電力電子技術(shù)及應(yīng)用課件11

1、2022-2-31第第4章章 逆變電路逆變電路 4.1 換流方式換流方式 4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 4.3 電流型逆變電路電流型逆變電路 4.4 多重逆變電路和多電平逆變電路多重逆變電路和多電平逆變電路 本章小結(jié)本章小結(jié)2022-2-32引言引言逆變的概念逆變的概念 與整流相對應(yīng)，與整流相對應(yīng)，直流電直流電變成變成交流電交流電。 交流側(cè)接電網(wǎng)，為交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。 交流側(cè)接負(fù)載，為交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變無源逆變，本章主要講述無源逆變。，本章主要講述無源逆變。逆變與變頻逆變與變頻 變頻電路：分為變頻電路：分為交交變頻交交變頻和和交直交變頻交直交變頻兩種。兩種。 交直

2、交變頻由交直變換（交直交變頻由交直變換（整流整流）和直交變換兩部分組成，）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。后一部分就是逆變。逆變電路的逆變電路的主要應(yīng)用主要應(yīng)用 各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。 交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。最簡單的二極管最簡單的二極管逆變器逆變器2022-2-334.1 換流方式換流方式 4.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理 4.1.2 換流方式分類換

3、流方式分類2022-2-344.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理 S1S4是橋式電路的是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。 負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2 當(dāng)開關(guān)當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合，閉合，S2、S3斷開時，負(fù)載電壓斷開時，負(fù)載電壓uo為正；當(dāng)開關(guān)為正；當(dāng)開關(guān)S1、S4斷開，斷開，S2、S3閉合時，閉合時，uo為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電。為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電。 改變改變兩組開關(guān)的切換頻率兩組開關(guān)的

4、切換頻率，即可改變輸出，即可改變輸出交流電的頻率交流電的頻率。 電阻負(fù)載時，負(fù)載電流電阻負(fù)載時，負(fù)載電流io和和uo的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。 阻感負(fù)載時，阻感負(fù)載時，io相位滯后于相位滯后于uo，波形也不同。，波形也不同。圖圖4-1 逆變電路及其波形舉例逆變電路及其波形舉例 2022-2-354.1.2 換流方式分類換流方式分類換流換流 電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相換相。 研究換流方式主要是研究研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷如何使器件關(guān)斷。換流方式分為以下幾種換流方式分為以下幾種 器件換流（器件換流（

5、Device Commutation） 利用利用全控型器件的自關(guān)斷能力全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。進(jìn)行換流。 在采用在采用IGBT 、電力、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。型器件的電路中的換流方式是器件換流。 電網(wǎng)換流（電網(wǎng)換流（Line Commutation） 電網(wǎng)電網(wǎng)提供提供換流電壓換流電壓的換流方式。的換流方式。 將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。流電網(wǎng)

6、的無源逆變電路。2022-2-364.1.2 換流方式分類換流方式分類a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4圖圖4-2 負(fù)載換流電路及其工作波形負(fù)載換流電路及其工作波形 負(fù)載換流（負(fù)載換流（Load Commutation） 由由負(fù)載負(fù)載提供提供換流電壓換流電壓的換流方式。的換流方式。 負(fù)載負(fù)載電流電流的的相位超前相位超前于負(fù)載于負(fù)載電壓電壓的場合，的場合，都可實現(xiàn)負(fù)載換流，如電容性負(fù)載和同步電都可實現(xiàn)負(fù)載換流，如電容性負(fù)載和同步電動機(jī)。動機(jī)。 圖圖4-2a是基本的負(fù)載換流逆變電路，整是基本的負(fù)載換流逆變電路，整個負(fù)載工作

