第13講 換流方式和單相電壓型逆變

1、120132014年秋電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)（第（第13講）講）授課：張可畏2013.11.102第第4章章 逆變電路逆變電路 4.1 換流方式換流方式 4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 4.3 電流型逆變電路電流型逆變電路 4.4 多重逆變電路和多電平逆變電路多重逆變電路和多電平逆變電路 本章小結(jié)本章小結(jié)3引言引言要求：要求：掌握有源逆變、無源逆變的概念及主要應(yīng)掌握有源逆變、無源逆變的概念及主要應(yīng)用場合用場合4引言引言逆變的概念逆變的概念 與整流相對應(yīng)，與整流相對應(yīng)，直流電直流電變成變成交流電交流電。 交流側(cè)接電網(wǎng)，為交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。 交流側(cè)接負(fù)載，為交流側(cè)接負(fù)載，為

2、無源逆變無源逆變，本章主要講述無源逆變。，本章主要講述無源逆變。逆變與變頻逆變與變頻 變頻電路：分為變頻電路：分為交交變頻交交變頻和和交直交變頻交直交變頻兩種。兩種。 交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組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。成，后一部分就是逆變。逆變電路的逆變電路的主要應(yīng)用主要應(yīng)用 各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。 交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源交流電機(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。等電力電子裝置的核心部分都是逆變電

3、路。54.1 換流方式換流方式 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 4.1.2 換流方式分類換流方式分類64.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理 S1S4是橋式電路的是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。路組成。 負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2圖圖4-1 逆變電路及其波形舉例逆變電路及其波形舉例 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負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot

4、1t2 當(dāng)開關(guān)當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合，閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正；當(dāng)開關(guān)為正；當(dāng)開關(guān)S1、S4斷開，斷開，S2、S3閉合時(shí)，閉合時(shí)，uo為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電。為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電。 改變改變兩組開關(guān)的切換頻率兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出，即可改變輸出交流電的頻率交流電的頻率。 電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和和uo的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。 阻感負(fù)載時(shí)，阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于相位滯后于uo，波形也不同。，波形也不同。圖圖4-1 逆變電路及其波形舉例逆變電路及其波形舉例 84.1.2 換流方式分類換流

5、方式分類要求：要求：掌握器件換流、電網(wǎng)換流、負(fù)載換流及掌握器件換流、電網(wǎng)換流、負(fù)載換流及強(qiáng)迫換流的原理、特點(diǎn)和使用場合。強(qiáng)迫換流的原理、特點(diǎn)和使用場合。換流換流 電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為稱為換相換相。 研究換流方式主要是研究研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷如何使器件關(guān)斷。94.1.2 換流方式分類換流方式分類換流方式分為以下幾種換流方式分為以下幾種器件換流（器件換流（Device Commutation） 利用利用全控型器件的自關(guān)斷能力全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。進(jìn)行換流。 在采用在采用IGBT 、電力、電力MOSFET 、G

6、TO 、GTR等全控等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。型器件的電路中的換流方式是器件換流。 電網(wǎng)換流（電網(wǎng)換流（Line Commutation） 電網(wǎng)電網(wǎng)提供提供換流電壓換流電壓的換流方式。的換流方式。 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)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。交流電網(wǎng)的無源逆變電路。104.1.2 換流方式分類換流方式分類a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4

7、圖圖4-2 負(fù)載換流電路及其工作波形負(fù)載換流電路及其工作波形 負(fù)載換流（負(fù)載換流（Load Commutation） 由由負(fù)載負(fù)載提供提供換流電壓換流電壓的換流方式。的換流方式。 負(fù)載負(fù)載電流電流的的相位超前相位超前于負(fù)載于負(fù)載電壓電壓的場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流，如電容的場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流，如電容性負(fù)載和同步電動(dòng)機(jī)。性負(fù)載和同步電動(dòng)機(jī)。114.1.2 換流方式分類換流方式分類a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4圖圖4-2 負(fù)載換流電路及其工作波形負(fù)載換流電路及其工作波形 負(fù)載換流（負(fù)載換流（Load Commutati

