第4章 DC-AC變換電路.

1、Power Electronics第4章 DC-AC變換電路主要內容：v 4.14.1概述概述v 4.24.2電壓型電壓型DC-ACDC-AC變換電路變換電路v 4.34.3電流型電流型DC-ACDC-AC變換電路變換電路v 4.44.4諧振式逆變電路諧振式逆變電路v 4.5 DC-AC4.5 DC-AC變換的多重化技術和多電平逆變電路變換的多重化技術和多電平逆變電路 v 4.64.6變頻器變頻器v 4.7 4.7 軟開關技術在軟開關技術在DC-ACDC-AC變換中的應用變換中的應用v 4.8 4.8 小結小結Power Electronics4.1概述v DC-AC變換電路是將直流電直流電(

2、DC)(DC)轉換為交流轉換為交流電電(AC)(AC)的電路，即通常所說的逆變電路。其應用非常廣泛：在已有的直流中，向交流負載供電時，就需要逆變電路；在高壓直流輸電中，換流站中的高壓大容量逆變器更是不可或缺的核心設備之一；由公共電網向各種交流負載供電時，往往需要采用電力電子逆變裝置將電網電能轉換成所需頻率和電壓的電能，這一過程常被稱為變頻，變頻系統(tǒng)的核心實際上也是逆變電路。Power Electronicsv 變頻的實現方式a)交交直接變頻：傳統(tǒng)形式為多組反并聯晶閘管可逆橋式變流器組成，基于相控整流技術，采用電網自然換流實現交流到交流的直接變換，效率較高，能四象限運行。但這種電路使用晶閘管較多

3、，輸出頻率低，功率因數低；矩陣式變換器是一種新型交交變頻電路，它采用多個雙向開關實現N相輸入M相輸出的交叉連接，換流效率非常高，能實現四象限運行和任意功率因數，控制特性好，電源側和負載側諧波含量少，但矩陣變換器要求較高頻率的雙向開關，控制相對也較復雜。b)交直交變頻：由交直變換電路和直交變換電路兩部分組成，前一部分屬整流電路，后一部分就是DC-AC逆變電路。交直交變頻形式是目前最主要的變頻方式，并將在今后很長一段時期內繼續(xù)占據主導地位Power Electronicsv 逆變電路分類Power Electronicsv 按換流方式分類：a)器件換流：利用全控型器件自身的關斷能力進行換流稱為器件

4、換流。在采用IGBT、功率MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中，其換流方式即為器件換流。b)負載換流：由負載提供換流電壓稱為負載換流，通常采用的是負載諧振換流。c)強迫換流：通過附加的換流裝置，給欲關斷的器件強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強迫換流。v 器件換流只適用于全控型器件，其余兩種方式主要用于半控型器件如晶閘管的換流。Power Electronicsv 按直流電源分類：a)電壓型逆變器：在直流母線上并聯有大電容，抑制母線電壓紋波，直流測可近似看作一個理想電壓源。b)電流型逆變器：在直流測串聯有大電感，可以抑制輸出直流電流紋波，使得直流測可以近似看作一個理想電流源。

5、Power Electronicsv 按交流輸出類型分類：a)當變換裝置交流側接在電網上，把直流電逆變成同頻率的交流電回饋到電網上去，稱為有源逆變。b)當變換裝置交流側和負載連接時，將由變換裝置直接給電機等負載提供頻率可變的交流電，這種工作模式被稱為無源逆變。v 按輸出電平分類v 按控制方式分類v 按電路拓撲結構分類v 按輸出電壓相數分類Power Electronics4.2電壓型DC-AC變換電路v 4.2.14.2.1電壓型單相逆變電路電壓型單相逆變電路v 4.2.24.2.2電壓型三相全橋式逆變電路電壓型三相全橋式逆變電路Power Electronics4.2.1電壓型單相逆變電路v

6、1. 1.電壓型單相半橋式逆變電路電壓型單相半橋式逆變電路v電路特點：電路特點：直流側接有很大的濾波電容，從逆變器向直流側看過去，有兩個橋臂，每個橋臂由一個開關器件和一個反并聯二極管組成。在直流側接有兩個串聯的大電容，用于直流環(huán)節(jié)的濾波，穩(wěn)定直流電壓相當于一個內阻很小的電壓源，兩個電容的連接點為直流電源中點，負載接在直流電源中點和兩個橋臂中點之間。Power Electronicsv 控制方式：開關器件T1和T2在一個輸出電壓基波周期T0內互補地施加觸發(fā)驅動信號，且兩管驅動信號時間都相等v當T1導通T2關斷時 ，當T2導通T1關斷時 ，所以電壓波形為占空比為50的方波。改變T1和T2的驅動信號

