第章逆變電路電力電子技術(shù)通用課件

1、第4章 逆變電路任課教師：段志梅第4章 逆變電路 逆變的概念：與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變。逆變與變頻交-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。4.1 換流方式換流：電流從變流電路的一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移。4.1.1 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負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2圖4-1 逆變電路及其波形舉例4.1.1

2、逆變電路的基本工作原理逆變電路最基本的工作原理 改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖4-1 逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載時，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時，io相位滯后于uo，波形也不同。4.1.2 換流方式分類器件開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動信號使器件開通。器件關(guān)斷：全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。4.1.2 換流方式分類1. 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I

3、GBT 、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的電路中的換流方式屬于器件換流。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，不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路?？煽卣麟娐?、三相交流調(diào)壓電路、采用相控方式的交交變頻電路。4.1.2 換流方式分類圖4-2 負(fù)載換流電路及其工作波形 3.負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓。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。 負(fù)載換流電路，4個橋臂均由晶閘管組成。整個負(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)

4、為id 基本沒有脈動。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。注意觸發(fā)VT2、VT3的時刻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)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT44.強(qiáng)迫換流（Forced Commutation）4.1.2 換流方式分類由換流電路內(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。 通常利用附加電容上所儲存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也

5、稱為電容換流。分類4.1.2 換流方式分類直接耦合式強(qiáng)迫換流 當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時，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。圖4-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖圖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 先使晶閘管電流減為零，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。4.1.2 換流方式分類換流方式總結(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)電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅。4.2 電壓型逆變電路逆變電路的分類 根據(jù)直流側(cè)電源

6、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)是電壓源電流型逆變電路又稱為電流源型逆變電路Current Source Type Inverter-CSTI直流側(cè)是電流源4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路的特點(diǎn)圖4-5 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。 (2)交流側(cè)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。4.2.1 單相電壓型逆變電路1.半橋逆變電路u圖46 單相半橋

7、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)互補(bǔ)，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2。V1或V2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。4.2.1 單相電壓型逆變電路優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，使用器件少。缺點(diǎn)：輸出交流電壓幅值為Ud/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：用于幾kW以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可

8、看成若干個半橋逆變電路的組合。4.2.1 單相電壓型逆變電路2.全橋逆變電路共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。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。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)。圖4-7 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式ttOOb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t64.2.1 單相電壓型逆變電路電壓波形的定量分析： uo展開成傅里葉級數(shù)得ttOOb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為 4.2.1 單相電壓型逆變電路阻感負(fù)載時，可用移相調(diào)壓方式來改變輸出電壓的有效值。圖4

9、-7 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoV3的基極信號比V1落后 （0180 ）。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180 。輸出電壓是正負(fù)各為的脈沖。改變就可調(diào)節(jié)輸出電壓。4.2.2 三相電壓型逆變電路三個單相半橋逆變電路組合而成。應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路圖4-9 三相電壓型橋式逆變電路 基本工作方式180導(dǎo)電方式每橋臂導(dǎo)電180，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120 。任一瞬間有三個橋臂同時導(dǎo)通。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，稱為縱向換流。4.2.2 三相電壓型逆變電路波形分析負(fù)載各相

10、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tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud34.2.2 三相電壓型逆變電路負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓 負(fù)載三相對稱時有uUN+uVN+uWN=0，于是 負(fù)載相電壓4.2.2 三相電壓型逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形4.2.2 三相電壓型逆變電路負(fù)載已知時，可由uU

11、N波形求出iU波形。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脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個特點(diǎn)。為防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短路，應(yīng)采取“先斷后通” 。tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud34.2.2 三相電壓型逆變電路基本的數(shù)量關(guān)系 把輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)得 式中， ，k為自然數(shù)。輸出線電壓有效值UUV為 其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分別為 4.2.2 三