8、on） 圖圖4-2a是基本的負(fù)載換流逆變電是基本的負(fù)載換流逆變電路，整個(gè)負(fù)載工作在接近路，整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀并聯(lián)諧振狀態(tài)態(tài)而略呈而略呈容性容性，直流側(cè)串大電感，工，直流側(cè)串大電感，工作過程可認(rèn)為作過程可認(rèn)為id基本沒有脈動(dòng)?；緵]有脈動(dòng)。 負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小，所以阻抗小，所以uo接近接近正弦波正弦波。 注意觸發(fā)注意觸發(fā)VT2、VT3的時(shí)刻的時(shí)刻t1必須必須在在uo過零前并留有足夠的裕量，才能過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。使換流順利完成。124.1.2 換流方式分類換流方式分類強(qiáng)迫換流（強(qiáng)迫換流（Forced Commutati

9、on） 設(shè)置設(shè)置附加的換流電路附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。壓或反電流的換流方式稱為強(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)，因此也稱為為電容換流電容換流。 分類分類 直接耦合式強(qiáng)迫換流直接耦合式強(qiáng)迫換流：由換流電路內(nèi)電容直接提供換：由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓。流電壓。 電感耦合式強(qiáng)迫換流電感耦合式強(qiáng)迫換流：通過換流電路內(nèi)的電容和電感：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。的耦合來提供換流電壓或換流電流。134.1.2 換流方式分類換流方式分

10、類強(qiáng)迫換流（強(qiáng)迫換流（Forced Commutation） 直接耦合式強(qiáng)迫換流直接耦合式強(qiáng)迫換流 如圖如圖4-3，當(dāng)晶閘管，當(dāng)晶閘管VT處于通處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容充電。當(dāng)態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容充電。當(dāng)S合上，合上，就可使就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。被施加反壓而關(guān)斷。 也叫電壓換流。也叫電壓換流。圖圖4-3 直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖 144.1.2 換流方式分類換流方式分類強(qiáng)迫換流（強(qiáng)迫換流（Forced Commutation） 圖圖4-4a中晶閘管在中晶閘管在LC振振蕩蕩第一個(gè)半周期第一個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷，內(nèi)關(guān)斷， 圖圖4-4b中晶閘管在中晶閘管在LC振振蕩蕩第二個(gè)半周期第

11、二個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷，注內(nèi)關(guān)斷，注意兩圖中電容所充的電壓極意兩圖中電容所充的電壓極性不同。性不同。 在這兩種情況下，晶閘在這兩種情況下，晶閘管都是在正向電流減至零且管都是在正向電流減至零且二極管開始流過電流時(shí)關(guān)斷，二極管開始流過電流時(shí)關(guān)斷，二極管上的管壓降就是加在二極管上的管壓降就是加在晶閘管上的反向電壓。晶閘管上的反向電壓。 也叫也叫電流換流電流換流。圖圖4-4 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖 154.1.2 換流方式分類換流方式分類換流方式總結(jié)換流方式總結(jié) 器件換流器件換流只適用于只適用于全控型器件全控型器件，其余三種方式主要是，其余三種方式主要是針對針對晶閘管晶閘管而言的。

12、而言的。 器件換流和強(qiáng)迫換流屬于器件換流和強(qiáng)迫換流屬于自換流自換流，電網(wǎng)換流和負(fù)載換，電網(wǎng)換流和負(fù)載換流屬于流屬于外部換流外部換流。 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?，則稱為路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅熄滅。 164.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 4.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 4.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路174.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路引言引言要求：要求：掌握電壓型逆變電路的概念和特點(diǎn)。掌握電壓型逆變電路的概念和特點(diǎn)。根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同，可以分為兩類

13、根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同，可以分為兩類 電壓型電壓型逆變電路：直流側(cè)是電壓源。逆變電路：直流側(cè)是電壓源。 電流型電流型逆變電路：直流側(cè)是電流源。逆變電路：直流側(cè)是電流源。184.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路引言引言電壓型逆變電路的特點(diǎn)電壓型逆變電路的特點(diǎn) 直流側(cè)為直流側(cè)為電壓源電壓源或并聯(lián)或并聯(lián)大電容大電容，直流側(cè)電壓基本無脈，直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)。動(dòng)。 由于直流電壓源的由于直流電壓源的鉗位作用鉗位作用，輸出電壓為，輸出電壓為矩形波矩形波，輸，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。 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)阻感負(fù)載時(shí)需提供無功功率，為了給交流側(cè)向直