7、在接近個負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈而略呈容性容性，直流側(cè)串大電感，工作過程可認(rèn)為直流側(cè)串大電感，工作過程可認(rèn)為id基本沒基本沒有脈動。有脈動。 負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小，負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小，所以所以uo接近接近正弦波正弦波。 注意觸發(fā)注意觸發(fā)VT2、VT3的時刻的時刻t1必須在必須在uo過過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。成。2022-2-374.1.2 換流方式分類換流方式分類強(qiáng)迫換流（強(qiáng)迫換流（Forced Commutation） 設(shè)置設(shè)置附加的換流電路附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)，給欲關(guān)斷

8、的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。 通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為因此也稱為電容換流電容換流。 分類分類 直接耦合式強(qiáng)迫換流直接耦合式強(qiáng)迫換流：由換流電路內(nèi)電容：由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓。直接提供換流電壓。 電感耦合式強(qiáng)迫換流電感耦合式強(qiáng)迫換流：通過換流電路內(nèi)的：通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流。電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流。 直接耦合式強(qiáng)迫換流直接耦合式強(qiáng)迫換流 如圖如圖4-3，當(dāng)晶閘管，當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時，預(yù)先給處于通態(tài)時，預(yù)先

9、給電容充電。當(dāng)電容充電。當(dāng)S合上，就可使合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)被施加反壓而關(guān)斷。斷。 也叫電壓換流。也叫電壓換流。 圖圖4-3 直接耦合式直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖強(qiáng)迫換流原理圖 2022-2-384.1.2 換流方式分類換流方式分類電感耦合式強(qiáng)迫換流電感耦合式強(qiáng)迫換流 圖圖4-4a中晶閘管在中晶閘管在LC振蕩振蕩第一個半周期第一個半周期內(nèi)關(guān)斷，圖內(nèi)關(guān)斷，圖4-4b中晶閘管在中晶閘管在LC振蕩振蕩第二個半周期第二個半周期內(nèi)關(guān)斷，注意兩圖中電容所充的電壓極性不同。內(nèi)關(guān)斷，注意兩圖中電容所充的電壓極性不同。 在這兩種情況下，晶閘管都是在正向電流減至零且二極管開始流過電流時在這兩種情況下，晶閘

10、管都是在正向電流減至零且二極管開始流過電流時關(guān)斷，二極管上的管壓降就是加在晶閘管上的反向電壓。關(guān)斷，二極管上的管壓降就是加在晶閘管上的反向電壓。 也叫也叫電流換流電流換流。圖圖4-4 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖 換流方式總結(jié)換流方式總結(jié) 器件換流器件換流只適用于只適用于全控型器件全控型器件，其余三種方式主要是針對，其余三種方式主要是針對晶閘管晶閘管而言的。而言的。 器件換流和強(qiáng)迫換流屬于器件換流和強(qiáng)迫換流屬于自換流自換流，電網(wǎng)換流和負(fù)載換流屬于，電網(wǎng)換流和負(fù)載換流屬于外部換流外部換流。 當(dāng)電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而當(dāng)電流不是從一個支路向另

11、一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為變?yōu)榱悖瑒t稱為熄滅熄滅。 2022-2-394.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 4.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 4.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路2022-2-3104.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路引言引言根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同，可以分為兩類根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同，可以分為兩類 電壓型電壓型逆變電路：直流側(cè)是電壓源。逆變電路：直流側(cè)是電壓源。 電流型電流型逆變電路：直流側(cè)是電流源。逆變電路：直流側(cè)是電流源。電壓型逆變電路的特點電壓型逆變電路的特點 直流側(cè)為直流側(cè)為電壓源電壓源或并聯(lián)或并聯(lián)大電容大電容，

12、直流側(cè)電壓基本無脈動。，直流側(cè)電壓基本無脈動。 由于直流電壓源的由于直流電壓源的鉗位作用鉗位作用，輸出電壓為，輸出電壓為矩形波矩形波，輸出電流因負(fù)，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。載阻抗不同而不同。 阻感負(fù)載時需提供無功功率，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功阻感負(fù)載時需提供無功功率，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管反饋二極管。圖圖4-5 電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路）電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路） 并聯(lián)大電容并聯(lián)大電容串聯(lián)大電感串聯(lián)大電感2022-2-3114.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)o

