電力電子技術(shù)第八章-逆變電路課件

1、第八章逆變電路 主編第一節(jié)無源逆變及基本電路一、逆變器的工作原理圖81a所示為單相橋式逆變電路，4個橋臂由開關(guān)構(gòu)成，輸入直流電壓E，逆變器負載是電阻。將開關(guān)、閉合，、斷開時，電阻上得到左正右負的電壓；間隔一段時間后將開關(guān)、斷開，、閉合時，電阻上得到右正左負的電壓。圖8-1逆變器工作原理a)單項橋式逆變電路b)電壓波形第一節(jié)無源逆變及基本電路若以一定頻率f交替切換、和、，在電阻上就可以得到如圖81b所示的電壓波形。顯然這是一種交變的電壓，隨著電壓的變化，電流也從一個臂轉(zhuǎn)移到另外一個臂，通常將這一過程稱為換相或換流。在換流過程中，有的支路要從通態(tài)轉(zhuǎn)移到斷態(tài)，有的支路要從通態(tài)轉(zhuǎn)移到斷態(tài)。從斷態(tài)向通態(tài)

2、轉(zhuǎn)移時，無論支路是由全控型還是半控型電力電子器件組成，只要給門極適當?shù)尿?qū)動信號，就可以使其開通。但從通態(tài)向斷態(tài)轉(zhuǎn)移的情況就不同。圖8-1逆變器工作原理a)單項橋式逆變電路b)電壓波形第一節(jié)無源逆變及基本電路全控型器件可以通過對門極的控制使其關(guān)斷；而對于半控型器件的晶閘管來說，就不能通過對門極的控制使其關(guān)斷，必須利用外部條件或采取其他措施才能使其關(guān)斷。一般來說，要在晶閘管電流過零后再施加一定時間的反向電壓，才能使其關(guān)斷。因為使晶閘管關(guān)斷要比使其開通復(fù)雜得多，因此，研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。對逆變器來說，關(guān)鍵的問題就是換流。圖8-1逆變器工作原理a)單項橋式逆變電路b)電壓波形第一節(jié)無

3、源逆變及基本電路1.器件換流利用全控型器件自身所具有的自關(guān)斷能力進行換流。2.電網(wǎng)換流由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流。3.負載換流由負載提供換流電壓稱為負載換流。圖8-2負載換流電路及波形第一節(jié)無源逆變及基本電路4.強迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強迫換流。強迫換流通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電容換流。圖8-3強迫換流電路第一節(jié)無源逆變及基本電路二、基本逆變器電路1.半橋逆變電路圖84a所示為半橋逆變電路原理圖，直流電壓d加在兩個串聯(lián)的足夠大的電容兩端，并使得兩個電容的連接點為直流電源的中點，即每個電容上的電壓為d/2。由

4、兩個導(dǎo)電臂交替工作使負載得到交變電壓和電流，每個導(dǎo)電臂由一個電力晶體管與一個反并聯(lián)二極管所組成。圖8-4半橋逆變電路a)電路原理b)工作波形第一節(jié)無源逆變及基本電路2.全橋逆變電路全橋逆變電路可看作兩個半橋逆變電路的組合。電路原理圖如圖85a所示。直流電壓d接有大電容，使電源電壓穩(wěn)定。電路中的四個橋臂，橋臂1、4和橋臂2、3組成兩對。兩對橋臂交替各導(dǎo)通180，其輸出電壓uo的波形和圖84b的半橋電路波形uo形狀相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，md。在直流電壓和負載都相同的情況下，其輸出電流io的波形當然也和圖84b中的io形狀相同，但幅值增加一倍。圖84a中的、相繼導(dǎo)通的區(qū)間，分別對應(yīng)于圖

