第4章DC-AC變換電路,主要內(nèi)容：4.1概述4.2電壓型DC-AC變換電路4.3電流型DC-AC變換電路4.4諧振式逆變電路4.5DC-AC變換的多重化技術(shù)和多電平逆變電路4.6變頻器4.7軟開關(guān)技術(shù)在DC-AC變換中的應(yīng)用4.8小結(jié),4.1概述,DC-AC變換電路是將直流電(DC)轉(zhuǎn)換為交流電(AC)的電路，即通常所說的逆變電路。其應(yīng)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(shè)備之一；由公共電網(wǎng)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(wǎng)電能轉(zhuǎn)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。,變頻的實現(xiàn)方式交交直接變頻：傳統(tǒng)形式為多組反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變流器組成，基于相控整流技術(shù)，采用電網(wǎng)自然換流實現(xiàn)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，輸出頻率低，功率因數(shù)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(guān)實現(xiàn)N相輸入M相輸出的交叉連接，換流效率非常高，能實現(xiàn)四象限運行和任意功率因數(shù)，控制特性好，電源側(cè)和負載側(cè)諧波含量少，但矩陣變換器要求較高頻率的雙向開關(guān)，控制相對也較復(fù)雜。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(nèi)繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位,逆變電路分類,按換流方式分類：器件換流：利用全控型器件自身的關(guān)斷能力進行換流稱為器件換流。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。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。強迫換流：通過附加的換流裝置，給欲關(guān)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。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。,按直流電源分類：電壓型逆變器：在直流母線上并聯(lián)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。電流型逆變器：在直流測串聯(lián)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。,按交流輸出類型分類：當(dāng)變換裝置交流側(cè)接在電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電回饋到電網(wǎng)上去，稱為有源逆變。當(dāng)變換裝置交流側(cè)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。按輸出電平分類按控制方式分類按電路拓撲結(jié)構(gòu)分類按輸出電壓相數(shù)分類,4.2電壓型DC-AC變換電路,4.2.1電壓型單相逆變電路4.2.2電壓型三相全橋式逆變電路,4.2.1電壓型單相逆變電路,1.電壓型單相半橋式逆變電路電路特點：直流側(cè)接有很大的濾波電容，從逆變器向直流側(cè)看過去，有兩個橋臂，每個橋臂由一個開關(guān)器件和一個反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個串聯(lián)的大電容，用于直流環(huán)節(jié)的濾波，穩(wěn)定直流電壓相當(dāng)于一個內(nèi)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。,控制方式：開關(guān)器件T1和T2在一個輸出電壓基波周期T0內(nèi)互補地施加觸發(fā)驅(qū)動信號，且兩管驅(qū)動信號時間都相等當(dāng)T1導(dǎo)通T2關(guān)斷時，當(dāng)T2導(dǎo)通T1關(guān)斷時，所以電壓波形為占空比為50的方波。改變T1和T2的驅(qū)動信號的頻率，即可以改變輸出電壓的頻率，輸出電壓的基波頻率,輸出電壓：傅里葉級數(shù)形式：輸出電壓基波幅值：輸出電壓基波有效值：n次諧波幅值：,輸出電流電阻負載：感性負載：當(dāng)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(dāng)于經(jīng)過了一個低通濾波環(huán)節(jié)，波形更接近于正弦波瞬時負載電流：其中n次諧波阻抗相角基波電流：,死區(qū)互鎖時間：為防止T1和T2同時導(dǎo)通，在T1和T2的驅(qū)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(guān)同時處于關(guān)斷狀態(tài)。加入死區(qū)時間會影響實際輸出電壓的幅值半橋逆變電路總結(jié)優(yōu)點：原理簡單，使用器件少缺點：輸出交流電壓的幅值較低，基波幅值僅為，且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的平衡半橋電路常用于幾kw以下的小功率逆變電源,2.電壓型單相全橋式逆變電路電路特點：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(guān)器件及反并聯(lián)二極管，在直流母線上通常還并聯(lián)有濾波電容。控制方式：T1和T4同時開通和關(guān)斷，T2和T3同時開通和關(guān)斷（存在一定的死區(qū)）。當(dāng)T1和T4開通時，負載端電壓為，當(dāng)T2和T3同時開通時，。