电力电子技术 第六章：无源逆变

U1
2U d 2
0 . 45 U d
i om U d / 8 f 0 L
io1 ( t ) R
2U 1
2
( L )
sin( t 1 )
2
T1
D1
T3
D3
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
v an
VD
a
iZ
Z
b
T2
D2
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
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
ur>uc时：T1 、 T4导通，T2、 T3截止， uo=VD
u uc ur
0
ω t
u
uo VD
of
uo
ur<uc时： T2 、 T3导通，T1、 0 -V T4截止， uo=-UD
D
ω t
图 6.22 双 极 性 PWM控 制 原 理
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
6.4 PWM技术
6.5
6.6
其它PWM控制方法
多重化技术
6.7
三电平逆变器的原理
6 . 4 PWM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
Z + -
3、基本关系
与桥式电路相同
VD T1 D1 D2 T2
6.4 带 感 性 负 载 的 推 挽 式 单 相 逆 变 电 路
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。
（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
uan U d (sin t sin 5t sin 7t sin 11t ...) 5 7 11 2 1 1 1
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
逆变电路 交流负载供电
• 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。
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 。
逆变器的基本类型
iZ
i Zm =
1 VD 8 f0 L D2
O D1
T1
T2
i Zm (d)电 感 负 载 电 流 波 形
iZ
R-L
改变T1、T2的切换频率，便可改变 输出交流电的频率。
O D1
T1
D2 T2 (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
O
iZ
O
D1 D4
(e)R-L负 载 电 流 波 形
图 6.2 单 相 全 桥 逆 变 电 路 及 电 压 、 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
Zn
io
u ab ( t )

n 1 , 3 , 5
V T1
R + O 2V D
V T2
ω t
2V D
2、工作原理
T1 T2
O
V T2
V D /K O
ω t
T1 导通、T2 截止： Uo=-Ud/K T1 截止、T2 导通： Uo=Ud/K
VD
(a) (b)
ω t
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
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
其它PWM控制方法
多重化技术
6.4 PWM技术
6.5
6.6
6.7
三电平逆变器的原理
6 . 3 三相逆变器工作原理
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 6.4 PWM技术
6.5
6.6
其它PWM控制方法
多重化技术
6.7
三电平逆变器的原理
+
C 01
T1
D1
6 . 1 无源逆变电路的原理
一、 单相半桥逆变电路
VD
n +
Z
iZ
a
C 02
T2
D2
(a)电 路
1、电路结构 2、工作原理/波形分析

4U n
D
sin n t
U1
4U
D
2
0 . 9U
D
i om U
D
/ 4 f0L
sin( n t n )
n L R

n 1 , 3 , 5

U 1m nZ
n
R
2
(n L )
2
n arcபைடு நூலகம்an
三、 单相推挽式逆变电路
1、电路结构
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
u an
U
an
2 T o


To / 2
U
2 d
0
4
dt
1/ 2

U
d
2

n 1 , 3 , 5
2U d n
sin n t
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
～
M
图 6.12 逆 变 器 /电 机 系 统 的 再 生 方 案 一
（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
A B C
LA LB LC
通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网
～
M
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
PWM控制的理论基础
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
f (t) f (t)
指环节的输出响应波形基本相同
f (t) f (t)
d (t)
O a)方波窄脉冲
t O
t t O t O b) 三角波窄脉冲 c)正弦半波窄脉冲 d)单位冲击函数
形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
T1导通、T2截止：Uan=Ud /2 T1截止、T2导通： Uan=-Ud /2 T1、T2轮流导通，使直流 交流
v an 1 VD 2 驱 动 T1 O T0 2 驱 动 T2 T0 3 T0 4 3 T0 2
iZ
T1 驱 动 O T0 4
(b)电 压 波 形
T2 驱 动 T0 (c)电 阻 负 载 电 流 波 形
一、 三相电压型逆变器工作原理 • 电路结构 • 根据各管导通 时间分：
180 导通型 120导通型
VD T4 D4 T1 T3 D1
a b c
T5 D3 D5 Za n Zc Zb D2 T2 D6
T6
• 负载连接方式
Δ型连接 Y型连接
图 6.7 电 压 型 三 相 桥 式 逆 变 器 电 路 原 理 图
u
SPWM波
>
u u
O
ωt
O O
ωt ωt
>
u
O
ωt
>
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）
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。
PWM控制的基本原理
• 实例
i(t) e (t)
电路输入：e(t) 电路输出：i(t)
以上实例说明了“面积等效原理”
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
U an
线电压有效值
U ab 4 2 (U d
2

3
) 0.816U d
（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：
0
u
uc
ur
ω t
uo VD
d1
d2
di
uo u of
0
θ1 θ2
n
θi
π
ω t
图 6.21 单 极 性 PWM控 制 方 式 原 理
正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）
T1 D1 U T2 a T3 D3
R
uo D2
L
b T4
D4
? ? ?
ur
? ?
? ?
uc
? ?
? 6.18 ? ? ? ? PWM? ? ? ?
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。
• 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。
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
～
A B C
LA LB LC + -
通过有源逆变器将再生能量反馈给电网
α <90° T1 T3 D1 B A T4 T6 D4 α >90° D6 T2 D2 D3 C T5 D5
• 按电路结构分类
桥式 零式
• 按调制方法分类
PWM PAM 方波、阶梯波
• 按输出相数分类
单相 多相
• 按导通的角度分类
180 120
• 按器件分类
半控型 全控型
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 直流侧电源为 准恒压源 电流型逆变器 直流侧电源为 准恒流源
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。
正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）
• 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
u
u
O
ωt
>
O
ωt
>
u
O
ωt
>
正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）
• 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
T4
D4
(a)电 路
驱 动 T 1、 4 T
驱 动 T 1 、4 T 驱 动 T 2 、3 T (b)负 载 电 压
O iZ
T1 、T4导通、T2 、T3截止： Uan=Ud
T1 、T4截止、T2 、T3导通： Uan=-Ud
O
(c)电 阻 负 载 电 流 波 形
R负 载
iZ
T0/ 4 3 T 0/ 4 T0 /2 D1 D4 T1 T4 D2 D3 T2 T3 (d)电 感 负 载 电 流 波 形 θ T1 T4 2 π π D 2 D3 T2 T3 RL负 载 T0 L负 载
线电压表达式
2 3 1 1 1
uab
U d (sin t sin 5t sin 7t sin 11t ...) 5 7 11
（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
2 2 2U d 1 Ud 4 2 0.471U d 2 3 3 3 3