5、85a中的和、和、和、和相繼導(dǎo)通的區(qū)間。關(guān)于無功能量的交換，對于半橋逆變電路的分析也適用于全橋逆變電路。第一節(jié)無源逆變及基本電路圖8-5全橋逆變電路及波形a)電路原理b)工作波形第二節(jié)電壓型及電流型逆變器一、電壓型逆變器直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變器。電壓型逆變器直流側(cè)一般接有大電容，直流電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗，相當于電壓源。圖8-6三相電壓型橋式逆變電路第二節(jié)電壓型及電流型逆變器1)由于直流電壓源的恒壓作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波，與負載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)電流波形及其相位因負載阻抗角的不同而異。2)當交流側(cè)為電感性負載時，需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。3)

6、逆變電路從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動的，因直流電壓無脈動，必然由直流電流的脈動影響功率的脈動。第二節(jié)電壓型及電流型逆變器圖86所示為三相電壓型橋式逆變器的主電路。電路采用電力晶體管作為可控元件，由三個半橋即個橋臂組成。為了分析問題方便，圖86中的直流側(cè)電源畫出了假定中性點。電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式是180導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電角度為180，同一組(即同一半橋)上下兩個臂交替導(dǎo)電，因為每次換相都是在同一相上下兩個橋臂之間進行的，因此稱為縱向換相。6個管子控制導(dǎo)通的順序為，控制間隔為60，這樣，在任一瞬間，將有三個臂同時導(dǎo)通。可能是上面一個臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一

7、個臂同時導(dǎo)通。第二節(jié)電壓型及電流型逆變器二、電流型逆變器直流側(cè)是電流源的逆變器稱為電流型逆變器。一般在直流側(cè)串接有大電感，使直流電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗，相當于電流源。1)逆變電路中的開關(guān)器件主要起改變直流電流流通路徑的作用，故交流側(cè)電流為矩形波，與負載性質(zhì)無關(guān)，而交流側(cè)電壓波形及相位因負載阻抗角不同而異，電感負載時其波形接近正弦波。2)直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，因電流不能反向，故開關(guān)器件不必反并聯(lián)二極管。3)逆變器從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動的，因直流電流無脈動，輸出直流電壓脈動引起功率的脈動。第二節(jié)電壓型及電流型逆變器常用的電流型逆變電路主要有單相橋式和三相橋式逆變電路

8、。圖88a所示是電流型三相橋式逆變電路，圖中的GTO使用反向阻斷型器件。使用反向?qū)щ娦虶TO時，必須給每個器件串聯(lián)二極管以承受反向電壓。圖8-7三相電壓型橋式逆變器工作波形8Z8.tif第三節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)型逆變電路一、PWM控制的基本原理正弦波脈寬調(diào)制的控制思路，是利用逆變器的開關(guān)元件，由控制線路按一定的規(guī)律控制開關(guān)元件的通斷，從而在逆變器的輸出端獲得一組等幅、等距而不等寬的脈沖序列。其脈寬基本上按正弦分布，以此脈沖列來等效正弦電壓波型。圖89a所示為正弦波的正半周波形，并將其劃分為N等份，這樣就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖的寬度相等，都等于，但幅值不等，且

9、脈沖頂部是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。圖8-9PWM控制的基本原理示意圖第三節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)型逆變電路如果將每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積用一個與此面積相等的等高矩形脈沖代替，就得到圖89b所示的脈沖序列。這樣，由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形與正弦波的正半周等效，正弦波的負半周也可用相同的方法來等效。完整的正弦波形用等效的PWM波形表示稱為正弦波脈寬調(diào)制SPWM波形。圖8-9PWM控制的基本原理示意圖第三節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)型逆變電路1)根據(jù)調(diào)制脈沖的極性可分為單極性和雙極性調(diào)制兩種。2)根據(jù)載頻信號和基準信號的頻率之間的關(guān)系，可分為同步式和異步式兩種。3)根據(jù)基準信

