电力电子整流逆变电路

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1、第4章 逆变电路4.1 换流方式4.2 电压型逆变电路4.3 电流型逆变电路4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结2/47引言逆变的概念与整流相对应，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，本章主要讲述无源逆变 。 逆变与变频变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。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。 逆变电路的主要应用各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。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。3/474.1 换流方式4.1.1 逆变电路的基本工作原理4.1.2 换流方

2、式分类4/474.1.1 逆变电路的基本工作原理以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduo iot1t2当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；当开关S1、S4断开 ，S2、S3闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 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4-1 逆变电路及其波形举例 5/474.1.2 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

3、程，也称为换相 。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 换流方式分为以下几种器件换流（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。电网换流（Line Commutation）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。6/474.1.2 换流方式分类a)u t t t tOOOOiit1b)ouo ioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4图

4、4-2 负载换流电路及其工作波形 负载换流（Load Commutation）由负载提供换流电压的换流方式。负载电流的相位超前于负载电压的场合 ，都可实现负载换流，如电容性负载和同步 电动机。图4-2a是基本的负载换流逆变电路，整 个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性 ，直流侧串大电感，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。7/474.1.2 换流方式分类强迫换流（Forced Commutation）设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强 迫施加反

5、压或反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。分类直接耦合式强迫换流：由换流电路内电容 直接提供换流电压。电感耦合式强迫换流：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。直接耦合式强迫换流如图4-3，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4-3 直接耦合式强迫换流原理图 8/474.1.2 换流方式分类电感耦合式强迫换流图4-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断，图4-4b中晶闸管在LC振荡 第二个半周期内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。在这两种情况下，晶闸

6、管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关 断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。 也叫电流换流。图4-4 电感耦合式强迫换流原理图 换流方式总结器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。 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。 9/474.2 电压型逆变电路4.2.1 单相电压型逆变电路4.2.2 三相电压型逆变电路10/474.2 电压型逆变电路引言根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类电压型逆变电路：直流侧是电压源。电流型逆变电路：直流侧是电流源

7、。 电压型逆变电路的特点直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负载 阻抗不同而不同。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。图4-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路） 11/474.2.1 单相电压型逆变电路a)ttOOONb)oUm-Um iot1t2t3t4 t5t6 V1V2V1V2 VD1VD2VD1VD2图4-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 半桥逆变电路 在直流侧接有两个相互串联的足够大 的电容，两个电容的联结点便成为直流电 源的中点，负载联接在直流电

8、源中点和两 个桥臂联结点之间。工作原理设开关器件V1和V2的栅极信号在一 个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二 者互补。 输出电压uo为矩形波，其幅值为 Um=Ud/2。 电路带阻感负载，t2时刻给V1关断信 号，给V2开通信号，则V1关断，但感性负 载中的电流io不能立即改变方向，于是VD2 导通续流，当t3时刻io降零时，VD2截止， V2开通，io开始反向，由此得出如图所示的 电流波形。 12/474.2.1 单相电压型逆变电路a)ttOOONb)oUm-Um iot1t2t3t4 t5t6 V1V2V1V2 VD1VD2VD1VD2图4-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 V1或V

9、2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。优点是简单，使用器件少；其缺 点是输出交流电压的幅值Um仅为 Ud/2，且直流侧需要两个电容器串 联，工作时还要控制两个电容器电 压的均衡；因此，半桥电路常用于 几kW以下的小功率逆变电源。 13/474.2.1 单相电压型逆变电路全桥逆变电路 （补充波形分析）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，但幅值高出一倍。在这种情况下，要改变输出

10、交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来 实现。 Ud的矩形波uo展开成傅里叶级数得其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为 图4-5 全桥逆变电路 (4-1)(4-2)(4-3)14/474.2.1 单相电压型逆变电路a)b) 图4-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式 移相调压方式 V3的基极信号比V1落后（0 180）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的 前移180-。输出电压是正负各为的脉冲 。工作过程t1时刻前V1和V4导通， uo=Ud。t1时刻V4截止，而因负载电感中的电流 io不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续 流，uo=0。t2时刻V1截止，而V2不能立刻导通

11、， VD2导通续流，和VD3构成电流通道，uo=- Ud。到负载电流过零并开始反向时，VD2和 VD3截止，V2和V3开始导通，uo仍为-Ud。t3时刻V3截止，而V4不能立刻导通， VD4导通续流，uo再次为零。改变就可调节输出电压。15/47 纯电阻负载下二极管不起续流作用 不适用于半桥逆变电路（说明） 纯电阻调压方式（书上错误纠正）4.2.1 单相电压型逆变电路16/474.2.1 单相电压型逆变电路图4-8 带中心抽头变压器的逆变电路 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

12、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。与全桥电路相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。 17/474.2.2 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。 三相桥式逆变电路（加讲等效电路法，给出驱动波形）基本工作方式是180导电方式。同一相（即同一半桥）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。图4-9 三相电压型桥式逆变电路 假想中点18/474.2.2 三相电压型逆变电路tOtOtOtOt

13、OtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd 2Ud 3Ud 62 Ud 3图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 工作波形对于U相输出来说，当桥臂1导通时 ，uUN=Ud/2，当桥臂4导通时，uUN=- Ud/2，uUN的波形是幅值为Ud/2的矩形波 ，V、W两相的情况和U相类似。负载线电压uUV、uVW、uWU可由下 式求出负载各相的相电压分别为 (4-4)(4-5)19/474.2.2 三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd 2Ud

14、3Ud 62 Ud 3图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 把上面各式相加并整理可求得设负载为三相对称负载，则有 uUN+uVN+uWN=0，故可得 负载参数已知时，可以由uUN的波形 求出U相电流iU的波形，图4-10g给出的 是阻感负载下 时iU的波形。 把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得 到直流侧电流id的波形，如图4-10h所示 ，可以看出id每隔60脉动一次。 (4-6)(4-7)20/474.2.2 三相电压型逆变电路基本的数量关系把输出线电压uUV展开成傅里叶级数得 式中， ，k为自然数。 输出线电压有效值UUV为 其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分别为 (4

15、-8)(4-9)(4-10)(4-11)21/474.2.2 三相电压型逆变电路把uUN展开成傅里叶级数得 式中， ，k为自然数。负载相电压有效值UUN为其中基波幅值UUN1m和基波有效值UUN1分别为为了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的短路， 要采取“先断后通”的方法。 (4-12)(4-13)(4-14)(4-15)22/47UUV7 =2 Ud/（3.147 ）=22.3（V） 4.2.2 三相电压型逆变电路例：三相桥式电压型逆变电路，180导电方式，Ud=200V。试求输出相电压的 基波幅值UUN1m和有效值UUN1、输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值UUV1 、输出线电压中7次谐波的有效值UUV7。解： 0.4520090（V） 0.637200127.4（V） 1.1200=220（V） 0.78200=156（V） 23/474.3 电流型逆变电路4.3.1 单相电流型逆变电路4.3.2 三相电流型逆变电路24/474.3 电流型逆变电路引言直流电源为电流源的逆变电路称为 电流型逆变电路。 电流型逆变电路主要特点直流侧串大电感，电流基本无脉 动，相当于电流源。交流输出电流为矩形波，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。直流侧电感起缓冲无功能量的作 用，不必给开关器