7、的頻率，即可以改變輸出電壓的頻率，輸出電壓的基波頻率 Power Electronicsv 輸出電壓：v傅里葉級數形式：v輸出電壓基波幅值：v輸出電壓基波有效值：vn次諧波幅值：121nLmDLVVVnnPower Electronicsv 輸出電流v電阻負載：v感性負載：當負載中含有電感成分時，由于電感上電流不能突變，因此電流波形相當于經過了一個低通濾波環(huán)節(jié)，波形更接近于正弦波n 瞬時負載電流 ：n其中n次諧波阻抗 相角 n 基波電流：Power Electronicsv 死區(qū)互鎖時間：為防止T1和T2同時導通，在T1和T2的驅動信號切換過程中加入一定寬度的死區(qū)互鎖時間，讓上下橋臂的開關同時

8、處于關斷狀態(tài)。加入死區(qū)時間會影響實際輸出電壓的幅值v 半橋逆變電路總結v優(yōu)點：原理簡單，使用器件少v缺點：輸出交流電壓的幅值較低，基波幅值僅為 ，且直流側需要兩個電容器串聯，工作時還要控制兩個電容器電壓的平衡v半橋電路常用于幾kw以下的小功率逆變電源0.637DVPower Electronicsv 2.2.電壓型單相電壓型單相全全橋式逆變電路橋式逆變電路v電路特點：電路特點：全橋電路可看作由兩個半橋電路組成，有四個橋臂，包括四個可控開關器件及反并聯二極管，在直流母線上通常還并聯有濾波電容。v控制方式控制方式：T1和T4同時開通和關斷，T2和T3同時開通和關斷（存在一定的死區(qū)）。當T1和T4開

9、通時，負載端電壓為 ，當T2和T3同時開通時， 。Power Electronicsv 輸出電壓：v傅里葉級數形式：v輸出電壓基波有效值：Power Electronicsv 輸出電流v電阻負載：v感性負載：n 時，開關管T1、T4被觸發(fā)，當負載電流由a流向b時，電流流經開關管T1、T4，當負載電流由b流向a時，經過D1、D4續(xù)流n 時，開關管T2、T3被觸發(fā)，當負載電流由b流向a時，電流流經開關管T2、T3，當負載電流由a流向b時，電流經過D2、D3續(xù)流n 瞬時負載電流 ： 其中n次諧波阻抗 相角 n 基波電流：002Tt 002TtT Power Electronicsv 3.3.帶中心抽

10、頭變壓器的電壓型逆變器帶中心抽頭變壓器的電壓型逆變器v電路特點：電路特點：交替驅動兩個開關T1和T2，將直流電壓交替地加到變壓器的兩個原邊，在副邊就可以合成一個與負載性質無關的方波電壓。兩個與開關管反并聯的二極管D1和D2的提供續(xù)流通道，完成無功能量的回饋。變壓器匝比為1:1:1時，輸出電壓電流、波形及幅值與電壓型單相全橋逆變電路完全相同。Power Electronicsv 帶中心抽頭變壓器的電壓型逆變電路總結v優(yōu)點：所用的開關器件少輸入直流側和交流側由于變壓器的隔離而沒有電的聯系變壓器可以將輸出電壓變換到需要的數值，降低了對輸入直流電壓的要求v缺點：變壓器必須緊密耦合原邊每個繞組只在半個周

11、期內工作，需要有較大的容量變壓器體積較大且笨重，僅適用于功率較小的場合。Power Electronics4.2.24.2.2電壓型三相全橋式逆變電路電壓型三相全橋式逆變電路v 電路結構v 控制方式v上下開關管互補導通，形成一個寬度為1800（對應于 ）的矩形電壓波，而三相橋臂之間的控制起始信號相位互差1200v開關管T1T6依次導通，觸發(fā)脈沖間隔為600，在任何時刻都有三只管子同時導通，每只開關管在一個周期內（3600）的導通時間為180002TPower Electronicsv 開關管驅動狀態(tài)及各相端點輸出電壓各個開關管的導通狀態(tài)與順序分別為(T1、T2、T3) (T2、T3、T4) (

12、T3、T4、T5) (T4、T5、T6) (T5、T6、T1) (T6、T1、T2)Power Electronicsv逆變器輸出線電壓為各端點電壓之差，且考慮負載為三相對稱負載，O點為負載的中點v負載中點電壓與端點電壓之間關系：Power Electronicsv當 時，T1、T2、T3導通v負載線電壓：v負載相電壓：006Tt Power Electronicsv當 時，T2、T3、T4導通v負載線電壓：v負載相電壓：0063TTt Power Electronicsv根據求得的表達式可畫出各區(qū)間的負載線電壓、相電壓及中點電壓波形。v負載線電壓為寬度1200的矩形波，各相電壓波形為六階梯波

13、，中點電壓為3倍輸出頻率的方波。改變開關管觸發(fā)脈沖的頻率就可以改變逆變器輸出電壓的頻率Power Electronicsv輸出線電壓：v傅里葉級數形式：v基波幅值：v基波有效值：v將時間坐標起點移至階梯波的起點v基波幅值：vn次諧波幅值為：n 相電壓不含3次諧波，只含5、7、11、13等高階奇次諧波Power Electronicsv 電壓源型逆變電路總結v由于電容的嵌位作用，在開關管的控制下，輸出給負載的電壓為一系列矩形波，波形僅與控制脈沖相關而與負載性質無關，但輸出的電流波形與負載的阻抗角相關。不管是半橋還是全橋電路，采用方波控制時，在直流母線電壓 一定時輸出電壓的基波大小不可控，且輸出電

