E第5章逆變電路

1、E第5章逆變電路Chapter 5 DC to AC Converters( Inverters )Definition: DCAC與整流相對應(yīng)。Ac side-electric network, is called as active inversion;Ac side-loads, is called as passive inversion.Inversion and frequency conversionFrequency changing circuit：AC-AC and AC-DC-AC.AC-DC-AC frequency converter is composed of A

2、C-DC (Rectifier) and DC-AC (Inverter) .本章講述無源逆變Applications of InvertersConversion of electric power from DC type energy sources to AC type load Battery Photovoltaic cell (Solar cell) Fuel cellAs a key part of power electronics devices AC-DC-AC frequency converter (for AC motor drive) AC-DC-AC const

3、ant-voltage constant-frequency converter (for uninterruptable power supplies) AC-DC-AC Converters for induction heating AC-DC-AC-DC switching power suppliesA classification of inverters Square-wave inverters (are discussed in this chapter) PWM inverters ( will be discussed in Chapter 6)5.1 Commutati

4、on typesS1S4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。S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正。S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)Basic operation principle of invertersDCAC5.1 Commutation typesBasic operation principle 改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和u o的波形一樣，相位也一樣。阻感負(fù)載時(shí)，i o相位滯后于u o，波形也不同(如圖)。5.1 Commutation typesThe concept of

5、commutation: 電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程。Turning-on：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使器件開通。Turning-off：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。4 types of commutationDevice commutation: Fully-controlled devices: GTO, IGBT, MOSFET(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)Line commutatio

6、n由電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。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)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。 For example: Phase-controlled rectifier, Phase-controlled AC controller Load commutation由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。凡負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。Forced commutation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。通常利用附加電容上所儲存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流Load c

7、ommutationCondition: Load current is leading load voltageApplication: capacitive load, synchronous motor?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4如圖是根本的負(fù)載換流電路，4個(gè)橋臂均由晶閘管組成。整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。直流側(cè)串電感，工作過程可認(rèn)為id 根本沒有脈動。負(fù)載對基波的阻抗大(基波頻率接近諧振頻率)而對諧波的阻抗小。所以uo接近正弦波。注意觸發(fā)VT2、VT3的時(shí)刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕

8、量，才能使換流順利完成。Forced commutation (capacitance commutation)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。也叫電壓換流。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。a中晶閘管在LC振蕩第一個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷b中晶閘管在LC振蕩第二個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷Another classification of commutati

9、ons器件換流適用于全控型器件。其余三種方式針對晶閘管。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?，那么稱為熄滅。2 classes of inverters根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不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5.2 Voltage source inverter (VSI)FeaturesDC side

10、is constant voltage, low impedance (voltage source or capacity) (直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓根本無脈動。)AC side voltage is square wave or quasi-square wave. (交流側(cè)輸出電壓為矩形波)AC side current is determined by the load. (輸出電流和相位因負(fù)載阻抗不同而不同)Anti-parallel diodes are necessary to provide energy feedback path.(freewheeling

11、diodes , feedback diodes)(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)反響的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反響二極管。)ua)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2PrincipleV1和V2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補(bǔ)，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2。V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時(shí)，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反響。VD1、VD2稱為feedback diodes,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱freewheeling

12、diode。Single-phase half bridge VSISingle-phase half bridge VSIThe current conducting path is determined by the polarity of load voltage and load current. (This is true for analysis of many power electronics circuits.)The magnitude of output square-wave voltage is Ud/2.(輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩

13、者電壓均衡)共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。1和4一對，2和3另一對,兩對橋臂交替導(dǎo)通180The magnitude of output square wave voltage is Ud(輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀一樣，幅值高出一倍)。The effective value of output voltage (or fundamental output voltage) can be hanged by changing Ud.(改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實(shí)現(xiàn))。tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoPrinc

14、ipleSingle-phase full bridge VSISingle-phase full bridge VSIFourier series extension of output voltageMagnitude of output voltage fundamental ComponentEffective value of output voltage fundamental componentQuantitative analysisSingle-phase full bridge VSIOutput voltage control by phase-shift (阻感負(fù)載時(shí)，

