電力電子課件逆變電路

1、5-1 5-2逆變的概念 逆變與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。l交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。l交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變無源逆變。l 逆變與變頻l變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。l交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。主要應(yīng)用各種直流電源，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)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。本章講述無源逆變5-35-4l 以單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理圖5-1 逆變電路及其波形舉例負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是橋式電路的4個(gè)

2、臂，由電力電子器件及輔助電路組成。5-5S1、S4閉合閉合，S2、S3斷開斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正正。S1、S4斷開斷開，S2、S3閉合閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)負(fù)。直流電交流電5-6 逆變電路最基本的工作逆變電路最基本的工作原理原理 改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖5-1 逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載阻感負(fù)載時(shí)，i io o相位滯后于u uo o，波形也不同。5-7l 換流換流電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相換相。開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號就可使器件開通。關(guān)斷：全

3、控型器件可通過門極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷。一般在晶閘管電流過零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。l本章?lián)Q流及換流方式問題最為全面集中,因此安排在本章集中講述。5-81) 器件換流（Device Commutation）利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。在采用IGBT 、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2) 電網(wǎng)換流（Line Commutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。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)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

4、電路。3) 負(fù)載換流（Load Commutation）5-9圖5-2 負(fù)載換流電路及其工作波形 由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。如圖是基本的負(fù)載換流負(fù)載換流電路，4個(gè)橋臂均由晶閘管組成。整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。直流側(cè)串電感，工作過程可認(rèn)為id 基本沒有脈動(dòng)。負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小。所以uo接近正弦波接近正弦波。注意注意觸發(fā)VT2、VT3的時(shí)刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT45-

5、104)強(qiáng)迫換流（Forced Commutation）由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓直接耦合式強(qiáng)迫換流通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流電感耦合式強(qiáng)迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流強(qiáng)迫換流。 通常利用附加電容上所儲存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流電容換流。分類5-11 直接耦合式直接耦合式強(qiáng)迫換流 當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容充電。當(dāng)S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。 也叫電壓換流電壓換流。圖5-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖圖5-4 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖 電感耦合式電感耦合式強(qiáng)迫換流 先使晶閘管電流減為零

6、，然后通過反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓。 也叫電流換流電流換流。5-12換流方式總結(jié)：器件換流適用于全控型器件。其余三種方式針對晶閘管。器件換流和強(qiáng)迫換流屬于自換流。電網(wǎng)換流和負(fù)載換流屬于外部換流。當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅熄滅。5-131）逆變電路的分類 根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同電壓型逆變電路又稱為電壓源型逆變電路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流側(cè)是電壓源電壓源電流型逆變電路又稱為電流源型逆變電路Current Source Type Inverter-VSTI直流側(cè)是電流源電

7、流源5-142）電壓型逆變電路的特點(diǎn)圖5-5 電壓型全橋逆變電路 (1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)無脈動(dòng)。 (2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。 (3)阻感負(fù)載時(shí)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)反饋二極管。5-15 5-161）半橋逆變電路u圖56 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理 V1和V2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補(bǔ)，輸出電壓uo o為矩形波，幅值為Um=Ud/2。 V1或V2

8、通時(shí)，io和uo o同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時(shí)，i io o和u uo o反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管反饋二極管, ,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管續(xù)流二極管。5-17l 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，使用器件少。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：輸出交流電壓幅值為U Ud d/2/2，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應(yīng)用應(yīng)用：用于幾kW以下的小功率逆變電源。l單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合。5-182) 全橋逆變電路共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。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，幅值高出一倍

9、。改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實(shí)現(xiàn)。5-19阻感負(fù)載時(shí)，還可采用移相得方式來調(diào)節(jié)輸出電壓移相調(diào)壓移相調(diào)壓。a)圖5-7 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式tOtOtOtOtO? ?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo V3的基極信號比V1落后q （0 q 180 ）。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180q。輸出電壓是正負(fù)各為q的脈沖。 改變q就可調(diào)節(jié)輸出電壓。5-203） 帶中心抽頭變壓器的逆變電路圖5-8 帶中心抽頭變壓器的逆變電路 Ud和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：時(shí)，uo和io o波 形及幅值與全橋逆變電路完全相同。l 與全橋電路的

10、比較： 比全橋電路少用一半開關(guān)器件。 器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高 一倍。 必須有一個(gè)變壓器 。交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。兩個(gè)二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。5-21l 三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路l 應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路圖5-9 三相電壓型橋式逆變電路5-22l 基本工作方式180導(dǎo)電方式導(dǎo)電方式圖圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3每橋臂導(dǎo)電180，同一相上下兩

11、臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120 。任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流縱向換流。5-23波形分析負(fù)載各相到電源中點(diǎn)N的電壓：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2。負(fù)載線電壓負(fù)載相電壓 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu圖圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud35-24 負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓 (5-

12、6)負(fù)載三相對稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7) 負(fù)載已知時(shí)，可由uUN波形求出iU波形。 一相上下兩橋臂間的換流過程和半橋電路相似。 橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60脈動(dòng)一次，直流電壓基本無脈動(dòng)，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的，電壓型逆變電路的一個(gè)特點(diǎn)。 防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短路，應(yīng)采取“先斷后通” )(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu)(31 WN VN UNNNuuuu5-25電流型逆變電路主要特特點(diǎn)點(diǎn) (1) 直流側(cè)串大電感，電流基 本無脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源。直流電源

