電力電子第4章11

1、1逆變把直流電變成交流電有源逆變交流側(cè)接有電源逆變電路無源逆變交流側(cè)直接和負載連接一般指無源逆變電路第4章 無源逆變電路2 逆變電路應(yīng)用廣泛，在各種直流電源電池向交流負載供電時，就需要逆變電路。 交流電機調(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其電路的核心部分都是逆變電路。無源逆變電路是將直流電轉(zhuǎn)換為頻率、幅值固定或無源逆變電路是將直流電轉(zhuǎn)換為頻率、幅值固定或可變的交流電并直接供給負載的逆變電路。所謂可變的交流電并直接供給負載的逆變電路。所謂“無源無源”是指逆變電路輸出與電網(wǎng)的交流電無關(guān)。是指逆變電路輸出與電網(wǎng)的交流電無關(guān)。 3第4章 無源逆變電路4.1 4.1 概述概述4.2 4

2、.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路4.3 4.3 電流型逆變電路電流型逆變電路4.4 4.4 諧振型逆變電路諧振型逆變電路44.1 4.1 概述概述4.1.1 4.1.1 逆變器的分類逆變器的分類4.1.2 4.1.2 換流方式換流方式54.1.1 4.1.1 逆變器的分類逆變器的分類：按相數(shù)：按相數(shù)：單相、三相單相、三相按輸入側(cè)直流電源：按輸入側(cè)直流電源：電壓型、電流型電壓型、電流型按接線方式：按接線方式：半橋式、全橋式、推挽式半橋式、全橋式、推挽式按換流方式：按換流方式：全控型開關(guān)器件換流逆變器、負載諧振全控型開關(guān)器件換流逆變器、負載諧振式換流逆變器、強迫換流逆變器式換流逆變器、強迫換流逆

3、變器6 如果不經(jīng)過調(diào)制，逆變器的輸出電壓或者輸出電流一般是方波或矩形波，只有經(jīng)過PWM控制，才能輸出等效于正弦波的PWM脈沖波形。本章只分析逆變電路工作于方波情況下的工作原理。 74.1 4.1 概述概述4.1.1 4.1.1 逆變器的分類逆變器的分類4.1.2 4.1.2 換流方式換流方式84.1.2 換流方式換流換流全控型器件可通過門極的控制使其關(guān)斷，半控型器件晶閘管，必須利用外部條件或采取其它措施才能使其關(guān)斷。一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反向電壓，才能關(guān)斷。開通時關(guān)斷時無論支路是由全控型還是半控型電力電子器件組成，只要有適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動信號，就可使其開通。換相換相在電力電子變換電路中

4、，電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程。91. 1. 器件換流器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流 硬開關(guān)、軟開關(guān)換流2. 2. 電網(wǎng)換流電網(wǎng)換流相控整流電路三相交流調(diào)壓電路 電網(wǎng)換流交交變頻電路只要把負的電網(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，也不需要為換流附加任何元件。但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路由電網(wǎng)提供換流電壓103. 3. 負載換流負載換流負載電流相位超前于負載電壓的場合 實現(xiàn)負載換流負載為電容性負載時由負載諧振提供換流電壓RLCEdLdVT1VT2VT3VT4uoioid4個橋臂均由晶閘管組成負載是電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作在接

5、近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性 改善負載功率因數(shù)。直流側(cè)串入大電感Ld，工作過程中可認為 id基本沒有脈動 11l 4個臂的切換僅使電流路徑改變，負載電流基本呈矩形波l 負載工作在對基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對基波阻抗很大而對諧波阻抗很小，uo波形接近正弦波ttttOOOOiit1uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4ttttOOOOiit1uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT412l t1時刻前：VT1、VT4為通態(tài)，VT2、VT3為斷態(tài)，uo、io均為正，VT2、VT3上施加的電壓即為uol t1時刻觸發(fā)VT2、VT3使其開通，u

6、o通過VT2、VT3分別加到VT4、VT1上使其承受反向電壓而關(guān)斷，電流從VT1、VT4換到VT3、VT2l 觸發(fā)VT2、VT3時刻， t1必須在uo過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成ttttOOOOiit1uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4ttttOOOOiit1uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4134. 4. 強迫換流（電容換流）強迫換流（電容換流）設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式直接耦合式強迫換流直接耦合式強迫換流由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓SVT負載負載+晶閘管VT

