电力电子技术 课件 项目5 无源逆变电路

电力电子技术项目5无源逆变电路知识点25.1电压型方波逆变电路5.2电压型逆变电路的正弦脉宽调制5.3

电流型逆变电路逆变电路的分类和分析电路假设条件5.1电压型方波逆变电路

逆变电路的基本的类型有以下几种。根据输入直流电源的类型分为电压型逆变电路和电流型逆变电路。电压型逆变电路的直流侧为电压源；电流型逆变电路的直流输入侧为电流源。根据输出交流电压的性质分为恒频恒压方波逆变电路和正弦波逆变电路，变频变压逆变电路，高频脉冲电压(电流)逆变电路。根据逆变电路结构的不同分为半桥式、全桥式和推挽式逆变电路。根据逆变电路的输出相数分为单相或三相。

分析逆变电路的假设条件电力电子器件无损耗、无时延，开关状态的切换瞬间完成。给逆变电路供电的为理想直流电源，直流侧电压(电流)无脉动且不受负载影响。负载为理想负载，变压器和电抗器无直流内阻、铁心不饱和。3电压型单相半桥方波逆变电路5.1电压型方波逆变电路电路结构

图5.1所示为电压型单相半桥方波逆变电路原理图，其中，全控型开关器件S1其反并联二极管VD1构成上桥臂，S2和VD2构成下桥臂；C1和C2为分压电容，其电容值较大且相等，直流输入电压为Uin，每个电容两端电压为Uin/2。负载接于桥臂中点和分压电容中点之间，交流输出电压为uo。4图5.1电压型单相半桥方波逆变电路(a)原理图(b)纯阻性负载工作模态(c)主要波形电压型单相半桥方波逆变电路5.1电压型方波逆变电路工作原理

纯阻性负载时，逆变电路有两种工作模态，如图5.1(b)所示，输出电压与电流波形如图5.1(c)所示。●纯阻性负载

功率开关器件采用互补控制方式，即一个交流电压输出周期To内，S1和S2互补施加驱动信号。

工作模态1(0~t1)：开关器件S1导通、S2关断，VD1、VD2均关断，输出电压uo=Uin/2，输出电流io由A点流向B点；

工作模态2(t1~T0)：开关器件S2导通、S1关断，VD1、VD2均关断，输出电压uo=−Uin/2，输出电流io由B点流向A点。

因此，输出电压uo是180⁰宽的交流方波。改变控制S1和S2的驱动信号频率，即可改变输出交流电的频率，其基波频率f=1/T0。如图5.1(c)所示，输出电流io的波形与uo的波形相同。5电压型单相半桥方波逆变电路5.1电压型方波逆变电路工作原理

当接如感应加热，交流电动机等阻感性负载时，一个交流输出周期中，逆变电路共有4种工作模态，如图5.2(a)所示，主要波形如图5.2(b)所示。●阻感性负载

工作模态1(t1~t2)：开关器件S1导通、S2关断，VD1、VD2均关断，输出电压uo=Uin/2，输出电流io由A流向B；

工作模态2(t2~t3)：t2时刻，S1关断，驱动S2，由于感性负载的电流方向不能立刻改变，二极管VD2导通，为输出电流提供续流通路，此时输出电压uo=−Uin/2，输出电流io逐渐减小。在io下降过程中，尽管S2得到开通信号，但没有电流流过。在t3时刻，io下降到零，VD2关断。

工作模态3(t3~t4)：t3时刻，S2开通，输出电流io反向，由B流向A并逐渐增大，输出电压uo=−Uin/2；

工作模态4(t4~t5)：t4时刻，S2关断，驱动S1，二极管VD1先导通续流，输出电压uo=Uin/2，t5时刻，输出电流io过零时方向后，S1才开通流过电流。工作情况与工作模态2类似。6图5.2阻感性负载时工作原理(a)工作模态(b)主要波形电压型单相半桥方波逆变电路5.1电压型方波逆变电路数量关系

