电力电子技术06第4章无源逆变电路

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1、1,第4章 无源逆变电路,4.1 概 述 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 谐振型逆变电路 4.5 多重化与多电平逆变电路*,2,4.1 概 述,4.1.1 换流方式 4.1.2 逆变器的分类,3,4.1.1 换流方式,电流在不同支路中的转移，称为换流，又称换相。 换流过程就是器件通态与断态间的转换过程。 全控器件开通与关断相对简单，而半控器件的关断必须利用外部自然条件，或者采取专门的措施。 可见，研究换流问题主要是研究如何使器件有效且可靠的关断。,（1）换流过程,4,4.1.1 换流方式,器件换流：利用全控器件的自关断能力实现换流。 电网换流：利用交流电网电压的自然变化

2、实现换流。 例如可控整流、有源逆变、交流调压以及交交变频中使用的晶闸管。 负载换流：当负载电流超前于电压，即可实现半控器件的换流。 显然，此时负载需要呈容性。具体换流过程将在谐振型逆变电路中介绍。 强迫换流：采用附加电路给欲关断的晶闸管施加反向电压或反向电流，强迫使其关断。 通常利用电容储能加以实现，故又称电容换流。具体分直接耦合和电感耦合两种方式。,（2）换流种类,5,4.1.1 换流方式,强迫换流：,（2）换流种类,直接耦合式（又称为电压换流）,电容预充电为上“负”下“正”。 当S闭合后使VT承受反压而关断。,6,4.1.1 换流方式,强迫换流：,（2）换流种类,电感耦合式（又称为电流换流

3、）,电容预充电为上“负”下“正”。 当S闭合， LC振荡电流在前半周期反向流经晶闸管，使原来通过VT的电流减小。 当VT电流降为零，振荡电流流向VD，而VD正向压降使VT反偏而彻底可靠关断。,电容预充电为上“正”下“负”的情况请自行分析,7,4.1.2 逆变器的分类,有源逆变：不可变频。 使用晶闸管可以利用电网换流。 无源逆变：可以变频。 使用晶闸管必须采用负载换流或强迫换流。,交交变频（直接变频）：若使用晶闸管可以利用电网换流。 交直交变频（间接变频）：若使用晶闸管必须采用负载换流或强迫换流。,（1）逆变种类,（2）变频种类,8,4.1.2 逆变器的分类,（3）直交变频简单工作原理,当开关器

4、件S1、S4与S2、S3交替轮流通断，负载可获得正、负方波电压。 输出方波电压的频率：由开关器件的切换频率决定。 输出方波电压的幅值：由直流侧电压决定。 而直流侧电压的高低：可由相控整流或直流斩波实现。,特别注意：决不允许S1与S2或 S3与S4同时导通。 阻感负载时的负载电流较为复杂。,9,4.1.2 逆变器的分类,（4）逆变器的分类,按交流侧相数分：单相与三相。 按换流方式分：器件换流型、负载换流型与强迫换流型。 按电路结构分：半桥型与全桥型。 按直流侧电源性质分： 电压源型：交直交变频器的直流环节并有大电容，呈低阻恒压特性。 电流源型：交直交变频器的直流环节串有大电感，呈高阻恒流特性。,

5、10,4.2 电压型逆变电路,4.2.1 单相半桥型逆变电路 4.2.2 单相全桥型逆变电路 4.2.3 三相电压型逆变电路 4.2.4 电压型逆变电路的特点,11,4.2.1 单相半桥型逆变电路,以阻感负载为例。 直流侧电容器的容量足够大，可维持电压恒定。 V1与V2为全控型器件，并且交替导通，二者互补。 不计管压降。,（1）分析假设,分析中需特别注意VD的作用。,逆导型器件,请注意：半桥逆变电路是组成其它逆变电路的基本单元,12,4.2.1 单相半桥型逆变电路,t10 。 t = t2：V1断而V2“虚”通；即V2两端电压虽然为零，但是其中没有通过电流。 t20 ，VD2续流（通路：LR下

