【正文】 電 力 電 子 技 術(shù) Power Electronic Technology 第 4章 DCAC變換器 （無源逆變電路） ? DCAC變換器 是指能將一定幅值的 直流輸入 電壓 （ 或電流 ）變換成一定 幅值 、 一定 頻率 的 交流輸出 電壓 （ 或電流 ） 的電力電子裝置 。 ? 向無源負載 （ 如電機 、 電爐 、 或其它用電器等 ） 供電的DCAC變換器又稱為 無源逆變電路 ， 常簡稱作逆變器（ Inverter） 。 ? 能把一定幅值的直流輸入電壓 （ 或電流 ） 變換成一定幅值 、一定頻率的交流輸出電壓 （ 或電流 ） ， 并向電網(wǎng)供電的電力電子裝置稱為 有源逆變電路 ,習慣作為整流器電路的饋能運行來討論 ? 本章將只討論無源逆變電路 ——逆變器 。 概述 ? 許多場合下 ， 電網(wǎng)提供的 50Hz工頻電源不能滿足負載的特殊需要 ， 要用 交直交變頻電路 進行電能變換 。 如感應加熱 ， 根據(jù)加熱工藝和對象的不同 ， 所需感應加熱電源的頻率范圍從幾百 Hz到幾千 Hz。 ? 交流電機 為了獲得良好的調(diào)速特性需要 頻率可變的電源 ，這些電源的核心就是逆變電路 。 概述 ? 有些負載雖然也用工頻電源供電 ， 但對電源的 頻率穩(wěn)定性 、波形畸變 等有嚴格要求 ， 且絕不允許瞬時停電 。 比如對于計算機一類的負載 ， 特別是銀行 、 證券公司 、 醫(yī)院以及大型計算機中心的計算機 ， 瞬時的停電會帶來嚴重后果 。 因此 ， 需要 不間斷電源 （ Uninterruptable Power Supply——UPS） ， 其核心就是逆變電路 。 ? 除了工業(yè)應用之外 ， 逆變器在空調(diào) 、 冰箱等家用電器中也有廣泛應用 。 概述 ? UPS基本工作原理 ? 市電正常時，由市電供電，市電經(jīng)整流器整流為直流，再逆變?yōu)?50Hz恒頻恒壓的交流電向負載供電。同時，整流器輸出給蓄電池充電，保證蓄電池的電量充足。 ? 此時負載可得到高質(zhì)量的交流電壓，具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻性能，也稱為穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。 概述 蓄電池市電整流器 逆變器負載? 重點學習內(nèi)容 : 1. 逆變器的電路結(jié)構(gòu)、分類及主要性能指標。 2. 逆變器的三種基本變換方式 ——方波變換 、 階梯波變換 、 正弦波變換 。 3. 方波逆變器的基本電路及其特點。 4. 階梯波逆變器的基本電路及其特點。 5. 正弦波逆變器及其 SPWM控制。 6. 空間矢量 PWM控制的基本問題 ——原理、矢量分布、矢量合成。 概述 逆變器的基本原理 ? 如何完成直流－交流這一變換呢 ？ uiLR+V T1V D2uA BV T3EMV T2V D1iA BV T4V D4V D3AB 逆變器的基本原理 +負 載dC aS bS逆 變 器 的 原 理 拓 撲dV? 考慮采用開關切換的方式將直流量變換成交流量 ? 完成 直流電壓 變換的逆變器稱為 電壓型逆變器 ? 完成 直流電流 變換的逆變器則稱為 電流型逆變器 。 ? 左圖所示電壓型逆變器直流側(cè)采用足夠容量的電容濾波 ，因此 直流側(cè)電壓基本不變 ?如何完成直流－交流這一變換呢？ 逆變器的基本原理 ? 逆變器的輸出電壓為幅值與直流電壓幅值相等的 方波電壓 ， 其輸出電流波形取決于負載對方波電壓的響應 ? 