13、為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電流型逆變電路電路。圖5-11 電流型三相橋式逆變電路 (2) 交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)。輸出電壓波形和相位 因負(fù)載不同而不同。 (3)直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。5-26 5-271) 電路原理圖512 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路由四個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器，用來限制晶閘管開通時(shí)的di/dt。工作方式為負(fù)載換相負(fù)載換相。電容C和L 、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。l輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅

14、值遠(yuǎn)小于基波。5-28tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖513并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形2) 工作分析一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)導(dǎo)通階段和兩個(gè)換導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。流階段。t t1 1 t t2 2：VT1和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段穩(wěn)定導(dǎo)通階段，i i= =I Id d，t t2 2時(shí)刻前在C上建立了左正右負(fù)的電壓。t t2 2 t t4 4：t t2 2時(shí)觸發(fā)VT2和VT3開通，進(jìn)入換流階段換流階段。 LT使VT1、VT4不能立刻關(guān)斷，電流有一個(gè)減小過

15、程。VT2、VT3電流有一個(gè)增大過程。 4個(gè)晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電容電壓經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電。 LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一個(gè)經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4到C。5-29t=t4時(shí)，VT1、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4t2= tg g 稱為換流時(shí)間換流時(shí)間。保證晶閘管的可靠關(guān)斷保證晶閘管的可靠關(guān)斷晶閘管需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時(shí)間tb。tb b= t5- t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。 。io在t3時(shí)刻，即iVT1=iVT2時(shí)刻過零，t3時(shí)刻大體位于t2和t4的中點(diǎn)。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,

16、4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖513并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形5-30為保證可靠換流應(yīng)在uo過零前td d= t5- t2時(shí)刻觸發(fā)VT2、VT3 。. td 為觸發(fā)引前時(shí)間觸發(fā)引前時(shí)間 (5-16)io超前于uo的時(shí)間 (5-17)表示為電角度 (5-18) w為電路工作角頻率；g、b分別是tg g、tb b對應(yīng)的電角度。 忽略換流過程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級數(shù) (5-19) 基波電流有效值 (5-20) 負(fù)載電壓有效值Uo和直流電壓Ud的關(guān)系（忽略Ld的損 耗，忽略晶閘管壓降）

17、(5-21)tttbgttt2bgwbg22tttttIiwww5sin513sin31sin4dodd1o9 . 024IIIcos11. 1cos22ddoUUU5-311) 電路分析 基本工作方式是120導(dǎo)電方式導(dǎo)電方式每個(gè)臂一周期內(nèi)導(dǎo)電120，每個(gè)時(shí)刻上下橋臂組各有一個(gè)臂導(dǎo)通，換流方式為橫向換流橫向換流。itOtOtOtOIdiViWuUVU圖5-14 電流型三相橋式逆變電路的輸出波形 圖5-11 電流型三相橋式逆變電路2) 波形分析輸出電流波形和負(fù)載性質(zhì)無關(guān)，正負(fù)脈沖各120的矩形波。輸出電流和三相橋整流帶大電感負(fù)載時(shí)的交流電流波形相同，諧波分析表達(dá)式也相同。輸出線電壓波形和負(fù)載性質(zhì)

18、有關(guān)，大體為正弦波。輸出交流電流的基波有效值。5-32l 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路圖5-15 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 主要用于中大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。是電流型電流型三相橋式逆變電路。各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用。120導(dǎo)電工作方式導(dǎo)電工作方式，輸出波形和圖5-14的波形大體相同。強(qiáng)迫換流強(qiáng)迫換流方式，電容C1C6為換流電容。5-33- - +U VW+ - -U VWa)+ - -U VWb)- - +UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2

19、VD3C13IdiViViU=Id- -iV圖5-16 換流過程各階段的電流路徑 換流過程分析電容器所充電壓的規(guī)律電容器所充電壓的規(guī)律： 對于共陽極晶閘管，它與導(dǎo)通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負(fù)，不與導(dǎo)通晶閘管相連的電容器電壓為零。等效換流電容概念等效換流電容概念： 分析從VT1向VT3換流時(shí)，圖516中的C13就是圖514中的C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容。圖5-15 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 5-34 分析從從VTVT1 1向向VTVT3 3換流換流的過程: 假設(shè)換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負(fù)。如圖516a。 換流階段分為恒流放電恒流放電和二極管換二極管換流流兩個(gè)階段。t t1 1時(shí)刻觸發(fā)VT3導(dǎo)通導(dǎo)通，VT1被施以反壓而關(guān)斷關(guān)斷。 Id從VT1換到VT3，C13通過VD1、U相負(fù)載、W相負(fù)載、VD2、VT2、直流電源和VT3放電，放電電流恒為Id，故稱恒流放電階段恒流放電階段。如圖516b。 uC13下降到零之前，VT1承受反壓，反壓時(shí)間大于tq就能保證關(guān)斷。圖5-16 換流過程各階段