6、CVD2）。 t = t3：i0 = 0 ，VD2截止，V2准备通流， i0准备开始反相； t3tt4：V1断而V2 “真” 通，电流反相，i00。,（2）工作原理,13,4.2.1 单相半桥型逆变电路,（2）工作原理,t = t4：V2断而V1“虚”通；即V1两端电压虽然为零，但是其中没有通过电流。 t40 ，重复上述过程， 。,14,4.2.1 单相半桥型逆变电路,（3）能量传递,当输出电压与输出电流方向相同，直流电源向交流负载提供能量。 当输出电压与输出电流方向相反，电感储能回馈给直流电源。 其中二极管导通的续流过程，即为能量回馈的过程。,15,4.2.1 单相半桥型逆变电路,（4）其他

7、问题,若采用晶闸管作为开关器件，必需考虑强迫换流。 优缺点 优点为电路简单，功率器件少。 缺点是输出电压低，仅为直流电压的一半，并且还需考虑电容分压的均衡性。,16,4.2.2 单相全桥型逆变电路,（1）工作原理,V1和V4与V2和V3交替导通，二者互补，两两导通角为180。 当输出电流为正时，由VD2与VD3续流，电流通路为：L VD3 C VD2 R。 当输出电流为负时，由VD1与VD4续流，电流通路为：R VD1 C VD4 L 。 相应的输出电压、电流波形与半桥电路相同，仅仅是幅值增加一倍。,17,4.2.2 单相全桥型逆变电路,（2）输出电压的定量分析,矩形波的傅氏展开,基波电压最大

8、值,基波电压有效值,18,4.2.2 单相全桥型逆变电路,180导通时，可通过改变直流侧电压来改变输出电压的大小。 另外，可采用脉冲移相方法调压，其原理请比较以下两图。,（3）输出电压的调节,V1与VD3导通,V2与VD4导通,19,（1）电路构成,4.2.3 三相电压型逆变电路,由三组单相半桥电压型逆变电路组合而成。 采用IGBT作为开关器件，且反并联续流二极管（逆导型）。 三相负载采用星形联结（无中线）。,分析过程中需特别注意直流侧的虚设中点“N”与负载星形接线实际中点“N”的不同（电位不等）。,20,（2）有关电压波形,4.2.3 三相电压型逆变电路,基本规律 仍为180导电方式。 每相

9、开始导电角依次互差120。 任意瞬间都有三个桥臂导通。（两高一低或两低一高） 每次换流是在同一相的上、下两个桥臂之间进行，因此又被称为“纵向换流”。,21,（2）有关电压波形,4.2.3 三相电压型逆变电路,基本关系,负载相电压：,整理后得：,因三相负载对称：,故可得：,22,（2）有关电压波形,4.2.3 三相电压型逆变电路,基本关系,负载线电压：,电压波形（见教材第98页图47）,23,4.2.3 三相电压型逆变电路,负载电流波形与负载阻抗角有关，教材第98页图4-7（f ）中负载阻抗角 60，且为U相负载电流。 纵向换流的换流过程与半桥电路相似。 因三相负载电压相位互差120，故三相负载

10、电流相位也互差120。 负载阻抗角越大（电感越大），二极管续流时间越长。 将V1、V3、V5桥臂的电流波形相加，可得直流侧的电流波形，结果为一脉动直流，如教材第98页图4-7（g）所示 。,（3）有关电流波形,24,（4）定量分析,4.2.3 三相电压型逆变电路,电压的定量分析 电压的数值分析即将相应电压波形展开成傅氏级数。 进一步可求得基波及所含各次谐波的次数、幅值及有效值。 详见教材第98页倒4行第99页倒14行。,电流的定量分析 电流的数值分析依赖于电压的数值分析结果，以及实际负载的具体参数。,25,4.2.4 电压型逆变电路的特点,（3）交流侧输出电流波形及相位既取决于输出电压波形，更

11、取决于负载阻抗的参数。,（1）电压型逆变器直流侧并有大电容，相当于电压源。即直流侧电压基本不存在脉动，直流回路呈“低阻恒压”特性。,（2）因直流侧电压基本恒定，故交流侧输出电压波形与负载阻抗无关，分别为矩形波（单相或三相线电压）或阶梯波（三相相电压），三相时的相位由器件的通断时刻确定。,26,4.2.4 电压型逆变电路的特点,（6）对180导电的逆变器，同一相上、下桥臂的开关器件必须依循 “先断后通” 的原则进行控制，实际应用中两者的控制信号之间必须留有一定的“死区”时间，以防“直通”。,（4）当交流侧为阻感负载时，系统需要提供一定的无功功率，此时直流侧的电容又起着无功功率的缓冲作用。,（5）

