电力电子技术第五章逆变电路.

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1、2019/11/13,1,电力电子技术 电子教案,第5章 逆变电路,引言 5.1 换流方式 5.1.1 逆变电路的基本工作原理 5.1.2 换流方式分类 5.2 电压型逆变电路 5.2.1 单相电压型逆变电路 5.2.2 三相电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.3.1 单相电流型逆变电路 5.3.2 三相电流型逆变电路 本章小结,第5章 逆变电路,2019/11/13,3,引言,逆变概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电， 交流侧接电网，为有源逆变 交流侧接负载，为无源逆变 本章讲述无源逆变 逆变与变频 变频电路：交交变频和交直交变频两种 交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后

2、一部分就是逆变,2019/11/13,4,引言,逆变电路的应用 蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路 本章内容 5.1节换流方式 5.2节电压型逆变电路 5.3节电流型逆变电路 5.4节逆变电路的多重化和多电平逆变电路。 本章仅讲述逆变电路基本内容，第6章PWM控制技术和第8章组合变流电路中，有关逆变电路的内容会进一步展开,2019/11/13,5,5.1 换流方式,5.1.1 逆变电路的基本工作原理 单相桥式逆变电路为例 S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成

3、S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正 图5-1 逆变电路及其波形举例,2019/11/13,6,5.1.1 逆变电路的基本工作原理,S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率 电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同 阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同（图5-1b） t1前：S1、S4通，uo和io均为正 t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向 io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大

4、,2019/11/13,7,5.1.2 换流方式分类,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相 开通：适当的门极驱动信号就可使其开通 关断： 全控型器件可通过门极关断 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断 研究换流方式主要是研究如何使器件关断 本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此在本章讲述,2019/11/13,8,5.1.2 换流方式分类,1. 器件换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Commutation） 2. 电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation） 可控整流电

5、路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路 不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件 3. 负载换流 由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation） 负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流 负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流,2019/11/13,9,5.1.2 换流方式分类,基本的负载换流逆变电路： 采用晶闸管 负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性 电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入 直流侧串入大电感Ld， id基本没有脉动,图5-2 负载换流电路及其工作波形,2019/11/13,10,5.

6、1.2 换流方式分类,工作过程（工作波形图5-2b） 4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波 负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦 t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uo t1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2 t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成,2019/11/13,11,5.1.2 换流方式分类,4. 强迫换流 设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流

7、方式称为强迫换流（Forced Commutation） 通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流 直接耦合式强迫换流由换流电路内电容提供换流电压 VT通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断,图5-3 直接耦合式强迫换流原理图,2019/11/13,12,5.1.2 换流方式分类,电感耦合式强迫换流：通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流 两种电感耦合式强迫换流： 图5-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断 图5-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断,图5-4 电感耦合式强迫换流原理图,给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图5-3

8、） 先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加 反压的换流叫电流换流,2019/11/13,13,5.1.2 换流方式分类,器件换流适用于全控型器件 其余三种方式针对晶闸管 器件换流和强迫换流属于自换流 电网换流和负载换流外部换流 当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭,2019/11/13,14,5.2 电压型逆变电路,逆变电路按其直流电源性质不同分为两种 电压型逆变电路或电压源型逆变电路 电流型逆变电路或电流源型逆变电路 电压型逆变电路的特点 (1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动 (2) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻

9、抗不同而不同 (3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管,图5-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）,图5-1电路的具体实现,2019/11/13,15,5.2.1 单相电压型逆变电路,1半桥逆变电路 电路结构 工作原理 V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，互补 uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2,图5-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,2019/11/13,16,5.2.1 单相电压型逆变电路,io波形随负载而异，感性负载时，(图5-6b) V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量 VD1或VD2通时，i

10、o和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈 VD1、VD2称为反馈二极管,还使io连续，又称续流二极管 特点 优点：简单，使用器件少 缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡 用于几kW以下的小功率逆变电源 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合,2019/11/13,17,5.2.1 单相电压型逆变电路,2全桥逆变电路 电路结构及工作情况 (图5-5)，两个半桥电路的组合 1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180 uo波形同图5-6b半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud io波形和图5-6b中的io相同，幅值增加一倍 单相逆变电路中

11、应用最多的,2019/11/13,18,输出电压定量分析 uo成傅里叶级数 基波幅值 (5-2) 基波有效值 (5-3) uo为正负各180时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现,(5-1),5.2.1 单相电压型逆变电路,2019/11/13,19,5.2.1 单相电压型逆变电路,移相调压（图5-7） 可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压 各栅极信号为180正偏，180反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变 V3的基极信号只比V1落后q ( 0q 180) V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180-q uo成为正负各为q 的脉冲，改变q 即可调节输出电压有效

12、值,图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式,2019/11/13,20,5.2.1 单相电压型逆变电路,4带中心抽头变压器的逆变电路 交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压 两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道 Ud和负载参数相同，变压器匝比为1:1:1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同,图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路,与全桥电路的比较 比全桥电路少用一半开关器件 器件承受的电压为2Ud，比全桥电路 高 一倍 必须有一个变压器,2019/11/13,21,5.2.2 三相电压型逆变电路,三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路 应用最广的是三相桥式

13、逆变电路 可看成由三个半桥逆变电路组成,图5-9 三相电压型桥式逆变电路,180导电方式 每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 任一瞬间有三个桥臂同时导通 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流,2019/11/13,22,5.2.2 三相电压型逆变电路,波形分析,图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形,2019/11/13,23,5.2.2 三相电压型逆变电路,负载各相到电源中点N的电压：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2 负载线电压 (5-4) 负载相电压 (5-5) 负载中点和电源中点间电压 (5-6),2019/1

14、1/13,24,5.2.2 三相电压型逆变电路,负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7) 利用式(5-5)和(5-7)可绘出uUN、uVN、uWN波形 负载已知时，可由uUN波形求出iU波形 一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似 桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点,2019/11/13,25,5.2.2 三相电压型逆变电路,定量分析 输出线电压 uUV展开成傅里叶级数 式中， ，k为自然数,(5-8),2019/11/13,26,5.2.2 三相

15、电压型逆变电路,输出线电压有效值 基波幅值 基波有效值,(5-9),(5-10),(5-11),2019/11/13,27,5.2.2 三相电压型逆变电路,负载相电压 uUN展开成傅里叶级数得 式中 ， ，k为自然数,(5-12),2019/11/13,28,5.2.2 三相电压型逆变电路,负载相电压有效值 基波幅值 基波有效值 防止同一相上下两桥臂开关器件直通 采取“先断后通”的方法,(5-13),(5-14),(5-15),2019/11/13,29,5.3 电流型逆变电路,直流电源为电流源的逆变电路电流型逆变电路 一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源 实例之一：图5-11电流型三相桥式逆变电路 交流侧电容用于吸收换流时负载电感中存贮的能量,图5-11 电流型三相桥式逆变电路,2019/11/13,30,2019/11/13,31,5.3 电流型逆变电路,电流型逆变电路主要特点 (1) 直流侧串大电感，相当于电流源 (2) 交流输出电流为矩形波，输