14、流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管反饋二極管。圖圖4-5 電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路）電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路） 194.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路要求：要求：掌握單相半橋逆變電路的工作原理，波形分掌握單相半橋逆變電路的工作原理，波形分析和輸出電壓、電流計(jì)算。析和輸出電壓、電流計(jì)算。掌握單相全橋電壓型逆變電路的工作原理，掌握單相全橋電壓型逆變電路的工作原理，波形分析和輸出電壓、電流計(jì)算。波形分析和輸出電壓、電流計(jì)算。半橋逆變電路半橋逆變電路 在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大

15、的電容電容，兩個(gè)電，兩個(gè)電容的容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)點(diǎn)便成為直流電源的便成為直流電源的中點(diǎn)中點(diǎn)，負(fù)載聯(lián)接在直流，負(fù)載聯(lián)接在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。204.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖圖4-6 單相半橋電壓型逆單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形變電路及其工作波形 半橋逆變電路半橋逆變電路 工作原理工作原理 設(shè)開關(guān)器件設(shè)開關(guān)器件V1和和V2的柵的柵極信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)各有半周極信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補(bǔ)。正偏，半周反偏，且二

16、者互補(bǔ)。輸出電壓輸出電壓uo為為矩形波矩形波，其幅值為，其幅值為Um=Ud/2。 電路帶電路帶阻感負(fù)載阻感負(fù)載，t2時(shí)刻時(shí)刻給給V1關(guān)斷信號(hào)，給關(guān)斷信號(hào)，給V2開通信號(hào)，開通信號(hào)，則則V1關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流流io不能立即改變方向，于是不能立即改變方向，于是VD2導(dǎo)通續(xù)流，當(dāng)導(dǎo)通續(xù)流，當(dāng)t3時(shí)刻時(shí)刻io降零時(shí)，降零時(shí)，VD2截止，截止，V2開通，開通，io開始反向，開始反向，由此得出如圖所示的電流波形。由此得出如圖所示的電流波形。 214.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1

17、VD2VD1VD2圖圖4-6 單相半橋電壓型逆單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形變電路及其工作波形 V1或或V2通時(shí)，通時(shí)，io和和uo同方向同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或或VD2通時(shí)，通時(shí)，io和和uo反向反向，電感中貯，電感中貯能向直流側(cè)反饋。能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為稱為反饋二極管反饋二極管,它又起著使負(fù)載電流它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管續(xù)流二極管。優(yōu)點(diǎn)是簡單，使用器件少；其缺優(yōu)點(diǎn)是簡單，使用器件少；其缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值Um僅為僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串

18、聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡；因此，半橋電路常用于壓的均衡；因此，半橋電路常用于幾幾kW以下以下的小功率逆變電源。的小功率逆變電源。 224.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路全橋逆變電路全橋逆變電路 共四個(gè)橋臂，可看成共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路兩個(gè)半橋電路組合而成。組合而成。 兩對橋臂交替導(dǎo)通兩對橋臂交替導(dǎo)通180。 輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，但幅值高輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，但幅值高出一倍。出一倍。 在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓過改變直

19、流電壓Ud來實(shí)現(xiàn)。來實(shí)現(xiàn)。 圖圖4-5 全橋逆變電路全橋逆變電路 234.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 Ud的矩形波的矩形波uo展開成傅里葉級數(shù)得展開成傅里葉級數(shù)得tttUu5sin513sin31sin4do其中基波的幅值其中基波的幅值Uo1m和基波有效值和基波有效值Uo1分別為分別為 ddo1m27.14UUUdd1o9 . 022UUU(4-1)(4-2)(4-3)244.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路a)b)圖圖4-7 單相全橋逆變電單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式路的移相調(diào)壓方式 移相調(diào)壓方式移相調(diào)壓方式 V3的基極信號(hào)比的基極信號(hào)比V1落后落后 （0 180）。）。V3、V4的柵極信號(hào)的柵極信號(hào)分別比分別比V2、V1的前移的前移180- 。輸出電壓是正負(fù)各為輸出電壓是正負(fù)各為 的脈沖。的脈沖。工作過程工作過程 t1時(shí)刻前時(shí)刻前V1和和V4導(dǎo)通，導(dǎo)通， uo=Ud。 t1時(shí)刻時(shí)刻V4截止，而因負(fù)載電截止，而因負(fù)載電感中的電流感中的電流io不能突變，不能突變，V3不能不能立刻導(dǎo)通，立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流，導(dǎo)通續(xù)流，uo=0。254.2.1 單相