14、壓中諧波頻率低、幅值大，對負載性能影響較大。因此，上述逆變電路的輸出通常要接LC濾波器，濾波器LC濾除逆變電路輸出電壓中的高次諧波而使負載電壓、電流接近正弦波。改善逆變器技術特性的更佳途徑是采用PWM控制模式，通過提高開關控制頻率和占空比的調節(jié)，直接輸出諧波含量更少的交流電壓Power Electronics4.3 4.3 電流型電流型DC-ACDC-AC變換電路變換電路v 4.3.14.3.1電流型單相橋式逆變電路電流型單相橋式逆變電路v 4.3.2 4.3.2 電流型三相橋式逆變電路電流型三相橋式逆變電路Power Electronics4.3.14.3.1電流型單相橋式逆變電路電流型單相

15、橋式逆變電路v電路特點：輸入側直流電源串接有大電感L，因為電感中電流脈動較小，開關器件上無反并聯二極管，電流方向無法反向。v當帶純電阻負載時，開關T1、T4導通，T2、T3關斷時，負載電流方向為正；當開關T2、T3導通，T1、T4關斷時，負載電流方向為負，負載電流波形為方波v當負載包含電感時，由于電感上的電流不能突變，必須給負載電流提供一個換流路徑，并提供儲能元件以吸收負載電感中儲存的能量，因此必須在感性負載兩端并聯一個電容C，電容作為儲能元件提供無功功率，是電流型逆變器不可缺少的一部分。Power Electronicsv 負載電流波形為一系列方波，并與負載性質無關v負載電流的傅里葉分析v電

16、流基波有效值v電流源型逆變器輸出的電流波形含有很豐富的諧波成分，如果負載為電阻性負載，則負載上的電壓波形與電流波形一致。但實際應用中大部分負載都包含有電感成分，由于這種混合性負載的濾波作用，負載上的電壓一般接近于正弦波。Power Electronics4.3.24.3.2電流型三相橋式逆變電路電流型三相橋式逆變電路v電路特點：在直流側串聯有一個大電感L，當電感足夠大時直流側電流基本無脈動，直流回路呈現高阻抗，相當于一個電流源。電路中開關器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，所以交流側輸出電流波形為矩形波，并且與負載的阻抗角無關Power Electronicsv 控制方式：方波控制模式v開關

17、管T1T6依次導通，觸發(fā)脈沖間隔為600，在任何時刻保證以有且僅有兩只管子同時導通，這樣每只開關管在一個周期內（3600）的導通時間就是1200v6個時間區(qū)間各個開關管的導通狀態(tài)與順序分別為(T6、T1) (T1、T2) (T2、T3) (T3、T4) (T4、T5) (T5、T6) (T6、T1)，Power Electronicsv 三相星型對稱負載：各相電流等于端點輸出電流，相電流與線電流相等；各相負載電流波形均為正負脈寬為1200的矩形波v相、線電流進行傅立葉級數：v相電流基波有效值：n 相、線電流中不含3次諧波，只含5、7、11、13等高階奇次諧波，n次諧波幅值為基波幅值的1nPow

18、er Electronicsv 三相三角形對稱負載：v當開關狀態(tài)處于I區(qū)間時，此時T1、T6導通，各相電流：v當開關狀態(tài)處于II區(qū)間時，此時T1、T2導通，各相電流：v當開關狀態(tài)處于III區(qū)間時，此時T2、T3導通，各相電流：Power Electronicsv 三相三角形對稱負載：v當開關狀態(tài)處于IV區(qū)間時，此時T3、T4導通，各相電流：v當開關狀態(tài)處于V區(qū)間時，此時T4、T5導通，各相電流：v當開關狀態(tài)處于VI區(qū)間時，此時T5、T6導通，各相電流：Power Electronicsv 三相三角形對稱負載：v接三角型負載時線電流波形與星型負載時完全相同，相電流 傅立葉級數展開：v相電流基波有

19、效值：n 相、線電流中不含3次諧波，只含5、7、11、13等高階奇次諧波，n次諧波幅值為基波幅值的1nPower Electronicsv 電流型三相橋式逆變電路總結：v三相電流型逆變器輸出的電流波形含有很豐富的諧波成分，如果負載為電阻性負載，則負載上的電壓波形與電流波形一致。對于實際應用中的大部分包含電感的負載，負載上的電壓更接近于正弦波。v電流型逆變器直流輸入側串入的電感一般都較大才能維持輸入電流基本恒定，因此系統(tǒng)的重量、體積一般遠比電壓型逆變器大，這一缺點限制了電流型逆變器的應用，總體來說其應用不如電壓型逆變器廣泛，尤其在中小容量領域。Power Electronics4.4 諧振式逆變