10、號的不同可分為矩形波脈寬調(diào)制和正弦波脈寬調(diào)制等。正弦波脈寬調(diào)制SPWM控制是采用一個正弦波與三角波相交的方案確定各分段矩形脈沖的寬度。通常采用等腰三角波作為載波，因為等腰三角波上下寬度與高度成線性關(guān)系，且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，如在交點時刻控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。當調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。SPWM波形在實際應(yīng)用較多。第三節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)型逆變電路圖8-10單相橋式PWM逆變電路圖第三節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)型逆變電路二、三相橋式PWM逆變電路圖811所示為三相橋式PWM型逆變

11、電路及其波形，其控制方式采用雙極性方式。U、V和W三相的PWM控制公用一個三角波載波uc，三相調(diào)制信號urU、urV、urW的相位依次相差120，U、V和W各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同?，F(xiàn)以U相為例說明如下：當urUuc時，給電力晶體管以導(dǎo)通信號，給以關(guān)斷信號，則U相相對于直流電源假想中點N的輸出電壓uUNUd/2。當urUuc時，給以導(dǎo)通信號，給以關(guān)斷信號，則uUN。第三節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)型逆變電路和的驅(qū)動信號始終是互補的。由于電感性負載對電流的方向和大小的影響，在控制過程中，當給加導(dǎo)通信號時，可能是導(dǎo)通，也可能是二極管續(xù)流導(dǎo)通。其他的電力晶體管與續(xù)流二極管的導(dǎo)通情況與、相同，V相和W相

12、的控制方式和U相相同。這里不再贅述。uUN、uVN和uWN的波形如圖811b所示。圖8-11三相SPWM逆變電路及波形第三節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)型逆變電路三、PWM逆變電路的控制方式在PWM逆變電路中，載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比mfc/fr稱為載波比。根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM逆變電路可以有異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種控制方式。1.異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不保持同步關(guān)系的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。圖811所示波形就是異載波比m等于常數(shù)，并在變頻時使載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。在基本同步調(diào)制方式中，調(diào)制信號頻率變化時載波比m不變。第三節(jié)脈寬調(diào)制(PWM

13、)型逆變電路調(diào)制信號半個周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。在三相PWM逆變電路中，通常公用一個三角波載波信號，且取載波比m為3的整數(shù)倍，以使三相輸出波形嚴格對稱。同時，為了使一相的波形正、負半周鏡對稱，m應(yīng)取為奇數(shù)。2.同步調(diào)制線電壓uUV的波形可由uUN-uVN得到?？梢钥闯?，這些波形都只有Ud兩種電平。由于調(diào)制信號urU、urV、urW為三相對稱電壓，每一瞬時有的相為正，有的相為負，在公用一個載波信號情況下，這個載波只能是雙極性的，不能用單極性控制。第三節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)型逆變電路四、PWM波形的產(chǎn)生方法采用微機可方便地計算出PWM波形的各個脈沖寬度，從而由微機輸出PWM波

14、形(微機也可用查表法直接生成PWM或SPWM信號)，但是應(yīng)用微機產(chǎn)生PWM或SPWM波形，其效果受到指令功能、運算速度、存儲容量和兼顧系統(tǒng)控制算法的限制，難以很好地實現(xiàn)實時控制。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，已開發(fā)出專門用于產(chǎn)生PWM或SPWM控制信號的高級專用集成芯片，如Mullard公司生產(chǎn)的HEF4752芯片、PhiliPs公司生產(chǎn)的MK、Siemens公司生產(chǎn)的SLE4520、Sanken公司生產(chǎn)的MB63H110及我國生產(chǎn)的ZPS101、THP4752等型號的芯片。第三節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)型逆變電路利用這些芯片可以很方便地控制如圖811所示的SPWM主電路，從而達到產(chǎn)生SPWM變壓變頻波形的

