电力电子技术逆变电路

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1、第5章 逆变电路引言引言5.1 5.1 换流方式换流方式5.2 5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路5.3 5.3 电流型逆变电路电流型逆变电路 5.4 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结本章小结1第5章 逆变电路 引言逆变的概念逆变与整流相对应，直流电变成交流电 。 l交流侧接电网，为有源逆变。 l交流侧接负载，为无源逆变。l逆变与变频 l变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 l交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两 部分组成，后一部分就是逆变。 主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电 池等，给交流负载供电。 交流电机调速用变频器、不间

2、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 。本章讲述无源逆变25.1 换流方式5.1.15.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理5.1.25.1.2 换流方式分类换流方式分类3l以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工 作原理5.1.1 逆变电路的基本工 作原理图5-1 逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduo iot1t2S1S4是桥式电路的4个臂，它由电力电子器件及 辅助电路组成，负载为阻感负载。45.1.1 逆变电路的基本工 作原理S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo 为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo

3、 为负。直流电交流电55.1.1 逆变电路的基本工 作原理 逆变电路最基本的 工作原理 改变 两组开关切换频率， 可改变输出交流电频 率。图5-1 逆变电路及其波形举例a)b)tuo iot1t2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。65.1.2 换流方式分类l换流电流从一个支路向另一个支路转 移的过程，也称为换相。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 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。

4、在逆变电路中，换流及换流方式问题最为全面和集中,因 此安排在本章集中讲述。75.1.2 换流方式分类1) 器件换流（Device Commutation） 利用全控型器件的自关断能力进行换流。 在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等 全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。 2) 电网换流（Line Commutation） 由电网提供换流电压的换流方式。 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使 其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适 用于没有交流电网的无源逆变电路。 3) 负载换流（Load Commutation） 由负载提供换流电压的换流方式。 凡负载电流的相

5、位超前于负载电压的场合，都可 实现负载换流。85.1.2 换流方式分类图5-2 负载换流 电路及其工作波形 如图是基本的负载换流电路 ，4个桥臂均由晶闸管组成。整个负载工作在接近并联谐 振状态而略呈容性。直流侧串电感，工作过程可 认为id 基本没有脉动。负载对基波的阻抗大而对谐 波的阻抗小。所以uo接近正弦 波。注意触发VT2、VT3的时刻t1 必须在uo过零前并留有足够的 裕量，才能使换流顺利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouo ioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT494)强迫换流（Forced Commutation）5.1.2 换流方式分类由换流

6、电路内电容 直接提供换流电压直接耦合式 强迫换流通过换流电路内的 电容和电感的耦合 来提供换流电压或 换流电流电感耦合式 强迫换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫 施加反压或反向电流的换流方式称为强迫换流。通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因 此也称为电容换流。 分类105.1.2 换流方式分类直接耦合式强迫换流当晶闸管VT处于通态 时，预先给电容充电。当S 合上，就可使VT被施加反 压而关断。也叫电压换流。图5-3直接耦合式 强迫换流原理图图5-4 电感耦合式 强迫换流原理图电感耦合式强迫换流当VT处于通态时，接通S 使LC振荡电流流过VT，先使 晶闸管电流减为零，然后流 过反并

7、联二极管VD使其加上 反向电压。也叫电流换流。 115.1.2 换流方式分类换流方式总结：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属于外部换流。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。125.2 电压型逆变电路1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质 的不同电压型逆变电路又称为电压源 型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电流型逆变电路又称为电流源 型逆变电路 Current Source Type Inverter-CSTI直流侧是电流源1

8、35.2 电压型逆变电路2）电压型逆变电路的 特点图5-5 电压型全桥逆变电路(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)交流侧输出电压为 矩形波，输出电流和相位 因负载阻抗不同而不同。(3)阻感负载时需提供 无功功率。为了给交流侧 向直流侧反馈的无功能量 提供通道，逆变桥各臂并 联反馈二极管。145.2 电压型逆变电路5.2.15.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路5.2.25.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路155.2.1 单相电压型逆变电路1）半桥逆变电路u图56 单相半桥电压型逆变 电路及其工作波形a)ttOOONb)oUm-Um iot1t