7、通態(tài)時，預(yù)先給電容C按圖中所示極性充電。合上開關(guān)S，就可使晶閘管被施加反向電壓而關(guān)斷電壓換流電壓換流14電感耦合式強迫換流電感耦合式強迫換流通過換流電路內(nèi)電容和電感的耦合提供換流電壓或換流電流CL+VDSCVT負載負載+LSVT負載負載VDb)a)圖a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷圖b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內(nèi)關(guān)斷15CL+VDSCVT負載負載+LSVT負載負載VDb)a)圖a中，接通S后，LC振蕩電流將反向流過VT，與VT的負載電流相減，直到VT的合成正向電流減至零后，再流過二極管VD。二極管的壓降給晶閘管加上反壓，使其關(guān)斷二極管的壓降給晶閘管加上反壓，使其關(guān)斷 16CL+VDS

8、CVT負載負載+LSVT負載負載VDb)a)圖b中，接通S后，LC振蕩電流先正向流過VT并和VT中原有的負載電流疊加，經(jīng)過半個振蕩周期后，振蕩電流反向流過VT，直到VT的合成正向電流減至零后，再流過二極管VD。二極管二極管的壓降給晶閘管加上反壓，使其關(guān)斷的壓降給晶閘管加上反壓，使其關(guān)斷17給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流電壓換流電壓換流電流換流電流換流先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加 反向電壓的換流器件換流 只適用于全控型器件電網(wǎng)換流負載換流 針對晶閘管強迫換流18第4章 無源逆變電路4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路4.3 4.3 電流型

9、逆變電路電流型逆變電路4.4 4.4 諧振型逆變電路諧振型逆變電路194.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路（電壓源型逆變電路）直流側(cè)是電壓源電壓型全橋逆變電路(全橋逆變電路）+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio20電壓型逆變電路的特點：電壓型逆變電路的特點：1）直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。2）由于直流電壓源的鉗位作用，輸出電壓為矩形波，與負載阻抗角無關(guān)，交流側(cè)輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功

10、率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)反饋二極管。214.2 電壓型逆變電路4.2.1 單相半橋型逆變電路4.2.2 單相全橋型逆變電路4.2.3 三相電壓型逆變電路224.2.1 單相半橋型逆變電路+- -RLa)UdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2半橋逆變電路有兩個橋臂，每個橋臂有一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的聯(lián)結(jié)點是直流電源的中點。負載聯(lián)結(jié)在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)結(jié)點之間。23設(shè)開關(guān)器件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。當(dāng)負載為感性時，工作波

11、形如圖所示ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD224 輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2 輸出電流io波形隨負載情況而異。 t2時刻以前V1通，V2斷 t2時刻給V1關(guān)斷信號，給 V2開通信號，則V1關(guān)斷，但感性負載中io不能立即改變方向，于是VD2導(dǎo)通續(xù)流。ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1

12、VD225ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2 t3時刻io降為零時，VD2截止，V2開通，io開始反向并逐漸增大。 t4時刻給V2關(guān)斷信號，給V1開通信號，V2關(guān)斷，VD1先導(dǎo)通續(xù)流，t5時刻V1才開通。26ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2 V1或V2通時，負載電流io和電壓uo同方向，直

13、流側(cè)向負載提供能量 VD1或VD2通時，io和uo反向，負載電感中貯藏的能量向直流側(cè)反饋27負載電感將其吸收的無功能量反饋回直流側(cè)，反饋回的能量暫時儲存在直流側(cè)電容器中，直流側(cè)電容器起著緩沖這種無功能量的作用。二極管反饋二極管反饋二極管續(xù)流二極管續(xù)流二極管是負載向直流側(cè)反饋能量的通道使負載電流連續(xù)u可控器件是不具有門極可關(guān)斷能力的晶閘管時，須附加強迫換流電路才能正常工作。28半橋逆變電路特點半橋逆變電路特點 優(yōu)點 簡單，使用器件少 缺點 輸出交流電壓幅值Um僅為Ud/2，直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，工作時要控制兩個電容器電壓均衡半橋逆變電路常用于幾kW以下的小功率逆變電源294.2 電壓型逆變電路4

