電力電子技術(shù)及應(yīng)用 課件 第4章 逆變電路

4.1有源逆變電路

4.2無源逆變電路4.1有源逆變電路逆變電路的交流側(cè)和電網(wǎng)連接時，稱為有源逆變電路。整流電路的作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電(即AC→DC)，而逆變電路的作用是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電(即DC→AC)，二者的能量轉(zhuǎn)換方向相反。因此，當(dāng)可控整流電路滿足某些特定條件時，可實(shí)現(xiàn)能量的反向傳輸，在不改變電路結(jié)構(gòu)的情況下，即可將整流模式轉(zhuǎn)換為有源逆變模式。以單相橋式全控電路的工作情況為例，分析如何將整流電路切換為有源逆變電路。如圖4.1所示為單相橋式全控電路圖。1.整流工作模式控制角α在0°～90°范圍內(nèi)。由于電流的流向只有兩種方式，即a點(diǎn)→VT1→RL與直流電機(jī)負(fù)載→VT4→b點(diǎn)和b點(diǎn)→VT3→RL與直流電機(jī)負(fù)載→VT2→a點(diǎn)，無論哪種工作方式，電路中電流id流向和圖中標(biāo)出的正方向一直保持一致，因此流過電阻電感負(fù)載的電流id一直保持大于0的狀態(tài)，且由于負(fù)載中有電感的存在可以起到平波的作用，因此電流為一條正的平直的直線。綜上可以得出負(fù)載兩端電壓ud和電流id的波形圖如圖4.2所示。由于本次分析的是電路從原始停止?fàn)顟B(tài)到正常工作狀態(tài)，因此0°～45°的相位區(qū)間內(nèi)沒有輸出波形，后續(xù)電路正常工作后，將不斷重復(fù)45°～405°區(qū)間內(nèi)的波形。此刻，電能從交流側(cè)傳輸至直流側(cè)，即交流電網(wǎng)通過4個晶閘管整流后，輸出直流電壓ud傳至直流電機(jī)負(fù)載側(cè)使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，是整流工作模式。由圖4.2可以推廣至控制角α位于0°～90°區(qū)間內(nèi)的任意取值。從輸出功率的角度來看，可以得出該工作在整流模式下的電路的輸出功率Pd?=?udid，根據(jù)圖4.2波形可得，輸出電壓ud正半周的面積大于負(fù)半周的面積，因此ud＞0，而電流id一直為正，因此可得輸出功率Pd在控制角位于0°～90°范圍內(nèi)，一直為正。如想實(shí)現(xiàn)電能的反向傳輸，即切換到有源逆變工作模式，則輸出功率Pd的取值就需要變?yōu)樨?fù)。2.有源逆變工作模式無論控制角α如何變化，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，電路中的電流流向仍舊只可能有兩種方式，即α點(diǎn)→VT1→RL與直流電機(jī)負(fù)載→VT4→b點(diǎn)和b點(diǎn)→VT3→RL與直流電機(jī)負(fù)載→VT2→a點(diǎn)，如果逆著這個方向流通，則電路中的晶閘管會被擊穿，因此無論控制角α取值多少，負(fù)載中的電流id方向均與圖中標(biāo)注的正方向一致，電流id的取值一直為正，假設(shè)負(fù)載中的電感很大，具有良好的平波作用，可得出流過負(fù)載的電流id的波形為一條正的平直的直線。假設(shè)此刻直流電機(jī)工作在再生制動狀態(tài)，即作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，由于電流的方向一直為正，如想實(shí)現(xiàn)電能的逆向傳輸，只有改變電機(jī)的輸出電壓E的極性才可實(shí)現(xiàn)，如圖4.3所示。而為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的再生制動，左側(cè)的整流電路必須吸收電機(jī)發(fā)出的電能反饋給電網(wǎng)，因此整流電路的輸出電壓ud的極性也必須反向，即輸出電壓平均值Ud取值為負(fù)才可吸收電機(jī)發(fā)出的能量，即圖4.3中ud上下標(biāo)注的上負(fù)下正(和圖中正方向相反)。