若考慮到負載的無功緩沖 ， 則所用開關管必須具有電流雙向流通的能力 ， 為此可采用單向功率管反向并聯(lián)續(xù)流二極管的組合來實現(xiàn)開關管的電流雙向流通特性 +負 載dC aS bS逆 變 器 的 原 理 拓 撲dVuiLR+V T1V D2uA BV T3EMV T2V D1iA BV T4V D4V D3AB? 左圖所示電流型逆變器直流側(cè)采用足夠容量的電感濾波 ， 因此 直流側(cè)電流基本不變 ? 逆變器的輸出電流為幅值與直流電流幅值相等的 方波電流 ， 其輸出電壓波形取決于負載對方波電流的響應 逆變器的基本原理 負 載aSbSdI dL逆 變 器 的 原 理 拓 撲 若考慮到直流電流的單向性以及負載的無功緩沖 ， 則左圖中的開關管必須具有電流 反相阻斷的能力 ， 考慮到常規(guī)功率管弱的反向阻斷特性 ，為此可采用單向功率管順向串聯(lián)二極管的組合來實現(xiàn)開關管的 反相電流阻斷特性 。 逆變器的基本原理 負 載aSbSdI dL逆 變 器 的 原 理 拓 撲為什么？ ? 以左 a)圖所示的單相電壓型全橋逆變器原理電路來討論逆變器的基本原理 。 ? 圖中 ， 當功率管 VT1（ VD1） 和 VT4（ VD4）導通而 VT2（ VD2） 和 VT3（ VD3） 關斷時 ，輸出電壓為正的方波電壓；當功率管 VT2（ VD2） 和 VT3（ VD3） 導通而 VT1（ VD1）和 VT4（ VD4） 關斷時 ， 輸出電壓為負的方波電壓 。 ? 單相全橋電路的輸出波形如左 b圖所示 ，顯然 ， 輸出的正 、 負方波電壓幅值相等 ? 若使輸出的正 、 負方波電壓寬度相等 ， 則輸出電壓的正 、 負半周的面積相等 ， 從而實現(xiàn)了直流電壓到交流電壓的變換 ， 這就是實現(xiàn)逆變器的基本思路 。 逆變器的基本原理 V D 4V D 3V T 1V T 2V T 3V T 4V D 2V D 1iu oua ) 逆 變 器 原 理 電 路V T 1V D 1V T 4V D 4V T 2 V T 3V D 2V D 3iu iu? to b ) 輸 出 波 形實現(xiàn) DCAC變換功能的逆變器有那些變換方式呢？ 1. 方波變換方式 ? 方波變換方式是實現(xiàn) DCAC最簡單的變換方式，一般而言，方波變換時逆變器的交流輸出有兩種基本調(diào)制方式： 脈沖幅值調(diào)制（ PAM－Pluse Amplitude Modulation） 和單脈沖調(diào)制 （ SPM－ Single Pluse Modulation） 。 逆變器的基本原理 V D 4V D 3V T 1V T 2V T 3V T 4V D 2V D 1iu oua ) 逆 變 器 原 理 電 路 逆變器的基本原理 1. 方波變換方式 c )V D 4V D 3V T 1V T 2V T 3V T 4V D 2V D 1iu oua ) 逆 變 器 原 理 電 路脈沖幅值調(diào)制（ PAM）是指： 逆變器的 輸出頻率 可由 180176。 方波（如右 a)圖所示）或 120176。 方波（如右 b)圖所示）的周期來控制（如右 c)圖所示），而逆變器輸出基波的幅值 則由 輸出方波的幅值 即逆變器 直流側(cè)電壓 （或電流）的幅值來控制。 a )b )顯然，采用 PAM控制方式時，其方波的 導通角 恒定（ 180176。 方波或 120176。 方波）。 d ) 逆變器的基本原理 V D 4V D 3V T 1V T 2V T 3V T 4V D 2V D 1iu oua ) 逆 變 器 原 理 電 路1. 方波變換方式 ? 單脈沖調(diào)制 （ SPM） 是指：逆變器的輸出 頻率 仍由 方波的周期 來控制 ，而逆變器輸出 基波的幅值 則由逆變器輸出方波的 導通角 進行控制 ， 即可使導通角在 0176。 ～ 180176。 范圍調(diào)節(jié) ? 顯然 ， 采用 SPM控制方式時 ， 逆變器輸出方波的幅值即逆變器直流側(cè)電壓 （ 或電流 ） 的幅值恒定 。 e ) 逆變器的基本原理 1. 方波變換方式 ? 采用 SPM變換方式時 ， 由于逆變器輸出方波的 幅值一定 ， 因此逆變器直流側(cè)可采用較為簡單的不變幅值的直流電源整流輸入方式 （ 如二極管整流電路 ） 。 ? 但是 SPM方式由于 需要調(diào)節(jié)方波的導通角 ， 因而 需要采用快速功率 元件 （ 如 IGBT等 ） ? PAM方式 由于需要 控制逆變器輸出方波的幅值 ， 因此逆變器直流側(cè)必須采用可變幅值的直流電源整流輸入方式 （ 如采用相控整流電源 ） ， 因而直流側(cè)電路與控制相對復雜 。 ? 但是 PAM方式由于輸出方波的 導電角恒定 ， 因此 無需采用快速 的全控型功率元件 （ 如 IGBT等 ） 2. 階梯波變換方式 ? 采用方波變換方式時 ， 雖然逆變器的控制較為簡單 ，但交流輸出諧波較大 。 ? 研究表明：對于 180176。 方波變換方式 ， 其輸出波形的諧波總畸變率 THD 約為 48％ ， 而對于 120176。 方波變換方式 ， 其輸出波形的諧波總畸變率 THD約為 30％ 。 ? 為何 120176。 方波變換方式的輸出波形的 THD比 180176。 方波變換方式的的輸出波形的 THD要低呢 ？ ? 因此 ， 為減少 DCAC變換時的交流輸出諧波 ， 可以考慮采用方波變換疊加以增加輸出交流波形的輸出電平數(shù) 。 THD—— Total Harmonic Distortion，衡量諧波含量的重要指標 逆變器的基本原理 a )b )多了個電平 2. 階梯波變換方式 ? 由于這種多電平輸出的交流波形形似階梯波形 ， 因此采用方波疊加的 DCAC變換方式成為交流階梯波變換 。 逆變器的基本原理 a ) 39。1U 正 弦 波階 梯 波o t?π2u mU π39。2U 39。3 39。4U 39。5交流階梯波是由多組采用方波變換的疊加組合而成，該階梯波的 THD為 %，遠低于 120176。 和 180176。 方波變換時的 THD。 2. 階梯波變換方式 ? 實現(xiàn)這種交流階梯波變換的原理電路如下 b)圖所示 ——分相疊加的組合逆變器結(jié)構(gòu) ， 通過多組采用方波變換的逆變器進行移相疊加組合 逆變器的基本原理 a ) 39。1U 正 弦 波階 梯 波o t?π2u mU π39。2U 39。3 39。4U 39。51D C A C2D C A C3D C A CT 1T NT 2iu fLLRfC1u2uNuoub ) 逆變器的基本原理 3. 斬控調(diào)制方式 斬控方式主要是指：逆變器輸出調(diào)制脈沖幅值固定不變，而逆變器中功率開關管以一定的控制規(guī)律進行調(diào)制，當開關頻率足夠高時，輸出電壓波形的諧波含量足夠小，這種控制方式是當前逆變器的主要控制方式。 一般有兩類： PWM、 PFM t?a )ou 逆變器的基本原理 3. 斬控調(diào)制方式 ① 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）： 在一定的開關調(diào)制頻率條件下，調(diào)制脈沖的幅值恒定，而調(diào)制脈沖的寬度可調(diào)。若調(diào)制脈沖的寬度按正弦分布，則稱之為 正弦脈沖寬度調(diào)制（ SPWM） ，基于 SPWM控制的逆變器輸出波形如下圖所示。 t?a )ou