,輸出電壓：傅里葉級數(shù)形式：輸出電壓基波有效值：,輸出電流電阻負載：感性負載：時，開關(guān)管T1、T4被觸發(fā)，當(dāng)負載電流由a流向b時，電流流經(jīng)開關(guān)管T1、T4，當(dāng)負載電流由b流向a時，經(jīng)過D1、D4續(xù)流時，開關(guān)管T2、T3被觸發(fā)，當(dāng)負載電流由b流向a時，電流流經(jīng)開關(guān)管T2、T3，當(dāng)負載電流由a流向b時，電流經(jīng)過D2、D3續(xù)流瞬時負載電流：其中n次諧波阻抗相角基波電流：,3.帶中心抽頭變壓器的電壓型逆變器電路特點：交替驅(qū)動兩個開關(guān)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(zhì)無關(guān)的方波電壓。兩個與開關(guān)管反并聯(lián)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。,帶中心抽頭變壓器的電壓型逆變電路總結(jié)優(yōu)點：所用的開關(guān)器件少輸入直流側(cè)和交流側(cè)由于變壓器的隔離而沒有電的聯(lián)系變壓器可以將輸出電壓變換到需要的數(shù)值，降低了對輸入直流電壓的要求缺點：變壓器必須緊密耦合原邊每個繞組只在半個周期內(nèi)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。,4.2.2電壓型三相全橋式逆變電路,電路結(jié)構(gòu)控制方式上下開關(guān)管互補導(dǎo)通，形成一個寬度為1800（對應(yīng)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1200開關(guān)管T1T6依次導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖間隔為600，在任何時刻都有三只管子同時導(dǎo)通，每只開關(guān)管在一個周期內(nèi)（3600）的導(dǎo)通時間為1800,開關(guān)管驅(qū)動狀態(tài)及各相端點輸出電壓各個開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)與順序分別為(T1、T2、T3)(T2、T3、T4)(T3、T4、T5)(T4、T5、T6)(T5、T6、T1)(T6、T1、T2),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點為負載的中點負載中點電壓與端點電壓之間關(guān)系：,當(dāng)時，T1、T2、T3導(dǎo)通負載線電壓：負載相電壓：,當(dāng)時，T2、T3、T4導(dǎo)通負載線電壓：負載相電壓：,根據(jù)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。負載線電壓為寬度1200的矩形波，各相電壓波形為六階梯波，中點電壓為3倍輸出頻率的方波。改變開關(guān)管觸發(fā)脈沖的頻率就可以改變逆變器輸出電壓的頻率,輸出線電壓：傅里葉級數(shù)形式：基波幅值：基波有效值：將時間坐標(biāo)起點移至階梯波的起點基波幅值：n次諧波幅值為：相電壓不含3次諧波，只含5、7、11、13等高階奇次諧波,電壓源型逆變電路總結(jié)由于電容的嵌位作用，在開關(guān)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(guān)而與負載性質(zhì)無關(guān)，但輸出的電流波形與負載的阻抗角相關(guān)。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(shù)特性的更佳途徑是采用PWM控制模式，通過提高開關(guān)控制頻率和占空比的調(diào)節(jié)，直接輸出諧波含量更少的交流電壓,4.3電流型DC-AC變換電路,4.3.1電流型單相橋式逆變電路4.3.2電流型三相橋式逆變電路,4.3.1電流型單相橋式逆變電路,電路特點：輸入側(cè)直流電源串接有大電感L，因為電感中電流脈動較小，開關(guān)器件上無反并聯(lián)二極管，電流方向無法反向。當(dāng)帶純電阻負載時，開關(guān)T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷時，負載電流方向為正；當(dāng)開關(guān)T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷時，負載電流方向為負，負載電流波形為方波當(dāng)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(lián)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。,負載電流波形為一系列方波，并與負載性質(zhì)無關(guān)負載電流的傅里葉分析電流基波有效值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(yīng)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。,4.3.2電流型三相橋式逆變電路,電路特點：在直流側(cè)串聯(lián)有一個大電感L，當(dāng)電感足夠大時直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗，相當(dāng)于一個電流源。電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，所以交流側(cè)輸出電流波形為矩形波，并且與負載的阻抗角無關(guān),控制方式：方波控制模式開關(guān)管T1T6依次導(dǎo)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(dǎo)通，這樣每只開關(guān)管在一個周期內(nèi)（3600）的導(dǎo)通時間就是12006個時間區(qū)間各個開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)與順序分別為(T6、T1)(T1、T2)(T2、T3)(T3、T4)(T4、T5)(T5、T6)(T6、T1)，,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的矩形波相、線電流進行傅立葉級數(shù)：相電流基波有效值：