15、還可采用移相的方式來調(diào)節(jié)輸出電壓移相調(diào)壓。)V3的基極信號比V1落后q 0 q 180 。V3、V4的柵極信號分別比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。Inverter with center-tapped transformerpush-pull inverter帶中心抽頭變壓器的逆變電路當(dāng)Ud和負(fù)載參數(shù)一樣，變壓器匝比為1：1：1時(shí)，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全一樣。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 ,但也實(shí)現(xiàn)了電氣隔離。交替驅(qū)動兩個(gè)

16、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響通道。Three-phase VSI180o conduction每橋臂導(dǎo)電180，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開場導(dǎo)電的角度差120 。任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)展，也稱為縱向換流。Dead time (blanking time) to avoid “shoot through(為了防止同一相上下兩橋臂開關(guān)器件直通，采取“先斷后通的方法。即在兩者之間參加死區(qū)時(shí)間)三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路 (N是假想電源中點(diǎn))tOtOtOtOt

17、OtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3Three-phase VSIBasic equations to obtain voltage waveformstOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3負(fù)載各相到電源中點(diǎn)N的電壓：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2。負(fù)載線電壓(For line voltage)負(fù)載相電壓(For phase voltage)負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓 (5-6)負(fù)載三相對稱

18、時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7)負(fù)載時(shí)，可由uUN波形求出iU波形。一相上下兩橋臂間的換流過程和半橋電路相似。橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60脈動一次，直流電壓根本無脈動，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的，這是電壓型逆變電路的一個(gè)特點(diǎn)。Three-phase VSIThree-phase VSIFourier series extension of output line-to-line voltageMagnitude of output voltage (line-to-line) fundamental componentEffec

19、tive value of output voltage (line-to-line) fundamental componentQuantitative analysisHomeworksTranslate the following questions and answer.1.無源逆變和有源逆變電路有何不同?2.換流方式有哪幾種,各有什么特點(diǎn)?3.三相橋式電壓型逆變電路,180o導(dǎo)電方式，Ud=100V, 試求輸出相電壓的基波幅值UUN1m和有效值UUN1，輸出線電壓的基波幅值UUV1m和有效值UUV1,輸出線電壓中次諧波的有效值UUV55.3 Current source invert

20、er (CSI)FeaturesDC side is constant current, high impedance (current source, or large inductor)(直流側(cè)串大電感，電流根本無脈動，相當(dāng)于電流源。)AC side current is quasisquare wave. AC side voltage is determined by the load.(交流側(cè)輸出電流為矩形波。輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。)No anti-parallel diodes are needed. sometimes series diodes are neede

21、d to block reverse voltage for other power semiconductor devices.(直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。)直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。Single-phase bridge CSISwitching frequency is a little higher than the resonant frequency so that the load becomes capacitive and load current is leading voltage to

22、realize load commutation.Parallel Resonant Inverter由四個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器，用來限制晶閘管開通時(shí)的di/dt。工作方式為負(fù)載換相。電容C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。負(fù)載電路對基波呈現(xiàn)高阻抗而對諧波呈現(xiàn)低阻抗，故負(fù)載電壓波形接近正弦波。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖513并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)導(dǎo)通階

23、段和兩個(gè)換流階段。t1t2：VT1和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，i=Id，t2時(shí)刻前在C上建立了左正右負(fù)的電壓。t2t4：t2時(shí)觸發(fā)VT2和VT3開通，進(jìn)入換流階段。LT使VT1、VT4不能立刻關(guān)斷，電流有一個(gè)減小過程。VT2、VT3電流有一個(gè)增大過程。此時(shí)4個(gè)晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電容電壓經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電:一個(gè)經(jīng)LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一個(gè)經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4到C。Single-phase bridge CSIt=t4時(shí)，VT1、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段完畢。t4-t2= tg 稱為換流時(shí)間。VT2和VT3穩(wěn)定導(dǎo)通階段及換流階段與此類似保證晶閘管的可靠關(guān)斷

