计算PWM波各脉冲的宽度和间隔。缺点：计算量大，繁琐。调制法——将目标涵数（波形）作为调制信号，通过对载波的调制得到PWM波形。一般用等腰三角形波作为载波；根据输出电压波形的极性可分为单极性（或不对称）调制和双极性（或对称）调制。正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）•单极性调制参照单相逆变器说明正半周：T1导通，T4交替通断，T2、T3截止负半周：T2导通，T3交替通断，T1、T4截止0ωtu图6.21单极性PWM控制方式原理0ωtcuruofuououDVπθ1θ2θin2d1did正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）uoD3D4bD1D2UT3T4T1T2aRL????uruc??????6.18????PWM????正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）•双极性调制同一桥臂上的两个管子处于互补工作状态uruc时：T1、T4导通，T2、T3截止，uo=VDuruc时：T2、T3导通，T1、T4截止，uo=-UD0ωtu图6.22双极性PWM控制原理0ωtcuruofuououDVD-V正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）•在双极性PWM控制方式中，同一桥臂的两个管子是互补工作的。为了防止桥臂直通短路，在给一个管子施加关断信号后，再延迟△t时间（亦即通常所说的死区时间），才给另一个管子施加导通信号。延迟时间的长短主要由管子的关断时间决定。这个延迟时间将会给输出的PWM波形带来影响，使其偏离正弦波。正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）•三相逆变器一般采用双极性调制图6-10ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud2Ud三相电路中公用一个三角波载波uc，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。为使正、负半周对称，N一般取奇数。A相控制原理：当urauc时，上桥臂T1导通，下桥臂T4关断，uao=Ud/2；当urauc时，T4导，T1关断，uao=-Ud/2。B相和C相的控制方式和A相相同。三相调制信号ura、urb和urc的相位依次相差120°。二、SPWM波的基波电压•在电压型逆变器输出的SPWM电压波形中对负载有用的只是基波电压，谐波电压在负载上产生谐波电流，只会给负载带来负面影响，如产生谐波损耗、噪音、脉动转矩。因此基波电压越大越好。•可以证明当n较大时，SPWM电压波形的基波电压与调制信号ur的幅值近视成正比，因此调节ur的幅值便可控制基波电压的幅值。•调节ur的频率便可控制基波电压的频率。三、对脉宽调制的制约条件1、定义载波频率fc与调制波频率fr之比为载波比N，定义调制波与载波的幅值之比为调制比M。rcffNcmrmUUM2、对脉宽调制的制约条件（1）器件开关频率对N的限制：为了使逆变器的输出波形尽量接近正弦波，应尽可能增大N，但N必须满足下列条件率最高的正弦调制信号频关频率功率开关器件的允许开N三、对脉宽调制的制约条件（续）（2）器件的导通时间ton、关断时间toff对M的限制（最小脉宽与最小间歇的限制）：为保证主电路开关器件的安全工作，必须使调制成的脉冲波有个最小脉宽与最小间歇的限制，以保证最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间ton，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间toff。因此对M有限制，M在0~1之间，实际上小于1。四、同步调制与异步调制•根据调频过程载波比的变化情况，