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,三相三角形對稱負載：當(dāng)開關(guān)狀態(tài)處于I區(qū)間時，此時T1、T6導(dǎo)通，各相電流：當(dāng)開關(guān)狀態(tài)處于II區(qū)間時，此時T1、T2導(dǎo)通，各相電流：當(dāng)開關(guān)狀態(tài)處于III區(qū)間時，此時T2、T3導(dǎo)通，各相電流：,三相三角形對稱負載：當(dāng)開關(guān)狀態(tài)處于IV區(qū)間時，此時T3、T4導(dǎo)通，各相電流：當(dāng)開關(guān)狀態(tài)處于V區(qū)間時，此時T4、T5導(dǎo)通，各相電流：當(dāng)開關(guān)狀態(tài)處于VI區(qū)間時，此時T5、T6導(dǎo)通，各相電流：,三相三角形對稱負載：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(shù)展開：相電流基波有效值：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,電流型三相橋式逆變電路總結(jié)：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(yīng)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。電流型逆變器直流輸入側(cè)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(yīng)用，總體來說其應(yīng)用不如電壓型逆變器廣泛，尤其在中小容量領(lǐng)域。,4.4諧振式逆變電路,4.4.1電壓型串聯(lián)諧振逆變電路4.4.2電流型并聯(lián)諧振逆變電路,一般工業(yè)負載大多數(shù)情況下都是含電感的阻感混合型負載，為了使系統(tǒng)產(chǎn)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。諧振式逆變電路主要特點有：逆變電路輸出電壓或電流波形為方波；當(dāng)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；由于利用了負載的諧振特點，電路中的元器件尤其是開關(guān)器件要承受較大的電壓或電流，對器件的可靠性要求較高。,4.4.1電壓型串聯(lián)諧振逆變電路,電路特點：換流電容C與負載阻感電路串聯(lián)，換流是基于串聯(lián)諧振的原理。輸入端采用不可控整流，電路簡單、功率因數(shù)高。選擇系統(tǒng)開關(guān)頻率接近諧振頻率電路工作頻率略低于電路的諧振頻率,工作原理分析：在時刻，觸發(fā)晶閘管T1、T4，負載電路產(chǎn)生振蕩，負載電流方向為從A流向B；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(jié)束正半波而降為零；當(dāng)時，電路繼續(xù)振蕩，電流反向，由于T2、T3還未導(dǎo)通，電容通過負載經(jīng)反并聯(lián)二極管D1、D4向電源放電，T1、T4承受反壓關(guān)斷；當(dāng)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；,工作原理分析：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(jié)束負半波而降為零；當(dāng)時，電流再次反向，電流通過D2、D3續(xù)流，T2、T3承受反壓關(guān)斷。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(fù)。注意：每次換流結(jié)束以后，需要使相應(yīng)晶閘管承受一段反壓時間才能保證可靠關(guān)斷，因此二極管導(dǎo)通時間應(yīng)大于晶閘管關(guān)斷時間。,輸出電壓為矩形波，展成傅氏級數(shù)：基波有效值：輸出電流：其中為直流側(cè)輸入平均電流，為負載電流有效值，為負載功率因數(shù)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(xiàn)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。,電壓型串聯(lián)諧振逆變電路總結(jié)：串聯(lián)逆變電路起動和關(guān)斷較容易，但由于其工作條件的限制，對負載的適應(yīng)性較差，當(dāng)負載參數(shù)變動較大而使工作頻率與負載諧振頻率配合不當(dāng)時，會影響功率輸出或引起電容電壓過高。因此，串聯(lián)逆變器適用于負載性質(zhì)變化不大，需要頻繁起動和工作頻率較高的場合。,4.4.2電流型并聯(lián)諧振逆變電路,電路特點：換流電容與RL負載電路并聯(lián)直流電壓經(jīng)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。逆變橋由四個晶閘管橋臂構(gòu)成，4只小電感用于限制晶閘管的電流上升率。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(yīng)使負載電路在工作頻率下呈容性。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)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,工作原理在時刻，觸發(fā)晶閘管T1、T4，電流流入負載；當(dāng)時，晶閘管T1、T4處于穩(wěn)定導(dǎo)通階段，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；,工作原理在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(dǎo)通，開始進入換流階段。T2、T3導(dǎo)通時，負載兩端電壓施加到T1、T4兩端，使T1、T4承受負壓關(guān)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(guān)斷，其電流有一個減小過程，T2、T3的電流有一個增大過程;,工作原理當(dāng)時，四個晶閘管都導(dǎo)通，由于大電感的恒流作用，電源不會短路。