24、晶閘管需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流完畢后還要使VT1、VT4承受一段反壓時(shí)間tb。tb= t5- t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。 。io在t3時(shí)刻，即iVT1=iVT2時(shí)刻過零，t3時(shí)刻大體位于t2和t4的中點(diǎn)。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖513并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形Single-phase bridge CSI1) Analysis of circuit 根本工作方式: 120conduction 每個(gè)臂一周期內(nèi)導(dǎo)電120,每個(gè)時(shí)刻上下

25、橋臂組各有一個(gè)臂導(dǎo)通，換流方式為組內(nèi)橫向換流。itOtOtOtOIdiViWuUVU圖5-14 電流型三相橋式逆變電路的輸出波形 圖5-11 電流型三相橋式逆變電路2) Analysis of waveforms輸出電流波形和負(fù)載性質(zhì)無關(guān)，是正負(fù)脈沖各120的矩形波。輸出電流和三相橋整流帶大電感負(fù)載時(shí)的交流電流波形一樣，諧波分析表達(dá)式也一樣。輸出線電壓波形和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，大體為正弦波。輸出交流電流的基波有效值為d 。Three-phase self-commutated CSI串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路: 各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用。圖5-15 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 主要用于中大功率

26、交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。是電流型三相橋式逆變電路。120導(dǎo)電工作方式，輸出波形和圖5-14的波形大體一樣。強(qiáng)迫換流方式，電容C1C6為換流電容。Three-phase force-commutated CSI換流過程分析電容器所充電壓的規(guī)律： 對于共陽極晶閘管，它與導(dǎo)通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負(fù)，不與導(dǎo)通晶閘管相連的電容器電壓為零。(共陰極晶閘管情況類似)等效換流電容概念： 分析從VT1向VT3換流時(shí)，圖中的C13就是圖515中的C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容。圖5-15 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 Three-phase force-commutated CSI分析從VT1向VT

27、3換流的過程: 假設(shè)換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負(fù)。如圖516a。 換流階段分為恒流放電和二極管換流 兩個(gè)階段。t1時(shí)刻觸發(fā)VT3導(dǎo)通， 因C13電壓作用VT1被施以反壓而關(guān)斷。Id從VT1換到VT3，C13通過VD1、U相負(fù)載、W相負(fù)載、VD2、VT2、直流電源和VT3放電，放電電流恒為Id，故稱恒流放電階段。如圖516b。uC13下降到零之前，VT1承受反壓，反壓時(shí)間大于tq就能保證關(guān)斷。圖5-16 換流過程各階段的電流路徑 a) b+-UVW+-UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdThree-phase fo

28、rce-commutated CSI-+UVW-+UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13iViViU=Id-iV圖5-16 換流過程各階段的電流路徑c) dt2時(shí)刻uC13降到零，之后在U相負(fù)載電感的作用下C13反向充電。同時(shí)，二極管VD3導(dǎo)通，電流為iV，VD1電流為iU=Id-iV，VD1和VD3同時(shí)通，進(jìn)入二極管換流階段。隨著C13電壓增高，充電電流漸小，iV漸大，t3時(shí)刻iU減到零，iV=Id，VD1承受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段完畢。 t3以后，VT2、VT3穩(wěn)定導(dǎo)通階段。Three-phase force-commutated

29、 CSI波形分析: 電感負(fù)載時(shí)，uC13、iU、iV及uC1、uC3、uC5波形。uC1的波形和uC13完全一樣，從UC0降為UC0 。C3和C5是串聯(lián)后再和C1并聯(lián)的，電壓變化的幅度是C1的一半。uC3從零變到-UC0，uC5從UC0變到零。這些電壓恰好符合相隔120后從VT3到VT5換流時(shí)的要求,為下次換流做好了準(zhǔn)備。ttOuOiUCOuC13uC5uC3-UCOIdiUiVt1t2t3圖5-17 串聯(lián)二極管晶閘管逆變電路換流過程波形Three-phase force-commutated CSIThree-phase load-commutated CSI電流型三相橋式逆變器驅(qū)動同步電動