14、.2.1 單相半橋型逆變電路4.2.2 單相全橋型逆變電路4.2.3 三相電壓型逆變電路30+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio電壓型全橋逆變電路可看成由兩個半橋電路組合而成，共4個橋臂，橋臂1和4為一對，橋臂2和3為另一對，成對橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通1804.2.2 單相全橋型逆變電路31ttOOONuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2單相半橋電壓型逆變電路工作波形l電壓型全橋逆變電路輸出電壓uo的波形和半橋電路的波形uo形狀相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，Um=Udl 輸出電流io波形和半橋電路的io形

15、狀相同，幅值增加一倍l VD1 、V1、VD2、V2相繼導(dǎo)通的區(qū)間，分別對應(yīng)VD1和VD4、V1和V4、VD2和VD3、V2和V3相繼導(dǎo)通的區(qū)間32全橋逆變電路是單相逆變電路中應(yīng)用最多的，對電壓波形進行定量分析將幅值為Uo的矩形波uo展開成傅里葉級數(shù)，得其中基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為 tttUu5sin513sin31sin4doddo1m27. 14UUUdd1o9 . 022UUU33上述公式對半橋逆變電路也適用，將式中的ud換成Ud /2 uo為正負電壓各為180的脈沖時，要改變輸出電壓有效值只能通過改變輸出直流電壓Ud來實現(xiàn)34采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓實際就是調(diào)

16、節(jié)輸出電壓脈沖的寬度移相調(diào)壓移相調(diào)壓 各IGBT柵極信號為180正偏，180反偏，且V1和V2柵極信號互補，V3和V4柵極信號互補 V3的基極信號不是比V1落后180，而是只落后q ( 0 q 180) V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180-q 輸出電壓uo是正負各為q 的脈沖+- -CRLUdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4+- -CRLUdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD435l t1時刻前V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓uo為udl t1時刻V3和V4柵極信號反向，V4截止，因io不能突變，V3不能立即導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流，因V1和VD3同時導(dǎo)通，所以輸

17、出電壓為零 各IGBT柵極信號uG1uG4及輸出電壓uo、輸出電流io的波形tOtOtOtOtOq quG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouotOtOtOtOtOq quG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo36tOtOtOtOtOq quG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouotOtOtOtOtOq quG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouol t2時刻V1和V2柵極信號反向， V1截止， V2不能立即導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，輸出電壓為-Udl 到負載電流過零開始反向， VD2和VD3截止， V2和V3開始導(dǎo)通， uo仍為-

18、Ud37tOtOtOtOtOq quG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouotOtOtOtOtOq quG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouol t3時刻V3和V4柵極信號再次反向， V3截止， V4不能立刻導(dǎo)通， VD4導(dǎo)通續(xù)流， uo再次為零l 輸出電壓uo的正負脈沖寬度各為 ，改變 ，可調(diào)節(jié)輸出電壓384.2 電壓型逆變電路4.2.1 單相半橋型逆變電路4.2.2 單相全橋型逆變電路4.2.3 三相電壓型逆變電路394.2.3 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，采用IGBT作為開關(guān)器件的電壓型三相橋式逆變電路可看成由三個半橋逆變電路組成。l

19、 電壓型三相橋式逆變電路也是180導(dǎo)電方式l 每橋臂導(dǎo)電角度180，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度依次相差120 l 在任一瞬間將有三個橋臂同時導(dǎo)通 180導(dǎo)電方式?jīng)Q定決定l 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換縱向換流流NN+- -V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2NN+- -ABCV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud240tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c )d)e )f )g)h)uANuANuABiAiduBNuCNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud341A相輸出相輸出 當(dāng)橋臂1導(dǎo)

20、通時， uAN =Ud /2； 當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時，uAN=Ud /2 uAN的波形幅值是為Ud/2的矩形波 B、C兩相情況和兩相情況和A相類似相類似uBN 、 uCN的波形形狀與uAN相同，只是依次相差12042tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f )g)h)uANuANuABiAiduBNuCNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud343 負載線電壓 ANCNCACNBNBCBNANABuuuuuuuuu44tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f )g)h)uANuANuABiAiduBNuCNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud345負載相電壓將上兩式整理得負載中