15、目的。再利用微機進行系統(tǒng)控制，可以在中、小功率異步電動機的變頻調(diào)速中得到滿意的效果。另外，有些單片機本身就帶有直接輸出SPWM信號的端口，如Intel8098、IntelSXC196MC等。圖8-12HEF4752V引腳圖第三節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)型逆變電路1)RCT、OCT一般應(yīng)接固定頻率的時鐘源，fRCT的適用條件是保持fFCT在0.0430.8fRCT范圍內(nèi)，并滿足fFCT/fRCT0.5。2)為保證每相互補輸出之間有較大的延時時間，提高系統(tǒng)的可靠性，K端一般接+5V。3)I端根據(jù)逆變器功率開關(guān)元件確定。4)CW、L根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定。5)一般用電壓/頻率轉(zhuǎn)換器將頻率指令信號和電壓指令

16、信號轉(zhuǎn)換成與頻率成正比的方波信號，作為頻率時鐘信號uFCT和電壓時鐘信號uVCT，分別加在FCT和VCT兩端。在整個調(diào)頻范圍內(nèi)若維持fVCT恒定，且滿足fFCTfVCT05的條件時，可自動保持逆變器輸出電壓頻率比為恒值，即U恒值，實現(xiàn)恒壓頻比例控制。第三節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)型逆變電路表8-1HEF4752V的基本功能第三節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)型逆變電路五、SPWM控制的交-直-交變頻器圖813所示為異步電動機交-直-交變頻調(diào)整系統(tǒng)框圖，其中使用了HEF4752V產(chǎn)生三相SPWM驅(qū)動信號。三相380V交流電經(jīng)二極管橋式整流和電容器濾波后(電壓型)得到的直流電壓Ud約為530V，經(jīng)霍爾電流傳感器送到

17、晶體管逆變器，逆變器輸出接三相異步電動機。8Z13.tif第四節(jié)軟開關(guān)技術(shù)一、軟開關(guān)的基本概念1.硬開關(guān)與軟開關(guān)在本書前面章節(jié)的分析中，總是將電路理想化，特別是將開關(guān)理想化，忽略了開關(guān)過程對電路的影響。這樣的分析方法便于理解電路的工作原理，但必須認識到，在實際電路中開關(guān)過程是客觀存在的，一定條件下還可能對電路的工作造成重要影響。圖8-14軟硬開關(guān)對比圖a)零電壓(軟)開關(guān)諧振電路及波形b)硬開關(guān)電路及波形第四節(jié)軟開關(guān)技術(shù)2.零電壓開關(guān)與零電流開關(guān)使開關(guān)開通前其兩端電壓為零，則開關(guān)開通時就不會產(chǎn)生損耗和噪聲，這種開通方式稱為零電壓開通；使開關(guān)關(guān)斷前其電流為零，則開關(guān)關(guān)斷時也不會產(chǎn)生損耗和噪聲，這

18、種關(guān)斷方式稱為零電流關(guān)斷。在很多情況下，不再指出開通或關(guān)斷，僅稱零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。零電壓開通和零電流關(guān)斷要靠電路中的諧振來實現(xiàn)。第四節(jié)軟開關(guān)技術(shù)二、軟開關(guān)電路的分類軟開關(guān)技術(shù)問世以來，經(jīng)歷了不斷的發(fā)展和完善，前后出現(xiàn)了許多種軟開關(guān)電路，而且各自有不同的特點和應(yīng)用場合。根據(jù)電路中主要的開關(guān)元件是零電壓開通還是零電流關(guān)斷，可以將軟開關(guān)電路分成零電壓電路和零電流電路兩大類。通常，一種軟開關(guān)電路要么屬于零電壓電路，要么屬于零電流電路。圖8-15基本開關(guān)單元a)基本開關(guān)單元b)降壓斬波器中的基本開關(guān)單元c)升壓斬波器中的基本開關(guān)單元d)升降壓斬波器中的基本開關(guān)單元第四節(jié)軟開關(guān)技術(shù)1.準諧振電路這是最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路，其中有些現(xiàn)在還在大量使用。準諧振電路可以分為：1)零電壓開關(guān)準諧振電路(ZVSQRC)。2)零電流開關(guān)準諧振電路(ZCSQRC)。3)零電壓開關(guān)多諧振電路(ZVSMRC)。4)用于逆變器的