单相半桥方波逆变电路采用180°的方波控制方式时，输出电压不受负载特性影响，均为180°宽的方波电压，电压幅值为Uin/2。将uo进行傅里叶分解，可表示为：

由上式可知，输出电压的基波分量幅值和有效值分别为：

输出电压的n次谐波电压幅值为：电压型单相半桥方波逆变电路的优点是使用器件少，其缺点是输出方波电压幅值只有输入直流电压的一半，其基波电压有效值为0.45Uin。另外，直流输入侧需要两个分压电容，工作时还要控制两个电容电压的平衡。因此，电压型单相半桥方波逆变电路常用于几千瓦以下的小功率逆变电源。7电压型单相全桥方波逆变电路5.1电压型方波逆变电路电路结构

如图5.3(a)所示，将电压型单相半桥方波逆变电路的两只分压电容换为功率开关和反并联二极管组成的桥臂，即可得到电压型单相全桥方波逆变电路。其中S1(VD1)与S2(VD2)构成一个桥臂，S3(VD3)与S4(VD4)构成另一个桥。两个桥臂中点之间的电压为交流输出电压uo。工作原理●纯阻性负载

当负载为纯电阻时，在一个交流输出周期中，电压型单相全桥方波逆变电路有两种开关工作模态，如图5.3(b)所示，其主要波形如图5.3(c)所示。8图5.3电压型单相全桥方波逆变电路(a)原理图(b)纯阻性负载工作模态(c)主要波形电压型单相全桥方波逆变电路5.1电压型方波逆变电路工作原理●阻感性负载

当负载呈感性时，由于电感中电流方向不能突变，能量必须由续流二极管续流，与半桥方波逆变电路的分析相同。在一个周期内，电压型全桥方波逆变电路也有四种工作模态，其等效电路如图5.4(a)所示，图5.4(b)给出了主要波形。9图5.4电压型单相全桥方波逆变电路(阻感性负载)工作原理(a)工作模态(b)主要波形电压型单相全桥方波逆变电路5.1电压型方波逆变电路数量关系

类似于半桥方波逆变电路，电压型单相全桥方波逆变电路的输出电压同样不受负载特性影响，均为180°宽的交流方波电压，将输出电压用傅里叶级数展开，可得

由上式可知，输出电压的基波分量幅值和有效值分别为：

输出电压的n次谐波电压幅值为：电压型单相全桥方波逆变电路使用器件相对较多，但输出方波电压幅值为输入直流电压，其基波电压有效值为0.9Uin。在输入直流电压和负载不变的条件下，电压型单相全桥方波逆变电路的输出电压和输出电流幅值相比均提高了一倍。10电压型单相全桥方波逆变电路的移相调压5.1电压型方波逆变电路工作原理

图5.5(a)给出了移相调压控制方法的工作波形。

两桥臂的功率开关管(S1和S3、S2和S4)均采用同频率的180°宽方波脉冲驱动，但是S2和S4,的驱动脉冲比S1和S3的驱动脉冲滞后θ角度。图5.5电压型单相全桥方波逆变电路移相调压工作

当S1和S4同时导通时，输出电压uo=Uin;

当S2和S3同时导通时uo=−Uin；

当S1和S3或S2和S4同时导通时，uo=0。

这样,输出电压uo就是宽度为θ、幅值为Uin的交流方波电压。当θ=0时，输出电压为零；当θ=180°时，输出电压就是幅值为Uin的180°方波，其基波电压达到最大。通过改变θ的大小，就可以调节输出基波电压的大小，这种通过改变桥臂之间驱动脉冲相位差来调节输出电压大小的方法被称为移相控制，也称为单脉冲宽度调制。11电压型单相全桥方波逆变电路的移相调压5.1电压型方波逆变电路数量关系

采用移相调压控制时，电压型单相全桥方波逆变电路的输出电压是脉宽为θ的方波电压，电压幅值为Uin。根据输出电压波形，可知输出电压有效值为：

将输出电压展开成傅里叶级数为:

式中，n=1，3，5，…，只有奇次谐波。

定义调制度M为：

可以得到输出电压基波有效值为：

输出电压各次谐波有效值为：

失真度d(或总谐波畸变因数THD)的表达式为：12单相推挽逆变电路5.1电压型方波逆变电路

如图如果要求输入与输出实现电气隔离，或者输出电压与输入电压的幅值相差较大，那么需要在逆变电路的输出端加人隔离变压器。图5.7给出了几种带隔离变压器的电压型单相逆变电路，变压器实现电气隔离功能，同时还可以通过合理设计匝比来得到所需要的输出电压幅值。