負載電容經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電，一個回路是經(jīng)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(dāng)t=t4時，T1、T4電流逐漸減至零而關(guān)斷，直流側(cè)電流全部從T1、T4轉(zhuǎn)到T2、T3，換流結(jié)束，稱為換流時間。,忽略換流過程，負載電流為矩形波，展開成傅氏級數(shù)得:基波電流有效值:負載電壓有效值和直流電壓的關(guān)系:其中為直流電壓，為負載電壓有效值，為負載功率因數(shù),4.5DC-AC變換的多重化技術(shù),4.5.1電壓型逆變器的多重化4.5.2電流型逆變器的多重化4.5.3多電平逆變器,傳統(tǒng)電壓電流型逆變器問題：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；有時受系統(tǒng)開關(guān)頻率的限制；采用PWM控制模式，輸出波形也含有相當(dāng)多的諧波成分負載為交流電動機的話，諧波會在電機中產(chǎn)生6次諧波脈動轉(zhuǎn)矩，在低速的情況下轉(zhuǎn)矩脈動非常明顯；多重化技術(shù)基本原理是用階梯波來逼近正弦波。階梯數(shù)越多，逼近的程度越好，諧波含量就越少。另外，在開關(guān)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(xiàn)高壓大容量逆變器的一條重要途徑，多電平技術(shù)同樣也可以降低輸出波形的諧波成分。,4.5.1電壓型逆變器的多重化,多重化逆變器：串聯(lián)多重化：將幾個逆變器的輸出串聯(lián)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(lián)多重化方式，可將多個逆變器的電壓疊加后輸出并聯(lián)多重化：將幾個逆變器的輸出并聯(lián)起來，電流型逆變電路輸出為方波電流，所以一般采用并聯(lián)多重化方式，可將多個逆變器的電流疊加輸出,二重化電壓型單相逆變器：電壓型單相逆變器的輸出為導(dǎo)通的矩形波，含有所有的奇次諧波若兩個逆變器輸出電壓相位相差，就可以完全消除3次諧波，輸出波形為導(dǎo)通矩形波,三相電壓型多重化逆變器電路特點：變壓器耦合的方式串聯(lián)，變壓器耦合的方式串聯(lián)；輸入直流電源共用，輸出電壓通過變壓器T1和T2串聯(lián)；變壓器T1為聯(lián)結(jié)，繞組匝數(shù)比為1:1；變壓器T2原邊也為三角形聯(lián)結(jié)，副邊每相有兩個繞組，采用曲折星形接法,三相電壓型多重化逆變器輸出電壓：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反串的傅里葉級數(shù)展開：,的表達式總輸出相電壓為串聯(lián)的兩變壓器輸出電壓之和：的基波有效值為n次諧波有效值為輸出相電壓已經(jīng)只含有次諧波分量，其余諧波都已得到消除，包括影響嚴(yán)重的5、7次諧波分量,4.5.2電流型逆變器的多重化,直接輸出型二重化電流型逆變器：將兩臺三相電流型逆變器的輸出直接并聯(lián)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(shù)為：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、13次諧波幅值沒有明顯的減小,變壓器耦合電流型逆變器：利用合適的變壓器聯(lián)接法和選擇合適的繞組變比，可增加階梯波的階梯數(shù)，并且消除某些特定次數(shù)的諧波，改善輸出波形。變壓器耦合二重化電流型逆變器：逆變器1輸出接的三相變壓器采用連接，變比為逆變器2輸出接的三相變壓器采用連接，變比為1:1將兩臺逆變器輸出線電流相位錯開，即可在負載輸入側(cè)合成三階梯波電流波形：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(jīng)不存在了,4.5.3多電平逆變器,兩電平逆變器的局限：單個開關(guān)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(lián)構(gòu)成；輸出存在很高的dv/dt和共模電壓，對負載設(shè)備絕緣構(gòu)成了威脅；串聯(lián)器件同時導(dǎo)通和關(guān)斷問題難以解決；多電平變換器：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(lián)式多電平,采用二極管箝位的三相三電平逆變器每相橋臂由四個串聯(lián)的開關(guān)管構(gòu)成，其中中間的兩個開關(guān)管通過兩個二極管與電容維持的中點相連當(dāng)Sa1和Sa2同為導(dǎo)通時，A相輸出電平為當(dāng)Sa3和Sa4同為導(dǎo)通時，A相輸出電平為0當(dāng)Sa2和Sa3同為導(dǎo)通時，A相輸出電平為,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(guān)器件數(shù)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(lián)器件的同時導(dǎo)通和同時關(guān)斷問題，對器件的要求低，器件受到的電壓應(yīng)力小大，系統(tǒng)可靠性高。2）三電平逆變器開關(guān)產(chǎn)生的dv/dt比統(tǒng)兩電平逆變器小，對外圍電路的干擾小；開關(guān)引起的負載損耗小，對負載的沖擊小，在開關(guān)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(guān)頻率下，諧波比兩電平要低得多，適應(yīng)了高壓大容量逆變器由于開關(guān)損耗及器件性能的問題開關(guān)頻率不能太高的要求。,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(shù)。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(lián)等效，則勢必造成二極管數(shù)量劇增，一相所需箝位二極管數(shù)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(guān)時間不同。