电力电子技术第八章-逆变电路课件.ppt

1、第八章逆变电路 主编第一节无源逆变及基本电路一、逆变器的工作原理图8 1a所示为单相桥式逆变电路，4个桥臂由开关构成，输入直流电压E，逆变器负载是电阻。将开关、闭合，、断开时，电阻上得到左正右负的电压；间隔一段时间后将开关、断开，、闭合时，电阻上得到右正左负的电压。图8-1逆变器工作原理a)单项桥式逆变电路b)电压波形第一节无源逆变及基本电路若以一定频率f交替切换、和、，在电阻上就可以得到如图8 1b所示的电压波形。显然这是一种交变的电压，随着电压的变化，电流也从一个臂转移到另外一个臂，通常将这一过程称为换相或换流。在换流过程中，有的支路要从通态转移到断态，有的支路要从通态转移到断态。从断态向

2、通态转移时，无论支路是由全控型还是半控型电力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其开通。但从通态向断态转移的情况就不同。图8-1逆变器工作原理a)单项桥式逆变电路b)电压波形第一节无源逆变及基本电路全控型器件可以通过对门极的控制使其关断；而对于半控型器件的晶闸管来说，就不能通过对门极的控制使其关断，必须利用外部条件或采取其他措施才能使其关断。一般来说，要在晶闸管电流过零后再施加一定时间的反向电压，才能使其关断。因为使晶闸管关断要比使其开通复杂得多，因此，研究换流方式主要是研究如何使器件关断。对逆变器来说，关键的问题就是换流。图8-1逆变器工作原理a)单项桥式逆变电路b)电压波形第一

3、节无源逆变及基本电路1.器件换流利用全控型器件自身所具有的自关断能力进行换流。2.电网换流由电网提供换流电压称为电网换流。3.负载换流由负载提供换流电压称为负载换流。图8-2负载换流电路及波形第一节无源逆变及基本电路4.强迫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称为强迫换流。强迫换流通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。图8-3强迫换流电路第一节无源逆变及基本电路二、基本逆变器电路1.半桥逆变电路图8 4a所示为半桥逆变电路原理图，直流电压d加在两个串联的足够大的电容两端，并使得两个电容的连接点为直流电源的中点，即每个电容上的电压为d/

4、2。由两个导电臂交替工作使负载得到交变电压和电流，每个导电臂由一个电力晶体管与一个反并联二极管所组成。图8-4半桥逆变电路a)电路原理b)工作波形第一节无源逆变及基本电路2.全桥逆变电路全桥逆变电路可看作两个半桥逆变电路的组合。电路原理图如图8 5a所示。直流电压d接有大电容，使电源电压稳定。电路中的四个桥臂，桥臂1、4和桥臂2、3组成两对。两对桥臂交替各导通180，其输出电压uo的波形和图8 4b的半桥电路波形uo形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，md。在直流电压和负载都相同的情况下，其输出电流io的波形当然也和图8 4b中的io形状相同，但幅值增加一倍。图8 4a中的、相继导通的区间

5、，分别对应于图8 5a中的和、和、和、和相继导通的区间。关于无功能量的交换，对于半桥逆变电路的分析也适用于全桥逆变电路。第一节无源逆变及基本电路图8-5全桥逆变电路及波形a)电路原理b)工作波形第二节电压型及电流型逆变器一、电压型逆变器直流侧是电压源的称为电压型逆变器。电压型逆变器直流侧一般接有大电容，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗，相当于电压源。图8-6三相电压型桥式逆变电路第二节电压型及电流型逆变器1)由于直流电压源的恒压作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形及其相位因负载阻抗角的不同而异。2)当交流侧为电感性负载时，需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功

6、能量的作用。3)逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，必然由直流电流的脉动影响功率的脉动。第二节电压型及电流型逆变器图8 6所示为三相电压型桥式逆变器的主电路。电路采用电力晶体管作为可控元件，由三个半桥即个桥臂组成。为了分析问题方便，图8 6中的直流侧电源画出了假定中性点。电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式是180导电方式，即每个桥臂的导电角度为180，同一组(即同一半桥)上下两个臂交替导电，因为每次换相都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此称为纵向换相。6个管子控制导通的顺序为，控制间隔为60，这样，在任一瞬间，将有三个臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可

