電力電子技術(shù)第4章逆變電路

1、1第第4章章 逆變電路逆變電路 2第第4章章 逆逆變電路變電路 引言引言n逆變的概念 逆變與整流相對(duì)應(yīng)，直流電變成交流電。l交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。l交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變無源逆變。l逆變與變頻l變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。l交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。n主要應(yīng)用q各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等，給交流負(fù)載供電。交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。本章講述無源逆變3123456ABCD654321DCBATitleNum berR evisionSizeBDate:23

2、-Feb-2005Sheet of File:D:Design Explorer 99 SElihong.ddbDrawn B y:Vsonoff+-Vo(t)vo(t)tVs(a)(b)loadVss2s1s3a相b相c相中性點(diǎn)Neutralt120度120度120度44.1 換流方式換流方式5l以單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理4.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理圖4-1 逆變電路及其波形舉例負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是橋式電路的4個(gè)臂，它由電力電子器件及輔助電路組成，負(fù)載為阻感負(fù)載。64.1.1 逆變電路

3、的基本工作原理逆變電路的基本工作原理S1、S4閉合閉合，S2、S3斷開斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正正。S1、S4斷開斷開，S2、S3閉合閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)負(fù)。直流電交流電74.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理逆變電路最基本的工作逆變電路最基本的工作原理原理 改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖4-1 逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載阻感負(fù)載時(shí)，i io o相位滯后于u uo o，波形也不同。84.1.2 換流方式分類換流方式分類l換流換流電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路

4、轉(zhuǎn)移的過程，也l 稱為換相。開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使器件開通。關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷。一般在晶閘管電流過零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。l在逆變電路中，換流及換流方式問題最為全面和集中,因此安排在本章集中講述。94.1.2 換流方式分類換流方式分類1) 器件換流（Device Commutation）q利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。q在采用IGBT 、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2) 電網(wǎng)換流（Line Commutation）q由電網(wǎng)提供換流

5、電壓的換流方式。q將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3) 負(fù)載換流（Load Commutation）q由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。q凡負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。104.1.2 換流方式分類換流方式分類圖4-2 負(fù)載換流電路及其工作波形 n如圖是基本的負(fù)載換流負(fù)載換流電路，4個(gè)橋臂均由晶閘管組成。n整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。n直流側(cè)串電感，工作過程可認(rèn)為id 基本沒有脈動(dòng)。n負(fù)載對(duì)基波的阻抗大而對(duì)諧波的阻抗小。所以u(píng)o接近正弦波接近正弦波。n注意注意觸發(fā)VT2、VT

6、3的時(shí)刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4114)強(qiáng)迫換流（Forced Commutation）4.1.2 換流方式分類換流方式分類由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓直接耦合式強(qiáng)迫換流通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流電感耦合式強(qiáng)迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反向電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流強(qiáng)迫換流。 通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流電容換流。分類124.1.2 換流方式分類換流方式分類n直接

7、耦合式直接耦合式強(qiáng)迫換流n 當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容充電。當(dāng)S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。n 也叫電壓換流電壓換流。圖4-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖圖4-4 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式電感耦合式強(qiáng)迫換流 當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，接通S使LC振蕩電流流過VT，先使晶閘管電流減為零，然后流過反并聯(lián)二極管VD使其加上反向電壓。 也叫電流換流電流換流。134.1.2 換流方式分類換流方式分類n換流方式總結(jié)：器件換流適用于全控型器件。其余三種方式針對(duì)晶閘管。器件換流和強(qiáng)迫換流屬于自換流。電網(wǎng)換流和負(fù)載換流屬于外部換流。當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?/p>

8、，則稱為熄滅熄滅。144.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路1）逆變電路的分類 根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同同電壓型逆變電路又稱為電壓源型逆變電路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流側(cè)是電壓源電壓源電流型逆變電路又稱為電流源型逆變電路Current Source Type Inverter-CSTI直流側(cè)是電流源電流源154.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路2）電壓型逆變電路的特點(diǎn)圖4-5 電壓型全橋逆變電路 (1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)無脈動(dòng)。 (2)交流側(cè)輸出電壓為矩形波，輸出電流和相位因負(fù)載阻抗不同而不同。 (3