顯然，每相橋臂越靠中間的管子開關(guān)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(cè)電容由于一個周期內(nèi)電流的流入和流出可能不同，會造成某些電容總在放電，而另一部分總在充電，使得電容電壓不均衡，最終導(dǎo)致輸出電平不對。,級聯(lián)式多電平逆變器：H橋串聯(lián)式多電平逆變器單相輸出結(jié)構(gòu)：當(dāng)逆變器向高壓負載供電時，逆變器和負載都與高壓電網(wǎng)沒有直接的聯(lián)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(lián)而成的逆變器供給，而逆變器輸入電壓由移相變壓器得到。,級聯(lián)式多電平逆變器：H橋串聯(lián)式多電平逆變器功率單元結(jié)構(gòu)：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(cè)直接連到電容器組上，交流側(cè)由相應(yīng)的移相變壓器副邊繞組供電，變壓器二次的移相接法實現(xiàn)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(zhì)量。逆變器每相端點輸出的電平數(shù)取決于功率單元串聯(lián)數(shù)量。,級聯(lián)式多電平逆變器結(jié)構(gòu)特點：1)階梯波調(diào)制時，器件在基頻下開通關(guān)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(jié)構(gòu)相比，對于相同電平數(shù)，所需器件最少，易于封裝；3)基于低壓小容量變換器級聯(lián)的組成方式，技術(shù)成熟，易于模塊化，較適于7或9電平及以上的多電平應(yīng)用場合；4)易采用軟開關(guān)技術(shù)，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。級聯(lián)式多電平逆變?nèi)秉c：1)需多個獨立直流電源；2)不易實現(xiàn)四象限運行。,4.6變頻器,4.6.1變頻器的構(gòu)成及基本功能4.6.2變頻器調(diào)速的基本控制原理,變頻器全稱為變頻變壓調(diào)速器VVVFI(variablevoltage&variablefrequencyinverter)，是逆變電路的一種典型應(yīng)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(zhuǎn)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(guān)器件構(gòu)成的電壓型逆變電路，以單片機、數(shù)字信號處理器等為核心進行控制。變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機調(diào)速的需要而誕生的，因此其主要應(yīng)用目的是實現(xiàn)交流電機特別是交流異步電機的調(diào)速。通用型變頻器一般采用恒壓頻比控制策略，適用于水泵、風(fēng)機、壓縮機類型負載的調(diào)速某些高端變頻器則采用矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等基于電機動態(tài)模型的控制策略，實現(xiàn)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(diào)速場合。,4.6.1變頻器的構(gòu)成及基本功能,變頻器系統(tǒng)硬件組成整流器：電網(wǎng)側(cè)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。逆變器：負載側(cè)的變流器為逆變器。最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的通與斷的狀態(tài)，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。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(shù)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)。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(qū)動電路等部分組成。,控制電路：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(shù)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A/D轉(zhuǎn)換器，用來檢測和判斷是否在適合的范圍之內(nèi)，否則即視為相應(yīng)的故障處理。信號封鎖電路：系統(tǒng)的硬件保護電路。當(dāng)故障發(fā)生時，保證系統(tǒng)的可靠性，避免當(dāng)軟件運行出現(xiàn)問題的時候保護功能不動作。當(dāng)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(guān)全部處于關(guān)斷狀態(tài)。端子及接口電路：功能主要是提供變頻器和其他設(shè)備交互命令的通道。包括數(shù)字量的輸入輸出和模擬量的輸入輸出電源監(jiān)控電路：為了避免電源電壓失常導(dǎo)致控制電路出現(xiàn)誤動作，需要加入電源監(jiān)控電路，確保當(dāng)電源電壓失常時候事先將系統(tǒng)安全停止運行。,變頻器系統(tǒng)基本功能：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(guān)的功能，包括啟動、制動、調(diào)速、轉(zhuǎn)向控制等。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(guān)鍵的參數(shù)，如電流（直流母線電流、電機相電流）、電壓（直流母線電壓）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(yīng)的處理。