而通過控制角度α位于90°～180°的區(qū)間內(nèi)，便可使得Ud取值為負(fù)。以α?=?135°為例，電路的輸出電壓ud和電流id的波形圖如圖4.4所示。由于本次分析的是電路從原始停止?fàn)顟B(tài)到正常工作狀態(tài)，因此0°～135°的相位區(qū)間內(nèi)沒有輸出波形，后續(xù)電路正常工作后，將不斷重復(fù)135°～495°區(qū)間內(nèi)的波形。由圖4.4可以得出當(dāng)α?=?135°時，單相橋式全控電路輸出電壓ud正半周的面積小于負(fù)半周的面積，因此電壓ud取值為負(fù)，而電流id一直為正的取值，因此輸出的功率Pd為負(fù)，此刻電能傳輸方向和0°＜α＜90°時相反。此控制方式的關(guān)鍵便是輸出電壓ud取值為負(fù)，推導(dǎo)可得α取90°～180°范圍內(nèi)的任意值，均可使輸出電壓ud取值為負(fù)，即當(dāng)90°＜α＜180°時電能從直流側(cè)傳輸至交流側(cè)，電路處于有源逆變模式?？偨Y(jié)0°＜α＜90°和90°＜α＜180°的兩種工作方式，可得實(shí)現(xiàn)有源逆變的兩個條件：(1)電路中要有能提供逆變能量的直流電源，而且該直流電源的電壓取值必須大于變流器輸出的平均電壓Ud的值。(2)控制角α的取值范圍要在90°～180°內(nèi)。4.2無源逆變電路圖4.5(a)所示為典型的單相橋式無源逆變電路(帶電阻負(fù)載)結(jié)構(gòu)，該逆變電路由直流輸入側(cè)(直流電壓取值為Ud)、交流輸出側(cè)(電阻負(fù)載R)、四個開關(guān)器件組成，從圖中可以觀測到交流輸出側(cè)連接的是電阻負(fù)載，因此稱為無源逆變電路。該電路的功能為將輸入的直流電Ud轉(zhuǎn)換為負(fù)載輸出側(cè)的交流電壓uo，電路具體分析如下：在0～t1區(qū)間中，閉合開關(guān)S1和S4，斷開開關(guān)S2和S3，此刻電流從直流輸入側(cè)Ud的陽極出發(fā)，流經(jīng)開關(guān)S1→電阻負(fù)載R→開關(guān)S4，最終回到直流輸入側(cè)Ud的陰極。此刻a點(diǎn)電壓取值為Ud的正端電壓，b點(diǎn)電壓取值為Ud的負(fù)端電壓，根據(jù)圖中所標(biāo)出的正方向，輸出電壓uo在該區(qū)間內(nèi)取值為a點(diǎn)電壓減去b點(diǎn)，即等于Ud。而流過電阻負(fù)載的電流io取值等于Ud/R，即電流io的波形形狀與uo相同，只是幅值有區(qū)別。在t1～t2區(qū)間中，斷開開關(guān)S1和S4，閉合開關(guān)S2和S3，此刻電路中的電流從直流輸入側(cè)Ud的陽極出發(fā)，流過開關(guān)S3→電阻負(fù)載→開關(guān)S2，再返回直流輸入側(cè)Ud的陰極。此刻a點(diǎn)電壓取值為Ud的負(fù)端電壓，b點(diǎn)電壓取值為Ud的正端電壓，根據(jù)圖中的正方向，輸出電壓uo在t1～t2區(qū)間中取值為a點(diǎn)電壓減去b點(diǎn)，即?-?Ud。流過電阻負(fù)載的電流方向和正方向相反，取值為?-Ud/R。最終負(fù)載側(cè)電壓uo和電流io波形如圖4.5(b)所示，是一個有規(guī)律性正負(fù)方向變化的交流電，表示該電路成功將直流輸入電Ud轉(zhuǎn)換為交流電uo，實(shí)現(xiàn)了逆變。圖4.6(a)所示為替換負(fù)載后的單相橋式無源逆變電路，該逆變電路由直流輸入側(cè)Ud、交流輸出側(cè)(電阻電感負(fù)載)、四個開關(guān)S1～S4組成。電路的工作方式和上文中僅帶電阻負(fù)載有一定的區(qū)別，分析如下：在0～t1區(qū)間中，閉合開關(guān)S1、S4，而開關(guān)S2、S3保持?jǐn)嚅_，電流的流向?yàn)橹绷鬏斎雮?cè)Ud的陽極→開關(guān)S1→電阻電感負(fù)載RL→開關(guān)S4→直流輸入側(cè)Ud的陰極，負(fù)載RL上電流流向?yàn)閺腶點(diǎn)流向b點(diǎn)，a點(diǎn)電壓取值等于直流輸入側(cè)Ud的陽極電壓，b點(diǎn)電壓取值等于直流輸入側(cè)Ud的陰極電壓，根據(jù)圖中標(biāo)注的正方向，可得輸出電壓uo的取值為Ud，由于存在電感，輸出電流io無法迅速跳變，因此從0?A開始慢慢增大。