9、)阻感負(fù)載時(shí)需提供無功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。164.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 174.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路1）半橋逆變電路u圖46 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理 V1和V2柵極信號(hào)在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補(bǔ)，輸出電壓uo o為矩形波，幅值為Um=Ud/2。 V1或V2通時(shí)，io和uo o同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時(shí)，i io o和u uo o反向，電感中貯能向

10、直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管反饋二極管, ,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管續(xù)流二極管。184.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路l優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，使用器件少。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：輸出交流電壓幅值為U Ud d/2/2，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應(yīng)用應(yīng)用：用于幾kW以下的小功率逆變電源。l以后講述的單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合。194.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路2) 全橋逆變電路 共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。 兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通180。 輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。 改變輸出

11、交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實(shí)現(xiàn)。n工作原理204.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路n阻感負(fù)載時(shí)，還可采用移相的方式來調(diào)節(jié)輸出電壓 移相調(diào)壓移相調(diào)壓。a)圖4-7 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式tOtOtOtOtO? ?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo V3的基極信號(hào)比V1落后q （0 q 180 ）。V3、V4的柵極信號(hào)分別比V2、V1前移180q。輸出電壓是正負(fù)各為q的脈沖。 改變q就可調(diào)節(jié)輸出電壓。故移相調(diào)壓就是調(diào)節(jié)輸出電壓的脈寬。214.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路3） 帶中心抽頭變壓器的逆變電路圖4-8 帶中心抽頭變壓

12、器的逆變電路 Ud和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1時(shí)，uo和io o波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。l 與全橋電路的比較： 比全橋電路少用一半開關(guān)器件。 器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高 一倍。 必須有一個(gè)變壓器 。交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。兩個(gè)二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。224.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路l三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路l應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路 (N是假想電源中點(diǎn))圖4-9 三相電壓型橋式逆變電路UUN0,iu0,V1通, iu00時(shí)，V12和VD1導(dǎo)通。i iU U0

13、0時(shí)，V41和VD4導(dǎo)通。圖5-25 三電平逆變電路545.4.2 多電平逆變電路多電平逆變電路(3)l線電壓的電平線電壓的電平相電壓相減得到線電壓。兩電平逆變電路的輸出線電壓有Ud和0三種電平。三電平逆變電路的輸出線電壓有Ud、Ud/2和0五種電平。三電平逆變電路輸出電壓諧波可大大少于兩電平逆變電路。三電平逆變電路另一突出優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)主開關(guān)器件承受電壓為直流側(cè)電壓的一半。55第第5章章 逆逆變電路變電路 小結(jié)小結(jié)(1)(1)l講述基本的逆變電路的結(jié)構(gòu)及其工作原理講述基本的逆變電路的結(jié)構(gòu)及其工作原理四大類基本變流電路中，AC/DC和DC/AC兩類電路更為基本、更為重要( 還有AC/AC和DC/D

14、C) l換流方式換流方式分為外部換流和自換流兩大類，外部換流包括電網(wǎng)換流和負(fù)載換流兩種，自換流包括器件換流和強(qiáng)迫換流兩種。晶閘管時(shí)代換流的概念十分重要，全控型器件時(shí)代其重要性有所下降。56第第5章章 逆逆變電路變電路 小結(jié)小結(jié)(2)(2)l逆變電路分類方法逆變電路分類方法可按換流方式、輸出相數(shù)、直流電源的性質(zhì)或用途等分類。本章主要采用按直流側(cè)電源性質(zhì)分類的方法，分為電壓型和電流型兩類。電壓型和電流型的概念用于其他電路，也會(huì)對(duì)這些電路有更深刻的認(rèn)識(shí)。例如：負(fù)載為大電感的整流電路可看為電流型整流電路；電容濾波的整流電路可看成為電壓型整流電路。深刻認(rèn)識(shí)和理解電壓源和電流源的概念和特性，對(duì)理解和分析各種電力電子電路有重要意義。57第第5