21、點N和電源中點N之間電壓uNN NN CNCN NN BNBN NN ANANuuuuuuuuu)(31)(31CNBNAN CN BN AN NNuuuuuuu46)(31 CN BN ANNNuuuu負載為三相對稱負載，則有 uAN+uBN+uCN=0，可得47tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f )g)h)uANuANuABiAiduBNuCNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud348 uNN的 也是矩形波，但其頻率為uAN頻率的3倍，幅值為其1/3,即為Ud / 6負載參數(shù)已知時，可由uAN波形求出A相電流iA波形，負載的阻抗角j不同，iA的波形形狀和相位都有所不同 j

22、60j6049tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f )g)h)uANuANuABiAiduBNuCNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud350t 橋臂1和橋臂4之間的換流過程和半橋電路相似。t上橋臂1中的V1從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時，因負載電感中的電流不能突變，下橋臂4中的VD4先導(dǎo)通續(xù)流，待負載電流降為零，橋臂4中電流反向時，V4才開始導(dǎo)通。t負載的阻抗角j越大， VD4 導(dǎo)通時間越長。51t iA的上升段為橋臂1導(dǎo)電的區(qū)間，其中iA0時為V1導(dǎo)通。t iA的下降段為橋臂4導(dǎo)電的區(qū)間，其中iA0時為VD4導(dǎo)通，iA0時為V4導(dǎo)通。t iB、 iC的 波形和iA形狀相同，相位依次相差

23、120。t橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每隔60脈動一次，直流側(cè)電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的，這也是電壓型逆變電路的一個特點52tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f )g)h)uANuANuABiAiduBNuCNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud353三橋式逆變電路輸出線電壓uAB展開成傅里葉級數(shù)得式中，n=6k1,k為自然數(shù)輸出線電壓有效值UAB為基波幅值為nktnntUtttttUusin) 1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddABd202ABAB816.0d21U

24、tuUddAB1m1 . 132UUU54基波有效值為三橋式逆變電路負載相電壓uAN展開成傅里葉級數(shù)得式中，n=6k1,k為自然數(shù)負載相電壓有效值UAN為ddAB1mAB178. 062UUUUntnntUtttttUusin1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2ddANd202ANAN471.0d21UtuU55基波幅值為基波有效值為ddAN1m637.02UUUdAN1mAN145.02UUU56單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路 電流型逆變電路電流型逆變電路57電路原理電路原理圖圖5 512 12 單相橋式電流型單

25、相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路（并聯(lián)諧振式）逆變電路由四個橋臂構(gòu)成，每個由四個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用來限制晶個電抗器，用來限制晶閘管開通時的閘管開通時的d di i/d/dt t工作方式為工作方式為負載換相負載換相電容電容C C和和L L 、R R構(gòu)成并聯(lián)構(gòu)成并聯(lián)諧振電路諧振電路輸出電流波形接近矩形輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于波，且諧波幅值遠小于基波基波單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路58圖圖5 51313并聯(lián)諧振式逆變并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形電路工作波形工作分析工作分析一個周期內(nèi)有兩個導(dǎo)

26、通一個周期內(nèi)有兩個導(dǎo)通階段和兩個換流階段階段和兩個換流階段t t1 1- -t t2 2：VTVT1 1和和VTVT4 4穩(wěn)定導(dǎo)通階段穩(wěn)定導(dǎo)通階段，i i= =I Id d，t t2 2時刻前在時刻前在C C上建立了左正右負的電壓上建立了左正右負的電壓t t2 2- -t t4 4：t t2 2時觸發(fā)時觸發(fā)VTVT2 2和和VTVT3 3開通，因為兩管開通，因為兩管承受正向電壓，所以能夠?qū)?，電路進入承受正向電壓，所以能夠?qū)?，電路進入換流階段換流階段L LT T使使VTVT1 1、VTVT4 4不能立刻關(guān)斷，電流有一個不能立刻關(guān)斷，電流有一個 減小過程。減小過程。VTVT2 2、VTVT3 3電流有一個增大過程電流有一個增大過程4 4個晶閘管全部導(dǎo)通，負載電容電壓經(jīng)兩個晶閘管全部導(dǎo)通，負載電容電壓經(jīng)兩 個并聯(lián)的放電回路同時放電。個并聯(lián)的放電回路同時放電。L LT1T1、VTVT1 1、VTVT3 3、L LT3T3到到C C；另一個經(jīng)；另一個經(jīng)L LT2T2、 VTVT2 2、VTVT4 4、L LT4T4到到C C單相電流型逆變電路單相電流