20、電路v 4.4.14.4.1電壓型電壓型串聯諧振串聯諧振逆變電路逆變電路v 4.4.24.4.2電電流流型型并聯諧振并聯諧振逆變電路逆變電路Power Electronicsv 一般工業(yè)負載大多數情況下都是含電感的阻感混合型負載，為了使系統(tǒng)產生諧振，一般在負載中還要加入電容，這樣負載就變成了一個電阻、電感和電容的混合性負載，可等效為一個RLC負載。v 諧振式逆變電路主要特點有：v逆變電路輸出電壓或電流波形為方波；v當逆變頻率在負載諧振頻率附近時，可獲得正弦的電壓或電流輸出，不需要額外的低通濾波器來消除低次諧波，減小了系統(tǒng)體積和成本；v由于利用了負載的諧振特點，電路中的元器件尤其是開關器件要承受

21、較大的電壓或電流，對器件的可靠性要求較高。Power Electronics4.4.1電壓型串聯諧振逆變電路v 電路特點：v換流電容C與負載阻感電路串聯，換流是基于串聯諧振的原理。v輸入端采用不可控整流，電路簡單、功率因數高。v選擇系統(tǒng)開關頻率接近諧振頻率v電路工作頻率略低于電路的諧振頻率Power Electronicsv 工作原理分析：1.在 時刻，觸發(fā)晶閘管T1、T4，負載電路產生振蕩，負載電流方向為從A流向B；2.上述過程持續(xù)到 時刻電容電壓 充電至最大值，此時負載電流結束正半波而降為零；3.當 時，電路繼續(xù)振蕩，電流反向，由于T2、T3還未導通，電容通過負載經反并聯二極管D1、D4向

22、電源放電，T1、T4承受反壓關斷；4.當 時，觸發(fā)T2、T3，負載兩端電壓極性反向，D1、D4截止，電流從T2、T3中流過；Power Electronicsv 工作原理分析：5.上述過程持續(xù)到 時刻電容電壓反向充電至最大值，此時負載電流結束負半波而降為零；6.當 時，電流再次反向，電流通過D2、D3續(xù)流，T2、T3承受反壓關斷。7.上述過程持續(xù)到晶閘管T1、T4的再次觸發(fā)時刻 ，之后整個過程開始重復。注意：每次換流結束以后，需要使相應晶閘管承受一段反壓時間 才能保證可靠關斷，因此二極管導通時間 應大于晶閘管關斷時間 。Power Electronicsv 輸出電壓為矩形波，展成傅氏級數：v

23、基波有效值：v 輸出電流：n 其中 為直流側輸入平均電流， 為負載電流有效值， 為負載功率因數v逆變器工作頻率接近于負載諧振頻率，電路對負載電流的基波分量呈低阻抗，對其它高次諧波呈現高阻抗。因此負載電流可看成由基波分量組成，波形接近于基波正弦波。Power Electronicsv 電壓型串聯諧振逆變電路總結：串聯逆變電路起動和關斷較容易，但由于其工作條件的限制，對負載的適應性較差，當負載參數變動較大而使工作頻率與負載諧振頻率配合不當時，會影響功率輸出或引起電容電壓過高。因此，串聯逆變器適用于負載性質變化不大，需要頻繁起動和工作頻率較高的場合。Power Electronics4.4.2電流型

24、并聯諧振逆變電路v 電路特點：v換流電容與RL負載電路并聯v直流電壓經過大電感濾波， 通過橋式逆變電路將直流電逆變?yōu)橹蓄l交流電供給負載。v逆變橋由四個晶閘管橋臂構成，4只小電感用于限制晶閘管的電流上升率 。v電路采用負載換流，即要求負載電流超前電壓。因此進行電容補償時，應使負載電路在工作頻率下呈容性。v晶閘管交替觸發(fā)的頻率與負載回路的諧振頻率相接近，負載電路工作在諧振狀態(tài)v負載兩端電壓 是很好的中頻正弦波。而負載電流 在大電感 的作用下為近似為交變的矩形波Power Electronicsv 工作原理1.在 時刻，觸發(fā)晶閘管T1、T4，電流 流入負載；2.當 時，晶閘管T1、T4處于穩(wěn)定導通階

25、段，負載電流近似為恒值，t2時刻之前電容C兩端，即負載兩端電壓為正，負載電壓接近正弦波；LiPower Electronicsv 工作原理3.在t2時刻觸發(fā)晶閘管T2、T3，因在t2前T2和T3陽極電壓等于負載電壓，為正值，故T2和T3導通，開始進入換流階段。T2、T3導通時，負載兩端電壓施加到T1、T4兩端，使T1、T4承受負壓關斷。由于每個晶閘管都串有換相電感，故T1、T4在t2時刻不能立即關斷，其電流有一個減小過程，T2、T3的電流有一個增大過程;Power Electronicsv 工作原理4.當 時，四個晶閘管都導通，由于大電感 的恒流作用，電源不會短路。負載電容經兩個并聯的放電回路