在t1～t2區(qū)間中，斷開開關(guān)S1、S4，閉合開關(guān)S2、S3，由于存在電感儲能，因此此刻電路的負(fù)載RL中仍舊保留有從a點(diǎn)流向b點(diǎn)的電流，電路中電流方向?yàn)殡娮桦姼胸?fù)載RL→開關(guān)S3→直流輸入側(cè)Ud的陽極→直流輸入側(cè)Ud的陰極→開關(guān)S2，即此刻為電阻電感負(fù)載RL向直流輸入側(cè)Ud反向充電，電阻電感負(fù)載RL處于發(fā)出電能的放電狀態(tài)，因此流過電阻電感負(fù)載的電流io慢慢下降，直至降低為0?A。而在該區(qū)間內(nèi)，a點(diǎn)電壓取值等于直流輸入側(cè)Ud的陰極電壓，b點(diǎn)電壓取值為直流輸入側(cè)Ud的陽極電壓，根據(jù)正方向，電阻電感負(fù)載兩端電壓等于a點(diǎn)電壓減去b點(diǎn)電壓，即?-?Ud。在t2～t3區(qū)間中，繼續(xù)保持?jǐn)嚅_開關(guān)S1、S4，閉合開關(guān)S2、S3的狀態(tài)，此刻由于電感中的電能在上一個區(qū)間全部被放完，因此在本區(qū)間中電感中無儲能，電流的流向切換為直流輸入側(cè)Ud的陽極→開關(guān)S3→電阻電感負(fù)載RL→開關(guān)S2→直流輸入側(cè)Ud的陰極，流過電阻電感負(fù)載的電流io方向與正方向相反，因此取值為負(fù)，而且此刻為直流輸入側(cè)Ud向電阻電感負(fù)載RL傳輸電能，因此流過電阻電感負(fù)載的電流io在負(fù)半周從0?A開始慢慢增大。在該區(qū)間內(nèi)，a點(diǎn)電壓取值等于直流輸入側(cè)Ud的陰極電壓，b點(diǎn)電壓取值為直流輸入側(cè)Ud的陽極電壓，根據(jù)正方向，電阻電感負(fù)載兩端電壓等于a點(diǎn)電壓減去b點(diǎn)電壓，即?-Ud。在t3～t4區(qū)間中，斷開開關(guān)S2、S3，閉合開關(guān)S1、S4，由于在上一個區(qū)間中電阻電感負(fù)載儲存了能量，因此電感中會維持一個從b點(diǎn)流向a點(diǎn)的電流，在本區(qū)間中電流的流向?yàn)殡娮桦姼胸?fù)載RL→開關(guān)S1→直流輸入側(cè)Ud的陽極→直流輸入側(cè)Ud的陰極→開關(guān)S4，此時電阻電感負(fù)載RL在向直流輸入側(cè)Ud反向充電，因此RL中的電流在負(fù)半周慢慢降低直至0?A。在該區(qū)間中，a點(diǎn)電壓取值為直流輸入側(cè)Ud的陽極電壓，b點(diǎn)電壓取值為直流輸入側(cè)Ud的陰極電壓，根據(jù)正方向，電阻電感負(fù)載兩端電壓等于a點(diǎn)電壓減去b點(diǎn)電壓，即Ud。最終負(fù)載側(cè)電壓uo和電流io波形如圖4.6(b)所示。無源逆變電路又可以分為電壓型和電流型。電壓型逆變電路主要有3個特點(diǎn)：(1)直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。(2)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。(3)當(dāng)交流側(cè)為電阻電感負(fù)載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。電流型逆變電路主要有3個特點(diǎn)：(1)直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。(2)電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出的電流為矩形波，并且與負(fù)載的阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。(3)當(dāng)交流側(cè)為電阻電感負(fù)載時需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。