12、为使电感储能回馈，各桥臂必须反并联续流（反馈）二极管，故通常直接采用逆导型器件。,27,4.3 电流型逆变电路,4.3.1 三相电流型逆变电路 4.3.2 电流型逆变电路的特点,28,（1）电路构成,4.3.1 三相电流型逆变电路,直流侧串有大电感，使直流回路呈高阻恒流特性。 开关器件为门极可关断晶闸管（GTO），换流方式为器件换流。,交流侧的三相电容是为了吸收换流过程中负载电感中的储能，并为消除尖峰电压而设置的。 交流侧为阻感负载时仍需提供无功功率，但因直流侧电流不能反向，故不需反馈二极管。,29,4.3.1 三相电流型逆变电路,（2）分析要点,基本工作方式为120导电方式，即一个周期内每个

13、桥臂导电120。 六只管子按每隔60顺序依次导通，以保证任意时刻上桥臂组和下桥臂组中各有一只管子导通（两两导通）。 换流是在上桥臂组或下桥臂组内依次换流，这一方式称为“横向换流” 。,30,4.3.1 三相电流型逆变电路,分析电流型逆变器的波形总是先画出电流波形。 每相电流为正负宽度均为120的矩形波，且与负载性质无关。,（2）分析要点,31,4.3.1 三相电流型逆变电路,分析电流型逆变器的波形总是先画出电流波形。 每相电流为正负宽度均为120的矩形波，且与负载性质无关。,（2）分析要点,然后再考虑负载情况画出相应的电压波形。 纯电阻负载时相电压波形与相电流波形一致。 左下图线电压波形为纯电

14、阻负载时的情况。,32,4.3.2 电流型逆变电路的特点,（1）电流型逆变器直流侧串有大电感，相当于电流源。即直流侧电流基本不存在脉动，直流回路呈“高阻恒流”特性。,（2）因直流侧电流基本恒定，故交流侧输出电流波形与负载阻抗无关，波形为矩形波，其相位与器件的通断时刻有关。,（3）交流侧输出电压波形及相位既取决于输出电流波形，更取决于负载阻抗的参数。,33,4.3.2 电流型逆变电路的特点,（4）当交流侧为阻感负载时，系统需要提供一定的无功功率，此时直流侧的电感又起着无功功率的缓冲作用。,（5）因为无功功率交换时直流电流并不反向，故功率器件旁路不需并联反馈二极管。,（6）对120导电的电流型逆变

15、器不会出现“直通”现象，且容易实现过流保护。,注意：比较电压型与电流型逆变电路的特点，应学会从对偶性的角度理解问题。,34,4.4 谐振型逆变电路,4.4.1 电压型串联谐振逆变电路 4.4.2 电流型并联谐振逆变电路,35,4.4.1 电压型串联谐振逆变电路,（1）电路特点,图中R、L为实际负载阻抗，C为功率因数补偿电容。 开关器件为晶闸管，且应VT1、2与VT3、4交替触发。 换流方式为负载串联谐振换流，分析中应着重注意如何使晶闸管可靠关断。 负载串联谐振换流过程中，为构成电流振荡回路，每只晶闸管旁路需反并联二极管。,直流侧并有大电容，使直流回路呈低阻恒压特性。,36,4.4.1 电压型串

16、联谐振逆变电路,（2）工作原理,有关名词,负载的谐振角频率0，由负载中的L和C的数值确定。 逆变器触发角频率 g。 逆变器输出角频率，为逆变器触发角频率 g的一半。 频率与角频率成正比。,由晶闸管移相 触发脉冲确定,波形分析中将会得到证明,37,4.4.1 电压型串联谐振逆变电路,（2）工作原理,基本概念 负载换流需要负载电流超前于负载电压，即要使负载呈容性。,由,得,负载呈容性,即要求：逆变器的输出频率（）小于负载的谐振频率（0 ）,电压型逆变器输出电压的波形为矩形波。 因电路工作在负载谐振频率附近，负载对基波电流呈低阻而对谐波电流分量呈高阻。 所以负载电流波形接近于正弦波。,38,4.4.1 电压型串联谐振逆变电路,（2）工作原理,t0t1，VT1,2导通，i0为正，u0为（+Ud ）减两个管压降。 t1t2，i0过零为负，VD1,2 导通，VT1,2承受反压关断，u0为（+Ud ）加两个二极管压降。 t2t3，VT3,4导通，i0为负， u0为（U