26、同時放電，一個回路是經L1、T1、T3、L3回到電容，另一回路是L2、T2、T4、L4回到電容，在這個過程中，T1、T4電流逐漸減小，T2、T3電流逐漸增大。當t=t4時，T1、T4電流逐漸減至零而關斷，直流側電流 全部從T1、T4轉到T2、T3，換流結束， 稱為換流時間。Power Electronicsv忽略換流過程，負載電流 為矩形波，展開成傅氏級數得:v基波電流有效值:v負載電壓有效值和直流電壓的關系:v其中 為直流電壓， 為負載電壓有效值， 為負載功率因數Power Electronics4.5 DC-AC變換的多重化技術v 4.5.1 4.5.1 電壓型電壓型逆變器的多重化逆變器的

27、多重化v 4.5.24.5.2電電流流型型逆變器的多重化逆變器的多重化v 4.5.34.5.3多電平逆變器多電平逆變器Power Electronicsv 傳統(tǒng)電壓電流型逆變器問題：v若采用方波控制模式，其輸出電壓波形或電流波形為矩形波，含有很豐富的諧波分量；v有時受系統(tǒng)開關頻率的限制；v采用PWM控制模式，輸出波形也含有相當多的諧波成分v負載為交流電動機的話，諧波會在電機中產生6次諧波脈動轉矩，在低速的情況下轉矩脈動非常明顯；v 多重化技術基本原理是用階梯波來逼近正弦波。階梯數越多，逼近的程度越好，諧波含量就越少。另外，在開關管耐壓值和電流容量有限的情況下，采用所謂多電平方案是實現高壓大容量

28、逆變器的一條重要途徑，多電平技術同樣也可以降低輸出波形的諧波成分。Power Electronics4.5.1 4.5.1 電壓型電壓型逆變器的多重化逆變器的多重化v 多重化逆變器：v串聯多重化：將幾個逆變器的輸出串聯起來，電壓型逆變電路輸出為脈沖形電壓，所以一般采用串聯多重化方式，可將多個逆變器的電壓疊加后輸出v并聯多重化：將幾個逆變器的輸出并聯起來，電流型逆變電路輸出為方波電流，所以一般采用并聯多重化方式，可將多個逆變器的電流疊加輸出Power Electronicsv 二重化電壓型單相逆變器：v電壓型單相逆變器的輸出為導通 的矩形波，含有所有的奇次諧波v若兩個逆變器輸出電壓相位相差 ，就

29、可以完全消除3次諧波，輸出波形為導通 矩形波30120Power Electronicsv 三相電壓型多重化逆變器v電路特點：v變壓器耦合的方式串聯，變壓器耦合的方式串聯；v輸入直流電源共用，輸出電壓通過變壓器T1和T2串聯；v變壓器T1為 聯結，繞組匝數比為1:1；變壓器T2原邊也為三角形聯結，副邊每相有兩個繞組，采用曲折星形接法YPower Electronicsv 三相電壓型多重化逆變器v輸出電壓：v以u相輸出電壓為例，它是由T1變壓器的副邊A相繞組A1與T2變壓器的副邊A相中的一個繞組A21正串，再與T2變壓器副邊B相中的一個繞組B22反串v 的傅里葉級數展開：Power Electr

30、onicsv 的表達式v總輸出相電壓為串聯的兩變壓器輸出電壓之和：v 的基波有效值為vn次諧波有效值為n 輸出相電壓已經只含有 次諧波分量，其余諧波都已得到消除，包括影響嚴重的5、7次諧波分量2uvPower Electronics4.5.24.5.2電流型逆變器的多重化電流型逆變器的多重化v 直接輸出型二重化電流型逆變器：v將兩臺三相電流型逆變器的輸出直接并聯給電動機供電，總的輸出電流為兩臺逆變器輸出的電流波形的疊加v若兩臺三相電流型逆變器輸出的電流矩形波相位差為 ，則總輸出電流的傅立葉級數為：n 輸出電流依然含有5、7次等諧波，但和單臺電流型逆變器相比，5、7次諧波幅值明顯減小很多，11、

31、13次諧波幅值沒有明顯的減小030Power Electronicsv 變壓器耦合電流型逆變器：v利用合適的變壓器聯接法和選擇合適的繞組變比，可增加階梯波的階梯數，并且消除某些特定次數的諧波，改善輸出波形。v變壓器耦合二重化電流型逆變器：v逆變器1輸出接的三相變壓器采用 連接，變比為v逆變器2輸出接的三相變壓器采用 連接，變比為1:1v將兩臺逆變器輸出線電流相位錯開 ，即可在負載輸入側合成三階梯波電流波形：n 5、7次諧波已完全抵消，只含有 次諧波分量，其余諧波都已經不存在了Y030Power Electronics4.5.34.5.3多電平逆變器多電平逆變器v 兩電平逆變器的局限：v單個開關