因?yàn)榉答仧o功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。4.2.1電壓型單相半橋逆變電路圖4.7所示為電壓型單相半橋逆變電路，屬于無源逆變電路，電路由2個參數(shù)一致的電容、2個絕緣柵雙極型晶體管V1和V2、2個二極管VD1和VD2、電阻電感負(fù)載RL組成，該電路的作用是將輸入側(cè)的直流電Ud轉(zhuǎn)換為輸出負(fù)載RL側(cè)的交流電。在正式分析電路前，需要注意以下幾點(diǎn)：由于兩個電容的參數(shù)一致，因此兩個電容的連接點(diǎn)b點(diǎn)便是輸入側(cè)直流電源Ud的中點(diǎn)，可以推出a點(diǎn)電壓為Ud，b點(diǎn)電壓為Ud/2，c點(diǎn)電壓為0?V，標(biāo)出這幾個點(diǎn)的電壓便于后續(xù)判斷電阻電感負(fù)載RL側(cè)的輸出電壓。在電路正常工作時，絕緣柵雙極型晶體管V1和V2不能同時施加導(dǎo)通信號，否則V1和V2同時導(dǎo)通，會導(dǎo)致輸入側(cè)直流電源Ud短路，因此V1、V2的導(dǎo)通信號必須是互補(bǔ)的。同時，為了方便判斷電阻電感負(fù)載RL側(cè)輸出電壓的正負(fù)情況，規(guī)定負(fù)載RL側(cè)電壓、電流的正方向均為從右側(cè)流向左側(cè)。將電路分為4個區(qū)間來分析，分別是t1～t2區(qū)間、t2～t3區(qū)間、t3～t4區(qū)間、t4～t5區(qū)間，在這幾個區(qū)間內(nèi)通過控制絕緣柵雙極型晶體管V1和V2的通斷，將輸入側(cè)的直流電壓Ud轉(zhuǎn)換為輸出負(fù)載側(cè)的交流電壓uo。電壓型單相半橋逆變電路的工作情況分析可總結(jié)至表4.1中。圖4.8所示是電壓型單相半橋逆變電路穩(wěn)定工作后的波形圖，可見t1～t2區(qū)間、t2～t3區(qū)間、t3～t4區(qū)間、t4～t5區(qū)間中，輸出負(fù)載RL側(cè)的交流電壓uo和電流io的波形。半橋逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是使用的器件少，只需要使用2個絕緣柵雙極型晶體管V1、V2以及2個二極管VD1、VD2，但在電路工作時需要保持2個電容器電壓均衡，同時電阻電感負(fù)載RL兩端電壓uo的幅值僅為Ud/2，輸入直流電源電壓利用率偏低，適用于小功率逆變器。4.2.2電壓型單相全橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路的結(jié)構(gòu)如圖4.9所示，屬于無源逆變。在該電路中，絕緣柵雙極型晶體管V1、V4組成一個橋臂，V2、V3組成另外一個橋臂，V1和V2不能同時導(dǎo)通，否則會造成輸入側(cè)直流電壓源短路，同理V3和V4也不能同時導(dǎo)通。為便于判斷輸出電阻電感負(fù)載RL側(cè)電壓的正負(fù)情況，本電路中規(guī)定負(fù)載RL側(cè)電壓、電流的正方向均為從左側(cè)向右側(cè)。電壓型單相全橋逆變電路的工作情況分析可總結(jié)至表4.2中。圖4.10所示是電壓型單相全橋逆變電路穩(wěn)定工作后的波形圖，可見t1～t2區(qū)間、t2～t3區(qū)間、t3～t4區(qū)間、t4～t5區(qū)間中，輸出負(fù)載RL側(cè)的交流電壓uo和電流io的波形。4.2.3電壓型單相全橋逆變電路移相調(diào)壓電壓型單相全橋逆變電路移相調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)如圖4.11所示，屬于無源逆變，該電路和電壓型單相全橋逆變電路一致，但在控制4個絕緣柵雙極型晶體管通斷的時間上有所區(qū)別，該電路的作用是將輸入側(cè)的直流電Ud轉(zhuǎn)換為輸出負(fù)載RL側(cè)的交流電uo，且能夠通過移相調(diào)壓方式調(diào)節(jié)該輸出交流電壓uo的取值。在移相調(diào)壓的電路中，V1和V4的導(dǎo)通時刻有一定的相位差，V2和V3