图5.7(a)和(b)所示的带隔离变压器的电压型单相半桥方波逆变电路与电压型单相全桥方波逆变电路的工作原理同不带变压器的逆变电路类似。

图5.7(c)给出了带中心抽头变压器的电压型单相推挽逆变电路，它由两个带反向并联二极管(VD1和VD2)的功率开关管(S1和S2)和一个原边带中心抽头的变压器构成。与电压型单相全桥方波逆变电路相比，带中心抽头变压器的电压型单相推挽逆变电路所用功率器件数量减小一半。13图5.7带隔离变压器的电压型单相逆变电路电压型三相桥式方波逆变电路5.1电压型方波逆变电路电路结构

在中大功率应用场合，更多采用三相交流负载，这就需要三相逆变电路。三相逆变电路可以由三个单相逆变电路(可以是半桥或者是全桥)组合而成，但所用元器件比较多，一般主要应用于大容量逆变电路。

三相逆变电路应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路，如图5.8所示。为了分析方便，可将直流输入电压拆分为两个串联电压源，两电压源之间形成假想中点N'，并将该点作为电位参考点(即零电位点)。工作原理

和单相半桥、全桥逆变电路相同，电压型三相桥式方波逆变电路的基本工作方式也是180°导电方式，即同一桥臂两只开关管均为180°互补导通(对应于T0/2)，各相开始导电的角度依次相差120°。如图5.8所示，开关管S1→S6依次导通，驱动信号间隔为60°，在任何时刻都有三只开关管同时导通，在6个时间区间各个开关管的导通状态与顺序分别为(S1、S2、S3)→(S2、S3、S4)→(S3、S4、S5)→(S4、S5、S6)→(S5、S6、S1)→(S6、S1、S2)。14图5.8电压型三相桥式方波逆变电路电压型三相桥式方波逆变电路5.1电压型方波逆变电路

以U相桥臂为例分析电路工作波形。当S1导通、S4关断时，uUN’=Uin/2；当S1关断、S4导通时，uUN’=−Uin/2。同理，uVN’和uWN’也由各自桥臂的功率开关管的状态决定，并且与负载特性无关。uUN’、uVN’和uWN’的波形如图5.9所示。工作原理15图5.9电压型三相桥式方波逆变电路工作波形电压型三相桥式方波逆变电路5.1电压型方波逆变电路数量关系

设负载中点N与直流电源假想中点N'之间的电位差为uNN’，则输出各相电压可表示为各相端点电位与中点电位之差，即:

将上式中的三个表达式相加并整理：

输出线电压为：

三相对称时，uUN+uVN+uWN=0，由上式可得：

对线电压uUV的瞬时值进行傅里叶分解可得到：

线电压基波分量幅值为：

线电压基波分量有效值为：

线电压第n次谐波分量幅值为：

16正弦脉宽调制原理5.2电压型逆变电路的正弦脉宽调制

所谓正弦脉宽调制，是通过对一系列脉冲的宽度进行正弦调制，来等效地获得所需要波形(形状和幅值)。在逆变电路中，由于输入电压是直流电压，因此所产生控制的脉冲通常也是等幅的，但由于逆变电路输出电压是交流变化的，故脉冲的宽度通常并不固定，而是按特定规律周期变化。

正弦脉宽调制可以由PWM冲量等效原理进行描述，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在同一惯性环节上时，惯性环节的输出基本相同。这里所讲的“冲量”是指窄脉冲的面积，而“惯性环节的输出基本相同”是指输出波形的频谱中，低频段基本相同，仅在高频段略有差异。图5.10依次表示了四种冲量相等而形状不同的脉冲波形。17图5.10冲量相等而形状不同的脉冲波形(a)矩形波脉冲(b)三角波脉冲(c)正弦半波脉冲(d)单位脉冲正弦脉宽调制原理5.2电压型逆变电路的正弦脉宽调制

根据冲量等效原理即可以得到电压型正弦波逆变电路的基本控制思路,如图5.11所示。将正弦半波分成n等份，就可以把正弦半波看成是由几个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。把上述脉冲序列用相同数量的等幅而不等宽的方波脉冲代替。使方波脉冲的中点和相应正弦脉冲波的中点重合，且使两者相对于时间轴面积相等，就得到PWM脉冲序列。这些PWM脉冲幅值相等，而宽度按照正弦规律变化。根据冲量等效原理，PWM波和正弦半波对惯性负载是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化且和正弦波等效的PWM波形，称为正弦PWM(SPWM)波形。产生SPWM波形的方法主要有两种:一种是载波调制法，另一种是直接计算法。18图5.11SPWM调制基本原理载波调制法5.2电压型逆变电路的正弦脉宽调制