32、管耐壓值和電流容量有限，大容量場合只能通過器件的直接串聯構成；v輸出存在很高的dv/dt和共模電壓，對負載設備絕緣構成了威脅；v串聯器件同時導通和關斷問題難以解決；v 多電平變換器：v采用單一直流電源供電，通過二極管、電容等進行嵌位的直接多電平v采用多個直流電源供電，通過基本逆變單元輸出疊加的級聯式多電平Power Electronicsv 采用二極管箝位的三相三電平逆變器v每相橋臂由四個串聯的開關管構成，其中中間的兩個開關管通過兩個二極管與電容維持的中點相連n 當Sa1和Sa2同為導通時，A相輸出電平為 n 當Sa3和Sa4同為導通時，A相輸出電平為0n 當Sa2和Sa3同為導通時，A相輸出

33、電平為 Power Electronicsv 三電平逆變器的優(yōu)點：1）在同樣的直流電壓和器件耐壓條件下，開關器件數目與兩電平逆變器相同。但相比于兩電平逆變器，三電平逆變器沒有兩個串聯器件的同時導通和同時關斷問題，對器件的要求低，器件受到的電壓應力小大，系統(tǒng)可靠性高。2）三電平逆變器開關產生的dv/dt比統(tǒng)兩電平逆變器小，對外圍電路的干擾??；開關引起的負載損耗小，對負載的沖擊小，在開關頻率附近的諧波幅值也小。3）由于三電平逆變器輸出為三電平階梯波，形狀更接近正弦。在同樣的開關頻率下，諧波比兩電平要低得多，適應了高壓大容量逆變器由于開關損耗及器件性能的問題開關頻率不能太高的要求。Power Ele

34、ctronicsv 三電平逆變器的不足：1）二極管可能需要承受不同反壓。箝位二極管承受反壓最高為(M-2)/(M-1)，最低為1/(M-1)，其中M為電平數。如果每個管子相同，若按最高額定值要求，必有一部分管子容量過大，造成浪費；若用多管串聯等效，則勢必造成二極管數量劇增，一相所需箝位二極管數目將達(M-1)(M-2)個，大大增加了成本，系統(tǒng)的可靠性也被削弱。2) 器件所需額定電流不同。不同管子的開關時間不同。顯然，每相橋臂越靠中間的管子開關時間越長，這樣同一橋臂上管子的額定電流也會有不同。3) 電容均壓問題。直流側電容由于一個周期內電流的流入和流出可能不同，會造成某些電容總在放電，而另一部分

35、總在充電，使得電容電壓不均衡，最終導致輸出電平不對。Power Electronicsv 級聯式多電平逆變器：H橋串聯式多電平逆變器v單相輸出結構：當逆變器向高壓負載供電時，逆變器和負載都與高壓電網沒有直接的聯系。負載所需的高壓由多個獨立的單相低壓逆變器（一般稱為功率單元）串聯而成的逆變器供給，而逆變器輸入電壓由移相變壓器得到。Power Electronicsv 級聯式多電平逆變器：H橋串聯式多電平逆變器v功率單元結構：為基本的交-直-交單相逆變電路。每個功率單元的輸入是簡單的6脈沖二極管整流器。整流器的直流側直接連到電容器組上，交流側由相應的移相變壓器副邊繞組供電，變壓器二次的移相接法實現

36、了變壓器原邊的電流多重化，可有效提高輸入電流的波形質量。逆變器每相端點輸出的電平數取決于功率單元串聯數量。Power Electronicsv 級聯式多電平逆變器結構特點：1) 階梯波調制時，器件在基頻下開通關斷，損耗小，效率高；2) 無需箝位二極管和電容，與箝位型直接多電平結構相比，對于相同電平數，所需器件最少，易于封裝；3) 基于低壓小容量變換器級聯的組成方式，技術成熟，易于模塊化，較適于7或9電平及以上的多電平應用場合；4) 易采用軟開關技術，可以避免笨重、耗能的阻容吸收電路；5) 不存在電容電壓平衡問題。v 級聯式多電平逆變缺點：1) 需多個獨立直流電源；2) 不易實現四象限運行。Po

37、wer Electronics4.6 4.6 變頻器變頻器v 4.6.1 4.6.1 變頻器的構成及基本功能變頻器的構成及基本功能v 4.6.24.6.2變頻器調速的基本控制原理變頻器調速的基本控制原理Power Electronicsv變頻器全稱為變頻變壓調速器VVVFI(variable voltage & variable frequency inverter)，是逆變電路的一種典型應用。變頻器的主要功能是將頻率、幅值不變的交流電源如工頻電轉換為頻率、幅值可變的交流電，其主回路目前一般采用全控型開關器件構成的電壓型逆變電路，以單片機、數字信號處理器等為核心進行控制。v變頻技術是應

38、交流電機調速的需要而誕生的，因此其主要應用目的是實現交流電機特別是交流異步電機的調速。v通用型變頻器一般采用恒壓頻比控制策略，適用于水泵、風機、壓縮機類型負載的調速v某些高端變頻器則采用矢量控制、直接轉矩控制等基于電機動態(tài)模型的控制策略，實現電機的高性能、無傳感器控制，可適用于紡織、冶金、機床等要求更高的調速場合。Power Electronics4.6.1 4.6.1 變頻器的構成及基本功能變頻器的構成及基本功能v 變頻器系統(tǒng)硬件組成v整流器：電網側的變流器是整流器，作用是把三相（單相）交流電整流成直流電。v逆變器：負載側的變流器為逆變器。最常見的結構形式是利用六個半導體主開關器件組成的三相