9、2t3t4 t5t6 V1V2V1V2 VD1VD2VD1VD2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，两者 互补，输出电压uo为矩形波， 幅值为Um=Ud/2。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，io和uo反向，电 感中贮能向直流侧反馈。VD1 、VD2称为反馈二极管,它又 起着使负载电流连续的作用， 又称续流二极管。165.2.1 单相电压型逆变电路l优点：电路简单，使用器件少。 缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直 流侧需两电容器串联，要控制两者电压均 衡。 应用： 用于几kW以下的小功率逆变电源。 l以后讲述的单相全桥

10、、三相桥式都可 看成若干个半桥逆变电路的组合。175.2.1 单相电压型逆变电路2) 全桥逆变电路共四个桥臂，可看成两个半 桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180。 输出电压和电流波形与半桥 电路形状相同，幅值高出一 倍。 改变输出交流电压的有效值 只能通过改变直流电压Ud来 实现。 图5-7 单相全桥逆变 电路的移相调压方式tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo工作原 理185.2.1 单相电压型逆变电路阻感负载时，还可 采用移相的方式来调 节输出电压 移相 调压。a)图5-7 单相全桥逆变 电路的移相调压方式tOtOtOtOtO?b)uG1uG2u

11、G3uG4uoiot1t2t3iouoV3的基极信号比V1落后q （0 q 180 ）。V3、 V4的栅极信号分别比V2、 V1前移180q。输出电 压是正负各为q的脉冲。 改变q就可调节输出电压。 故移相调压就是调节输出 电压的脉宽。195.2.1 单相电压型逆变电路3） 带中心抽头变压器的逆 变电路图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路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。 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 。交替驱动两个IGBT，经变压 器耦合给负载加上矩形波

12、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。205.2.2 三相电压型逆变电路l三个单相逆变电路可组合成一个三相逆 变电路l应用最广的是三相桥式逆变电路 (N是假 想电源中点)图5-9 三相电压型桥式逆变电路215.2.2 三相电压型逆变电路l基本工作方式 180导电 方式图5-10电压型三相桥式逆 变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd 2Ud 3Ud 62 Ud 3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

13、在同一相 上下两臂之间进行，也 称为纵向换流。225.2.2 三相电压型逆变电路波形分析 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。 负载线电压负载相电压图5-10电压型三相桥式逆 变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd 2Ud 3Ud 62 Ud 3235.2.2 三相电压型逆变电路 负载中点和电源中点间电压(5-6) 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是(5-7) 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

14、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，这是电压型逆变 电路的一个特点。 防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直 流侧电源短路，应采取“先断后通” 。 数量分析见教材。 24电流型逆变电路主要特点(1) 直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。5.3 电流型逆变电路直流电源为电流源的 逆变电路称为电流型逆 变电路。图5-11 电流型三相桥式逆变电路(2) 交流侧输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位因负载不同而不同。(3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，

15、不必给开关器件反并联二极 管。 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。 换流方式有负载换流、强迫换流。255.3 电流型逆变电路5.3.15.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路5.3.25.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路265.3.1 单相电流型逆变电路1) 电路原理图512 单相桥式电流型 （并联谐振式）逆变电路由四个桥臂构成，每个桥臂 的晶闸管各串联一个电抗器 ，用来限制晶闸管开通时的 di/dt。 工作方式为负载换相。 电容C和L、R构成并联谐振 电路。 输出电流波形接近矩形波， 含基波和各奇次谐波，且谐 波幅值远小于基波。 负载电路对基波呈现高阻抗 而对谐波呈现低阻抗，故负 载电压波形接近正弦波。275.3.1 单相电流型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2 t3t4 t5t6 t7tfuotguABtdtbIdiVT 1,4iVT 2,3uVT2,3uVT1,4图513并联谐振式逆变 电路工作波形2) 工作分析 一个周期内有两个 导通阶段和两个换 流阶段。t1t2：VT1和VT4稳定导通阶段，i=Id， t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。 t2t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入 换流阶段。 LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一 个减