载波调制法是把希望输出的波形作为调制信号，与载波进行比较，从而得到期望的PWM波形。双极性SPWM控制是指逆变电路的输出脉冲具有双极性特征。即无论输出正、负半周，输出脉冲均为正、负极性跳变的双极性脉冲。当采用基于三角载波调制的双极性SPWM控制时，三角波载波是正负对称的双极性三角载波。图5.12给出了双极性正弦脉宽调制SPWM控制时的调制及逆变电路的输出波形。

对于正弦输出的逆变电路而言，通常以输出所要求的正弦参考波作为调制波，并以特定频率的等腰三角波或锯齿波作为载波。

将载波与调制波相交，就可以得到一组幅值相等、宽度正比于正弦调制波函数的方波脉冲序列，并通过相应的驱动逻辑单元驱动逆变电路的功率开关，便可以实现逆变电路的SPWM控制。●双极性正弦脉宽调制19图5.12双极性SPWM调制电路和逆变电路及其输出波形(a)调制和逆变电路(b)输出波形载波调制法5.2电压型逆变电路的正弦脉宽调制

载波调制法是把希望输出的波形作为调制信号，与载波进行比较，从而得到期望的PWM波形。双极性SPWM控制是指逆变电路的输出脉冲具有双极性特征。即无论输出正、负半周，输出脉冲均为正、负极性跳变的双极性脉冲。当采用基于三角载波调制的双极性SPWM控制时，三角波载波是正负对称的双极性三角载波。图5.12给出了双极性正弦脉宽调制SPWM控制时的调制及逆变电路的输出波形。

对于正弦输出的逆变电路而言，通常以输出所要求的正弦参考波作为调制波，并以特定频率的等腰三角波或锯齿波作为载波。

将载波与调制波相交，就可以得到一组幅值相等、宽度正比于正弦调制波函数的方波脉冲序列，并通过相应的驱动逻辑单元驱动逆变电路的功率开关，便可以实现逆变电路的SPWM控制。●双极性正弦脉宽调制20图5.12双极性SPWM调制电路和逆变电路及其输出波形(a)调制和逆变电路(b)输出波形载波调制法5.2电压型逆变电路的正弦脉宽调制

双极性SPWM控制由于采用了正、负对称的双极性三角载波，简化了SPWM控制信号的发生。但双极性SPWM控制输出波形只有±Uin两种电平，且四个功率器件都工作在高频载波频率，这在一定程度上降低了逆变电路的直流利用率(交流电压基波最大幅值与直流电压之比)和增加了逆变电路的功率开关损耗。单极性正弦脉宽调制是指逆变电路的输出脉冲具有单极性特征。即当输出正半周时，输出脉冲全为正极性脉冲；而当输出负半周时，输出脉冲全为负极性脉冲。为此，可采用单极性的三角载波调制方式，即三角载波的极性与正弦调制波的极性相同。仍以电压型单相全桥逆变电路为例，图5.13给出了一种单极性SPWM调制电路和逆变电路以及输出的调制波形。●单极性正弦脉宽调制21图5.13单极性SPWM调制电路和逆变电路及其输出波形(a)调制和逆变电路(b)输出波形载波调制法5.2电压型逆变电路的正弦脉宽调制