39、橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關的通與斷的狀態(tài)，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。v中間直流環(huán)節(jié)：由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載。無論電動機處于電動狀態(tài)或是發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數總不會為1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件來緩沖。所以常稱中間直流環(huán)節(jié)為直流儲能環(huán)節(jié)。v控制電路：控制電路通常由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入輸出電路、驅動電路等部分組成。Power Electronicsv 控制電路：v模擬參量和故障檢測電路：直流母線電壓和電流等主回路參數作為模擬參量通過特定的檢測電路進行采集并送至CPU所配置的

40、A/D轉換器，用來檢測和判斷是否在適合的范圍之內，否則即視為相應的故障處理。v信號封鎖電路：系統(tǒng)的硬件保護電路。當故障發(fā)生時，保證系統(tǒng)的可靠性，避免當軟件運行出現問題的時候保護功能不動作。當故障發(fā)生，不通過CPU就立刻將輸出的PWM脈沖信號全部拉低，確保開關全部處于關斷狀態(tài)。v端子及接口電路：功能主要是提供變頻器和其他設備交互命令的通道。包括數字量的輸入輸出和模擬量的輸入輸出v電源監(jiān)控電路：為了避免電源電壓失常導致控制電路出現誤動作，需要加入電源監(jiān)控電路，確保當電源電壓失常時候事先將系統(tǒng)安全停止運行。Power ElectronicsPower Electronicsv 變頻器系統(tǒng)基本功能：v

41、電機運行：這是變頻器系統(tǒng)功能的最基本和主要部分，包括所有和電機運行有關的功能，包括啟動、制動、調速、轉向控制等。v狀態(tài)監(jiān)測：一般監(jiān)測的狀態(tài)變量至少包括變頻器電機系統(tǒng)里幾個關鍵的參數，如電流（直流母線電流、電機相電流）、電壓（直流母線電壓）v故障處理和保護：如果監(jiān)測到系統(tǒng)發(fā)生故障，就需要加以判斷和相應的處理。一般而言，需要區(qū)分和響應的故障至少包括過電流、過電壓v人工控制：提供一套人機界面系統(tǒng)，操作者可以通過其監(jiān)測和控制系統(tǒng)的運行包括設置一些運行參數v自動控制：提供一些端子接口，通過這些接口可以由其他設備例如PLC來監(jiān)測和控制系統(tǒng)的運行，甚至可以通過接口提供外部的閉環(huán)控制。Power Electr

42、onicsv 總體來說，一般變頻器的功能主要包括：瞬時停電再啟動、工頻電源切換、多段速度設定、頻率跨跳功能、數字及模擬設定輸入、自動頻率調整運行、多電機運行、個人計算機接口、可編程控制器接口、定時控制等。為了保證變頻器的可靠工作，一般變頻器都有較完備的保護功能，主要包括：輸出過載、輸出過流、電網過電壓、電網欠電壓、電網失電、直流母線過電壓、直流母線欠電壓、變壓器過熱、缺相等。Power Electronics4.6.24.6.2變頻器調速的基本控制原理變頻器調速的基本控制原理v 變頻器調速原理：一般采用變壓變頻（VVVF）的方法協調地改變電機的供電電壓，以實現恒定磁通控制v電機定子每相感應電勢

43、的有效值：其中： 為氣隙磁通在定子每相中感應電勢有效值，單位為V 為定子頻率，單位為Hz 為定子每相繞組串聯匝數 為基波繞組系數 為每極氣隙磁通，單位為WbPower Electronicsv異步電動機端電壓與感應電勢的關系式：v當電機運行頻率由額定頻率降低或升高時，若繼續(xù)保持電機端電壓為額定值不變，則電機的磁通會出現飽和或欠勵磁的情況：v當電機的定子頻率 降低時，若繼續(xù)保持電機的端電壓不變，則電機的磁通 將增大。由于電機設計時，電機在額定情況下的磁通常處于接近飽和值，磁通的進一步增大將導致電機出現飽和，磁通出現飽和后將會造成電機中的勵磁電流過大，增加電機的銅耗和鐵耗，使電機溫升過高，嚴重時會

44、燒毀電機v當電機出現欠勵磁時，不能充分利用鐵心，將會影響電機的輸出轉矩，使電機帶載能力下降v在電動機控制過程中，使每極磁通 保持額定值不變可以充分利用電機，只要同時協調控制 和 ，就可以達到控制 使之恒定的目的。對此，需要考慮額定頻率以下和額定頻率以上兩種情況Power Electronicsv 額定頻率以下的調速:v當定子頻率較高時，感應電勢值較大，忽略定子阻抗壓降，認定 ，則恒定磁通條件可表示為：v在低頻時， 和 都較小，定子阻抗（主要是定子電阻上的壓降）所占比重增大，電機端電壓和電機的感應電勢近似相等的條件已經不能滿足。如果仍然按V/F比一定來控制，就不能保持電機磁通恒定。電機磁通的減小