13、Um- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖圖4-6 單相半橋電壓型逆單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形變電路及其工作波形 半橋逆變電路半橋逆變電路 在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的的電容電容，兩個電容的，兩個電容的聯(lián)結(jié)點聯(lián)結(jié)點便成為直流電便成為直流電源的源的中點中點，負(fù)載聯(lián)接在直流電源中點和兩，負(fù)載聯(lián)接在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)結(jié)點之間。個橋臂聯(lián)結(jié)點之間。 工作原理工作原理 設(shè)開關(guān)器件設(shè)開關(guān)器件V1和和V2的柵極信號在一的柵極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補。者互補

14、。 輸出電壓輸出電壓uo為為矩形波矩形波，其幅值為，其幅值為Um=Ud/2。 電路帶電路帶阻感負(fù)載阻感負(fù)載，t2時刻給時刻給V1關(guān)斷關(guān)斷信號，給信號，給V2開通信號，則開通信號，則V1關(guān)斷，但感性關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流負(fù)載中的電流io不能立即改變方向，于是不能立即改變方向，于是VD2導(dǎo)通續(xù)流，當(dāng)導(dǎo)通續(xù)流，當(dāng)t3時刻時刻io降零時，降零時，VD2截止，截止，V2開通，開通，io開始反向，由此得出如圖所示開始反向，由此得出如圖所示的電流波形。的電流波形。 2022-2-3124.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V

15、1V2VD1VD2VD1VD2圖圖4-6 單相半橋電壓型逆單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形變電路及其工作波形 V1或或V2通時，通時，io和和uo同方向同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或或VD2通時，通時，io和和uo反向反向，電感中貯，電感中貯能向直流側(cè)反饋。能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為稱為反饋二極管反饋二極管,它又起著使負(fù)載電流它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管續(xù)流二極管。優(yōu)點是簡單，使用器件少；其缺優(yōu)點是簡單，使用器件少；其缺點是輸出交流電壓的幅值點是輸出交流電壓的幅值Um僅為僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個電容器串，且直流側(cè)需要

16、兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡；因此，半橋電路常用于壓的均衡；因此，半橋電路常用于幾幾kW以下以下的小功率逆變電源。的小功率逆變電源。 2022-2-3134.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路全橋逆變電路全橋逆變電路 共四個橋臂，可看成共四個橋臂，可看成兩個半橋電路兩個半橋電路組合而成。組合而成。 兩對橋臂交替導(dǎo)通兩對橋臂交替導(dǎo)通180。 輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，但幅值高出一倍。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，但幅值高出一倍。 在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓在這種情況下，要改變輸出交

17、流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)。來實現(xiàn)。 Ud的矩形波的矩形波uo展開成傅里葉級數(shù)得展開成傅里葉級數(shù)得tttUu5sin513sin31sin4do其中基波的幅值其中基波的幅值Uo1m和基波有效值和基波有效值Uo1分別為分別為 ddo1m27.14UUUdd1o9 . 022UUU圖圖4-5 全橋逆變電路全橋逆變電路 (4-1)(4-2)(4-3)2022-2-3144.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路a)b)圖圖4-7 單相全橋逆變電單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式路的移相調(diào)壓方式 移相調(diào)壓方式移相調(diào)壓方式 V3的基極信號比的基極信號比V1落后落后 （0 180）。）

18、。V3、V4的柵極信號分別比的柵極信號分別比V2、V1的前移的前移180- 。輸出電壓是正負(fù)各為。輸出電壓是正負(fù)各為 的脈的脈沖。沖。 工作過程工作過程 t1時刻前時刻前V1和和V4導(dǎo)通，導(dǎo)通， uo=Ud。 t1時刻時刻V4截止，而因負(fù)載電感中的電流截止，而因負(fù)載電感中的電流io不能突變，不能突變，V3不能立刻導(dǎo)通，不能立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)導(dǎo)通續(xù)流，流，uo=0。 t2時刻時刻V1截止，而截止，而V2不能立刻導(dǎo)通，不能立刻導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，構(gòu)成電流通道，uo=-Ud。 到負(fù)載電流過零并開始反向時，到負(fù)載電流過零并開始反向時，VD2和和VD3截止，截止，