单极性调制方式的特点是，在一个交流输出周期内两只功率器件以较高的频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压；另外两只功率器件以较低的输出电压基波频率工作，可在很大程度上减小开关损耗，同时可选择开关频率要求较低的低频开关管。单极性倍频正弦脉宽调制是指逆变电路输出脉冲的调制频率是载波频率的两倍，并且输出脉冲具有单极性特征。单极性倍频SPWM控制有调制波反相和载波反相两种方式，前者采用两个相位相反、幅值相等的正弦波调制波与一个双极性三角波载波相比较，而后者则是采用两个相位相反、幅值相等的三角波和一个正弦波相比较得到SPWM波。图5.14给出了采用调制波反相的单极性倍频SPWM调制和逆变电路及输出的调制波形。●单极性倍频正弦脉宽调制22图5.13单极性SPWM调制电路和逆变电路及其输出波形(a)调制和逆变电路(b)输出波形载波调制法5.2电压型逆变电路的正弦脉宽调制电压型三相正弦波逆变电路广泛采用三相双极性正弦脉宽调制方案，这种控制方案对每相桥臂采用双极性SPWM控制，即三相桥臂采用同一个三角载波信号uC，而三相桥臂的调制波则采用相位依次相差120°的三相正弦波信号uMU、uMV和uMW采用三相双极性SPWM控制时的调制波形和开关管驱动信号生成原理电路如图5.16所示。三相逆变电路的三相功率开关器件控制规律相同，现以U相为例来说明。●三相正弦脉宽调制当uMU>uC时给上管S1导通信号，并给下管S4关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N'的输出电压uUN’=Uin/2。当uMU<uC时，下管S4导通，上管S1关断，则U相输出电压uUN’=−Uin/2，S1和S4的驱动信号始终是互补的。当给S1(S4)加导通信号时，可能是S1(S4)导通，也可能是续流二极管VD1(VD4)续流导通，这由阻感负载中电流的方向来决定，与电压型单相桥式逆变电路在双极性控制时的情况相同。V相和W相的控制方式与U相相同，输出波形如图5.16(b)所示。23图5.16三相双极性SPWM调制电路和逆变电路及其输出波形(a)调制和逆变电路(b)输出波形直接计算法5.2电压型逆变电路的正弦脉宽调制直接计算法也称为特定谐波消除法，通过计算特定开关角度下正弦波输出电压的各次谐波幅值，利用计算机仿真，以特定低次谐波为零或输出电压总谐波含量最小为优化目标，搜索求解得到一组最优开关控制信号，在较低的开关频率下实现输出波形的最优化，具有直流利用率高、系统效率高等优点。在大功率变换应用场合，开关频率不太高，为了尽量减小低次谐波含量，可采用这种特定谐波消除方法。以采用双极性调制的电压型单相全桥逆变电路应用为例，图5.17给出了其特定谐波消除调制的脉冲形式，除了0、π、2π等处存在固定的功率开关切换外，输出电压还包括θ1、θ2、θ3、…、2π−θ2、2π−θ1等相位处的功率开关切换过程。24图5.17采用双极性调制特定谐波消除的脉冲形式电流型单相逆变电路5.3电流型逆变电路图5.18(a)所示为电流型单相桥式逆变电路，直流侧电压源与输入侧电感相串联，假定输入侧电感足够大，输入侧直流电流Iin维持稳定。不同于电压型逆变电路，电流型逆变电路由于输入电流方向保持不变，为了使全控型功率器件具有足够的反向阻断能力，通常在每个功率器件上正向串联一个二极管(具有反向阻断能力的开关管除外，如晶闸管)。其输出电流波形如图5.18(b)所示。如果采用180°的方波控制方式，开关管S1和S4导通，S2和S3关断时，输出电流io方向为正方向(与参考方向一致)；当S2和S3导通，S1和S4关断时，输出电流io方向为负方向。输出电流为方波交流波形。当负载包含电感时，由于电感上的电流不能突变，必须给负载电流提供一个换流路径，因此电流型逆变电路的输出需要接人滤波电容。25图5.18电流型单相桥式逆变电路原理图和工作波形(a)原理图(b)工作波形电流型单相逆变电路5.3电流型逆变电路电流型逆变电路中开关器件的作用仅用以改变直流电流的流通路径，因此电流型逆变电路输出电流波形为方波脉冲，而输出电压波形则取决于负载，且输出电压的相位随负载功率因数的变化而变化。对输出电流方波作傅里叶分解可得：输出电流基波分量幅值为：输出电流基波分量有效值为：可以看出，电流型逆变电路输出的电流波形含有丰富的谐波成分，如果负载为纯阻性负载且输出没有连接滤波电容时，则负载上的电压波形与电流波形一致。但实际应用中大部分负载都包含有电感成分，此时输出要求连接滤波电容，由于输出侧电感和电容的滤波作用，负载上的电压一般接近于正弦波。26电流型三相逆变电路5.3电流型逆变电路图5.19(a)所示为电流型三相桥式逆变电路的电路图，假定输入侧电感足够大，输入侧直流电流I

in维持