7、能是上面两个臂下面一个臂同时导通。第二节电压型及电流型逆变器二、电流型逆变器直流侧是电流源的逆变器称为电流型逆变器。一般在直流侧串接有大电感，使直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗，相当于电流源。1)逆变电路中的开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形及相位因负载阻抗角不同而异，电感负载时其波形接近正弦波。2)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故开关器件不必反并联二极管。3)逆变器从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电流无脉动，输出直流电压脉动引起功率的脉动。第二节电压型及电流型逆变器常用的电流型逆变电路主要有单相桥

8、式和三相桥式逆变电路。图8 8a所示是电流型三相桥式逆变电路，图中的GTO使用反向阻断型器件。使用反向导电型GTO时，必须给每个器件串联二极管以承受反向电压。图8-7三相电压型桥式逆变器工作波形8Z8.tif第三节脉宽调制(PWM)型逆变电路一、PWM控制的基本原理正弦波脉宽调制的控制思路，是利用逆变器的开关元件，由控制线路按一定的规律控制开关元件的通断，从而在逆变器的输出端获得一组等幅、等距而不等宽的脉冲序列。其脉宽基本上按正弦分布，以此脉冲列来等效正弦电压波型。图8 9a所示为正弦波的正半周波形，并将其划分为N等份，这样就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲的宽度相等

9、，都等于，但幅值不等，且脉冲顶部是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。图8-9PWM控制的基本原理示意图第三节脉宽调制(PWM)型逆变电路如果将每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲代替，就得到图8 9b所示的脉冲序列。这样，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形与正弦波的正半周等效，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。完整的正弦波形用等效的PWM波形表示称为正弦波脉宽调制SPWM波形。图8-9PWM控制的基本原理示意图第三节脉宽调制(PWM)型逆变电路1)根据调制脉冲的极性可分为单极性和双极性调制两种。2)根据载频信号和基准信号的频率之间的关系，可分为同步式和

10、异步式两种。3)根据基准信号的不同可分为矩形波脉宽调制和正弦波脉宽调制等。正弦波脉宽调制SPWM控制是采用一个正弦波与三角波相交的方案确定各分段矩形脉冲的宽度。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系，且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。SPWM波形在实际应用较多。第三节脉宽调制(PWM)型逆变电路图8-10单相桥式PWM逆变电路图第三节脉宽调制(PWM)型逆变电路二、三相桥式PWM逆变电路图8 1

11、1所示为三相桥式PWM型逆变电路及其波形，其控制方式采用双极性方式。U、V和W三相的PWM控制公用一个三角波载波uc，三相调制信号urU、urV、urW的相位依次相差120，U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同。现以U相为例说明如下：当urUuc时，给电力晶体管以导通信号，给以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N的输出电压uUNUd/2。当urUuc时，给以导通信号，给以关断信号，则uUN。第三节脉宽调制(PWM)型逆变电路和的驱动信号始终是互补的。由于电感性负载对电流的方向和大小的影响，在控制过程中，当给加导通信号时，可能是导通，也可能是二极管续流导通。其他的电力晶体管与续流二极管的

12、导通情况与、相同，V相和W相的控制方式和U相相同。这里不再赘述。uUN、uVN和uWN的波形如图8 11b所示。图8-11三相SPWM逆变电路及波形第三节脉宽调制(PWM)型逆变电路三、PWM逆变电路的控制方式在PWM逆变电路中，载波频率fc与调制信号频率fr之比mfc/fr称为载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM逆变电路可以有异步调制和同步调制两种控制方式。1.异步调制载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步调制。图8 11所示波形就是异载波比m等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制。在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波

13、比m不变。第三节脉宽调制(PWM)型逆变电路调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在三相PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波信号，且取载波比m为3的整数倍，以使三相输出波形严格对称。同时，为了使一相的波形正、负半周镜对称，m应取为奇数。2.同步调制线电压uUV的波形可由uUN-uVN得到。可以看出，这些波形都只有Ud两种电平。由于调制信号urU、urV、urW为三相对称电压，每一瞬时有的相为正，有的相为负，在公用一个载波信号情况下，这个载波只能是双极性的，不能用单极性控制。第三节脉宽调制(PWM)型逆变电路四、PWM波形的产生方法采用微机可方便地计算出PWM波形的各个

14、脉冲宽度，从而由微机输出PWM波形(微机也可用查表法直接生成PWM或SPWM信号)，但是应用微机产生PWM或SPWM波形，其效果受到指令功能、运算速度、存储容量和兼顾系统控制算法的限制，难以很好地实现实时控制。随着微电子技术的发展，已开发出专门用于产生PWM或SPWM控制信号的高级专用集成芯片，如Mullard公司生产的HEF4752芯片、PhiliPs公司生产的MK、Siemens公司生产的SLE4520、Sanken公司生产的MB63H110及我国生产的ZPS101、THP4752等型号的芯片。第三节脉宽调制(PWM)型逆变电路利用这些芯片可以很方便地控制如图8 11所示的SPWM主电路，