19、V2和和V3開始導(dǎo)通，開始導(dǎo)通，uo仍為仍為-Ud。 t3時刻時刻V3截止，而截止，而V4不能立刻導(dǎo)通，不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，導(dǎo)通續(xù)流，uo再次為零再次為零。 改變改變 就可調(diào)節(jié)輸出電壓就可調(diào)節(jié)輸出電壓。2022-2-3154.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路圖圖4-8 帶中心抽頭變帶中心抽頭變壓器的逆變電路壓器的逆變電路 帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭變壓器的逆變電路 交替驅(qū)動交替驅(qū)動兩個兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。 兩個二極管的作用也是提供兩個二極管的作用也是提供無功能無功能量的反饋通道量的反饋通道。

20、 Ud和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比為為1：1：1時，時，uo和和io波形及幅值與全橋波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。逆變電路完全相同。 與全橋電路相比較與全橋電路相比較 比全橋電路少用比全橋電路少用一半開關(guān)器件一半開關(guān)器件。 器件承受的電壓為器件承受的電壓為2Ud，比全橋，比全橋電路高一倍。電路高一倍。 必須有一個必須有一個變壓器變壓器。 2022-2-3164.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路。三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路。三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路 基本工作方式是基本工作方式是180導(dǎo)電方式導(dǎo)電

21、方式。 同一相（即同一半橋）上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度同一相（即同一半橋）上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差差120 ，任一瞬間有，任一瞬間有三個橋臂三個橋臂同時導(dǎo)通。同時導(dǎo)通。 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流縱向換流。圖圖4-9 三相電壓型橋式逆變電路三相電壓型橋式逆變電路 假想中點假想中點2022-2-3174.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3圖圖4-10 電壓

22、型三相橋式逆變電路的工作波形電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 工作波形工作波形 對于對于U相輸出來說，當(dāng)橋臂相輸出來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時，導(dǎo)通時，uUN=Ud/2，當(dāng)橋臂，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時，導(dǎo)通時，uUN=-Ud/2，uUN的波形是的波形是幅值為幅值為Ud/2的矩形波的矩形波，V、W兩相的情況和兩相的情況和U相類似。相類似。 負(fù)載線電壓負(fù)載線電壓uUV、uVW、uWU可由下可由下式求出式求出 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu負(fù)載各相的相電壓分別為負(fù)載各相的相電壓分別為 NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu(4-4)(4-5)2022-2-3184.

23、2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3圖圖4-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 把上面各式相加并整理可求得把上面各式相加并整理可求得)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu設(shè)負(fù)載為三相對稱負(fù)載，則有設(shè)負(fù)載為三相對稱負(fù)載，則有uUN+uVN+uWN=0，故可得，故可得 )(31 WN VN UNNNuuuu負(fù)載參數(shù)已知時，可以由負(fù)載參數(shù)已知時，可以由uUN的波形的波形求出求出U相電流相電流

24、iU的波形，圖的波形，圖4-10g給出的給出的是阻感負(fù)載下是阻感負(fù)載下 時時iU的波形。的波形。 3/把橋臂把橋臂1、3、5的電流加起來，就可的電流加起來，就可得到直流側(cè)電流得到直流側(cè)電流id的波形，如圖的波形，如圖4-10h所所示，可以看出示，可以看出id每隔每隔60脈動一次。脈動一次。 (4-6)(4-7)2022-2-3194.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 把輸出線電壓把輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)得展開成傅里葉級數(shù)得 nktnntUtttttUusin)1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV式中，式中， ，k為自然數(shù)。為自然數(shù)。16 kn輸出線電壓有效值輸出線電壓有效值UUV為為 d202UVUV816.0d21UtuU其中基波幅值其中基波幅值UUV1