30、機(jī)，利用電動機(jī)反電勢實(shí)現(xiàn)換流(負(fù)載換流)。工作特性和調(diào)速方式和直流電動機(jī)相似，但無換向器，因此稱為無換向器電動機(jī)。電壓型逆變電路輸出電壓是矩形波電流型逆變電路輸出電流是矩形波 矩形波中含有較多諧波，對負(fù)載會產(chǎn)生不利影響，需要采取措施。多重逆變電路把幾個(gè)矩形波組合起來，使之接近正弦波。多電平逆變電路能輸出較多電平，從而使輸出接近正弦波。5.4 Multiple-inverter connectionsand multi-level inverters單相電壓型二重逆變電路兩個(gè)單相全橋逆變電路組成，輸出通過變壓器T1和T2串聯(lián)起來。輸出波形：兩個(gè)單相的輸出u1和u2都是導(dǎo)通180的矩形波。圖5-2

31、1 二重逆變電路的工作波形12060180tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo圖5-20 二重單相逆變電路5.4 Multiple-inverter connectionsand multi-level invertersSeries connection of 2 single-phase VSIs多重逆變電路 電壓型、電流型都可多重化，以電壓型為例。u1和u2相位錯(cuò)開j =60,其中的3次諧波就錯(cuò)開了 360=180。變壓器串聯(lián)合成后，3次諧波互相抵消，總輸出電壓中不含3次諧波。uo波形是120矩形波，含6k1次諧波，3k次諧波都被抵消。多重逆變電路有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種串聯(lián)多重把幾

32、個(gè)逆變電路的輸出串聯(lián)起來，多用于電壓型。并聯(lián)多重把幾個(gè)逆變電路的輸出并聯(lián)起來，多用于電流型。12060180tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo圖5-21 二重逆變電路的工作波形圖5-20 二重單相逆變電路Series connection of 2 single-phase VSIsSeries connection of 2 3-phase VSIs三相電壓型二重逆變電路的工作原理圖5-22 三相電壓型二重逆變電路由兩個(gè)三相橋式逆變電路構(gòu)成，輸出通過變壓器串聯(lián)合成。兩個(gè)逆變電路均為180導(dǎo)通方式。逆變橋II的相位比逆變橋I滯后30。T1為/ Y聯(lián)結(jié)，線電壓變比為 一次和二次繞組匝數(shù)相等

33、)。T2一次側(cè)聯(lián)結(jié)，二次側(cè)兩繞組曲折星形接法，其二次電壓相對于一次電壓而言，比T1的接法超前30，以抵消逆變橋II比逆變橋I滯后的30。這樣，uU2和uU1的基波相位就一樣。由圖524可看出uUN比uU1接近正弦波。具體數(shù)量關(guān)系見中文參考教材P147。直流側(cè)電流每周期脈動12次，稱為12脈波逆變電路。使m個(gè)三相橋逆變電路的相位依次錯(cuò)開p/(3m)，連同合成輸出電壓并抵消上述相位差的變壓器，就可構(gòu)成6m的脈波逆變電路。UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud

34、圖5-23 二次側(cè)基波電壓合成相量圖 圖5-24 三相電壓型二重逆變電路波形圖 Series connection of 2 3-phase VSIs回憶圖三相電壓型橋式逆變電路和其波形。以N為參考點(diǎn)，輸出相電壓有Ud/2和-Ud/2兩種電平，稱為兩電平逆變電路。圖5-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3Multi-level Inverters 3-level inverter也稱中點(diǎn)鉗位型Neutral Point Clamped 逆變電路每橋臂由兩個(gè)全控器件串聯(lián)構(gòu)成，兩者中點(diǎn)通過鉗位二極管和直流側(cè)中點(diǎn)相連。Multi-lev