一般而言，需要區(qū)分和響應(yīng)的故障至少包括過電流、過電壓人工控制：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(shè)置一些運行參數(shù)自動控制：提供一些端子接口，通過這些接口可以由其他設(shè)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。,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(shè)定、頻率跨跳功能、數(shù)字及模擬設(shè)定輸入、自動頻率調(diào)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(wǎng)過電壓、電網(wǎng)欠電壓、電網(wǎng)失電、直流母線過電壓、直流母線欠電壓、變壓器過熱、缺相等。,4.6.2變頻器調(diào)速的基本控制原理,變頻器調(diào)速原理：一般采用變壓變頻（VVVF）的方法協(xié)調(diào)地改變電機的供電電壓，以實現(xiàn)恒定磁通控制電機定子每相感應(yīng)電勢的有效值：其中：為氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)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(lián)匝數(shù)為基波繞組系數(shù)為每極氣隙磁通，單位為Wb,異步電動機端電壓與感應(yīng)電勢的關(guān)系式：當(dāng)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(xiàn)飽和或欠勵磁的情況：當(dāng)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(shè)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(dǎo)致電機出現(xiàn)飽和，磁通出現(xiàn)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(yán)重時會燒毀電機當(dāng)電機出現(xiàn)欠勵磁時，不能充分利用鐵心，將會影響電機的輸出轉(zhuǎn)矩，使電機帶載能力下降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(xié)調(diào)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,額定頻率以下的調(diào)速:當(dāng)定子頻率較高時，感應(yīng)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：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(yīng)電勢近似相等的條件已經(jīng)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。電機磁通的減小勢必造成電機電磁轉(zhuǎn)矩的減小。如果對定子電阻壓降進行補償，在低頻時可適當(dāng)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,額定頻率以上的調(diào)速：在額定頻率以上調(diào)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(dāng)于直流電動機的弱磁升速的情況恒壓頻比調(diào)速總結(jié)：如果電機在不同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，因此，在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率調(diào)速。恒壓頻比的控制策略可以實現(xiàn)電機一定范圍的調(diào)速控制，但由于該方法是基于電機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)的，其動態(tài)并不理想，究其原因，因此只能應(yīng)用于風(fēng)機、水泵等性能要求不高的場合。越來越多的變頻器產(chǎn)品開始采用矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等基于電機動態(tài)數(shù)學(xué)模型的控制策略，實現(xiàn)更高的調(diào)速比，更快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，以及電機的無機械式傳感器控制等,4.7軟開關(guān)技術(shù)在DC-AC變換中的應(yīng)用,硬開關(guān)模式：采用傳統(tǒng)的方波及PWM控制模式時，器件開通關(guān)斷過程中其兩端的電壓一般都不為零。開關(guān)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(guān)管的功率損耗。硬開關(guān)模式的缺點：隨著開關(guān)頻率的增加，開關(guān)損耗也隨之迅速增加。巨大的開關(guān)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(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾,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(xiàn)電壓或電流過零點，給開關(guān)器件開通或關(guān)斷創(chuàng)造零電壓或零電流條件。一個基本的直流環(huán)節(jié)諧振逆變電路由三部分構(gòu)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(chǎn)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。,實際的LC諧振電路等效圖：設(shè)初始條件為：解得：其中：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(dāng)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(xiàn)的。,不能周期性地回零的原因：電路