15、从而达到产生SPWM变压变频波形的目的。再利用微机进行系统控制，可以在中、小功率异步电动机的变频调速中得到满意的效果。另外，有些单片机本身就带有直接输出SPWM信号的端口，如Intel8098、IntelSXC196MC等。图8-12HEF4752V引脚图第三节脉宽调制(PWM)型逆变电路1)RCT、OCT一般应接固定频率的时钟源，fRCT的适用条件是保持fFCT在0.0430.8fRCT范围内，并满足fFCT/fRCT0.5。2)为保证每相互补输出之间有较大的延时时间，提高系统的可靠性，K端一般接+5V。3)I端根据逆变器功率开关元件确定。4)CW、L根据控制系统的要求确定。5)一般用电压/

16、频率转换器将频率指令信号和电压指令信号转换成与频率成正比的方波信号，作为频率时钟信号uFCT和电压时钟信号uVCT，分别加在FCT和VCT两端。在整个调频范围内若维持fVCT恒定，且满足fFCTfVCT05的条件时，可自动保持逆变器输出电压频率比为恒值，即U恒值，实现恒压频比例控制。第三节脉宽调制(PWM)型逆变电路表8-1HEF4752V的基本功能第三节脉宽调制(PWM)型逆变电路五、SPWM控制的交-直-交变频器图8 13所示为异步电动机交-直-交变频调整系统框图，其中使用了HEF4752V产生三相SPWM驱动信号。三相380V交流电经二极管桥式整流和电容器滤波后(电压型)得到的直流电压U

17、d约为530V，经霍尔电流传感器送到晶体管逆变器，逆变器输出接三相异步电动机。8Z13.tif第四节软开关技术一、软开关的基本概念1.硬开关与软开关在本书前面章节的分析中，总是将电路理想化，特别是将开关理想化，忽略了开关过程对电路的影响。这样的分析方法便于理解电路的工作原理，但必须认识到，在实际电路中开关过程是客观存在的，一定条件下还可能对电路的工作造成重要影响。图8-14软硬开关对比图a)零电压(软)开关谐振电路及波形b)硬开关电路及波形第四节软开关技术2.零电压开关与零电流开关使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通；使开关关断前其电流为零，

18、则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断。在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关。零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。第四节软开关技术二、软开关电路的分类软开关技术问世以来，经历了不断的发展和完善，前后出现了许多种软开关电路，而且各自有不同的特点和应用场合。根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路和零电流电路两大类。通常，一种软开关电路要么属于零电压电路，要么属于零电流电路。图8-15基本开关单元a)基本开关单元b)降压斩波器中的基本开关单元c)升压斩波器中的基本开关单元d)升降压斩波器中的基本开关单

19、元第四节软开关技术1.准谐振电路这是最早出现的软开关电路，其中有些现在还在大量使用。准谐振电路可以分为：1)零电压开关准谐振电路(ZVSQRC)。2)零电流开关准谐振电路(ZCSQRC)。3)零电压开关多谐振电路(ZVSMRC)。4)用于逆变器的谐振直流环节电路(Resonant DC Link)。图8 16给出了前三种软开关电路的基本开关单元，谐振直流环节的电路见图8 17。第四节软开关技术图8-16准谐振电路中的基本开关单元a)零电压开关准谐振电路中的基本开关单元b)零电流开关准谐振电路中的基本开关单元c)零电压开关多谐振电路中的基本开关单元第四节软开关技术图8-17谐振直流环节电路原理图

20、第四节软开关技术2.零开关PWM电路这类电路中引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。零开关PWM电路可以分为：1)零电压开关PWM电路(ZVS PWM)。2)零电流开关PWM电路(ZCS PWM)。这两种电路的基本开关单元如图8 18所示。8Z18.tif第四节软开关技术3.零转换PWM电路这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满载都能工作在软开关状态。而且电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。零转换PWM电路可以分为：第四节软开关技术1)零电压转换PWM电路(ZVT PWM)。2)零电流转换PWM电路(ZVT PWM)。这两种电路的基本开关单元如图8 19所示。图8-19零转换PWM电路的基本开关单元a)零电压转换PWM电路的基本开关单元b)零电流转换PWM电路的基本开关单元