45、勢必造成電機電磁轉矩的減小。如果對定子電阻壓降進行補償，在低頻時可適當提高逆變器的輸出電壓，維持 和 之比為常量，這樣電機磁通大體上可以保持恒定Power Electronicsv 額定頻率以上的調速：v在額定頻率以上調速時，頻率可以從 往上提高，但是端電壓 不能繼續(xù)上升，只能維持在額定值 ，這將迫使磁通與頻率成反比地下降，相當于直流電動機的弱磁升速的情況v 恒壓頻比調速總結：v如果電機在不同轉速下都具有額定電流，則電機都能在溫升允許的條件下長期運行。這時電機轉矩基本上隨磁通變化，因此，在額定轉速以下為恒轉矩調速，在額定轉速以上為恒功率調速。v恒壓頻比的控制策略可以實現電機一定范圍的調速控制，

46、但由于該方法是基于電機的穩(wěn)態(tài)數學模型實現的，其動態(tài)并不理想，究其原因，因此只能應用于風機、水泵等性能要求不高的場合。v越來越多的變頻器產品開始采用矢量控制、直接轉矩控制等基于電機動態(tài)數學模型的控制策略，實現更高的調速比，更快速的轉矩響應，以及電機的無機械式傳感器控制等nUPower Electronics4.7 4.7 軟開關技術在軟開關技術在DC-ACDC-AC變換中的應用變換中的應用v 硬開關模式：采用傳統(tǒng)的方波及PWM控制模式時，器件開通關斷過程中其兩端的電壓一般都不為零。v 開關損耗：電流從零增加到負載電流或從負載電流減小到零電流的過程中必然帶來開關管的功率損耗。v 硬開關模式的缺點：

47、v隨著開關頻率的增加，開關損耗也隨之迅速增加。巨大的開關損耗一方面使得器件溫度升高，使其變得容易損壞；另一方面使逆變器的整體效率大大降低v過高的du/dt、di/dt不僅提高了對器件的電壓以及電流承受能力的要求，同時也產生嚴重的電磁干擾Power Electronicsv 直流環(huán)節(jié)諧振逆變電路：在整流器和逆變器之間加入的諧振電路，該諧振電路把原先整流器輸出的恒定直流電壓變成一個直流脈動或高頻交流電壓，從而在逆變器輸入端出現電壓或電流過零點，給開關器件開通或關斷創(chuàng)造零電壓或零電流條件。v一個基本的直流環(huán)節(jié)諧振逆變電路由三部分構成：電壓源、LC諧振電路以及三相逆變橋。由于LC的諧振作用，輸入到逆變

48、橋的電壓不再是直流電壓，而是頻率較高的諧振脈沖電壓。該諧振脈沖電壓周期性地在諧振峰值和零點之間振蕩，從而周期性地產生零電壓時間間隔，為后面的三相逆變橋創(chuàng)造零電壓開通的條件。Power Electronicsv 實際的LC諧振電路等效圖：v設初始條件為： 解得：n 其中：v 隨時間衰減振蕩并最終穩(wěn)定在 ，并不能周期性地通過零點。只有當 時 才是隨時間變化做等幅振蕩，此時 為無阻尼振蕩，但實際中這是不可能實現的。Power Electronicsv 不能周期性地回零的原因：電路中存在損耗v解決方法：周期性地為電路補充能量，在LC諧振電路開始振蕩之前，先使電感儲存足夠的能量，因此設置開關Sn 當 回

49、零時，S導通， 電壓保持為零不變。此時電感進行預充電n 當 增加至 時，S斷開，LC重新開始振蕩v諧振初始條件變?yōu)椋簐電容兩端電壓變?yōu)椋簐令 為特性阻抗，將 代入得:v只要選擇合適的 和 ，就可以實現 周期性回零CvPower Electronicsv 考慮負載電流對LC諧振過程的影響，將三相逆變橋看作一個整體，由于電壓型逆變器通常接電機等感性負載，因此我們認為負載電流在一個諧振周期內近似不變，可以將逆變橋及其負載作為一個理想電流源處理Power Electronicsv第一階段：電感的預充電狀態(tài)。此時開關S導通，電容電壓被箝位在零，電感處于恒壓充電狀態(tài)。當 增加至 時，預充電階段結束，S斷開。其中 為考慮負載電流之后的預充電電流閾值，目的是補充LC諧振電路在一個周期內的能量損耗，包括電阻上的損耗和負載消耗兩部分。v第二階段： LC諧振階段v諧振條件為：Power Electronicsv 由于R不可能為0，為了保證 能夠周期性回零，必須保證 ，其差值用于彌補電路的損耗。由于負載電流 一般情況下并不是固定不變的，所以電阻損耗也會變化，因此 也會