12、相電壓型逆變電路 把uUN展開成傅里葉級數(shù)得 式中， ，k為自然數(shù)。 負(fù)載相電壓有效值UUN為 其中基波幅值UUN1m和基波有效值UUN1分別為4.2.2 三相電壓型逆變電路例：三相橋式電壓型逆變電路，180導(dǎo)電方式，Ud=200V。試求輸出相電壓的基波幅值UUN1m和有效值UUN1、輸出線電壓的基波幅值UUV1m和有效值UUV1、輸出線電壓中7次諧波的有效值UUV7。UUV7 =2 Ud/（3.147 ）=22.3（V） 4.2.2 三相電壓型逆變電路例：三相橋式電壓型逆變電路，180導(dǎo)電方式，Ud=200V。試求輸出相電壓的基波幅值UUN1m和有效值UUN1、輸出線電壓的基波幅值UUV1m

13、和有效值UUV1、輸出線電壓中7次諧波的有效值UUV7。 解： 0.4520090（V） 0.637200127.4（V） 1.1200=220（V） 0.78200=156（V） 電流型逆變電路主要特點(diǎn) (1)直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動，相當(dāng)于電流源。4.3 電流型逆變電路圖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。4.3.1 單相電流型逆變電路1.電路原理圖412 單

14、相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路由四個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用來限制晶閘管開通時的di/dt。工作方式為負(fù)載換相。電容C和L 、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。輸出電流波形接近矩形波。4.3.1單相電流型逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖413并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形2.工作分析在交流電流的一個周期內(nèi)有兩個穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個換流階段。4.3.1單相電流型逆變電路t4t2= t 稱為換流時間。保證晶閘管的可靠關(guān)斷晶閘管需一段時間才能恢復(fù)正

15、向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時間t。t= t5- t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時間tq。 。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,44.3.1 單相電流型逆變電路為保證可靠換流應(yīng)在uo過零前t = t5- t2時刻觸發(fā)VT2、VT3，t為觸發(fā)引前時間 io超前于uo的時間（負(fù)載的功率因數(shù)角） 把t表示為電角度（弧度）可得tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT

16、1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,44.3.1 單相電流型逆變電路基本的數(shù)量關(guān)系 io展開成傅里葉級數(shù)可得 負(fù)載電壓有效值Uo和直流電壓Ud的關(guān)系 其基波電流有效值Io1為 tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4cos(/2)14.3.2 三相電流型逆變電路1.電路分析 工作方式120導(dǎo)電方式每個臂一周期內(nèi)導(dǎo)電120；每個時刻上下橋臂組各有一個臂導(dǎo)通，換流方式為橫向換流。itOtOtOtOIdiViWuUVU圖4-14 電流型三相橋式逆變電路的輸出波形 圖4

17、-11 電流型三相橋式逆變電路2.波形分析輸出電流為正負(fù)脈沖各120的矩形波。與三相橋整流帶大電感負(fù)載時的交流電流波形相同。輸出線電壓波形和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，大體為正弦波。輸出交流電流的基波有效值4.3.2 三相電流型逆變電路串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路圖4-15 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機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。是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，輸出波形和圖4-14的波形大體相同。強(qiáng)迫換流方式，電容C1C6為換流電容。4.3.2 三相電流型逆變電路+-UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id換流過程分析電容器所充電壓的規(guī)律： 對

18、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： 分析從VT1向VT3換流時，圖中的C13就是圖415中的C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容。圖4-15 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 4.3.2 三相電流型逆變電路-+UVW+-UVWa)+-UVWb)-+UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id-iV圖4-16 換流過程各階段的電流路徑分析從VT1向VT

19、3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a 換流階段分為恒流放電和二極管換流兩個階段。ttOuOiUCOuC13uC5uC3-UCOIdiUiVt1t2t3圖4-17 串聯(lián)二極管晶閘管逆變電路換流過程波形4.4 多重逆變電路和多電平逆變電路電壓型逆變電路；輸出電壓是矩形波；電流型逆變電路，輸出電流是矩形波；矩形波中含有較多的諧波，對負(fù)載會產(chǎn)生不利影響。 常常采用多重逆變電路把幾個矩形波組合起來，使之成為接近正弦波的波形。 也可以改變電路結(jié)構(gòu)，構(gòu)成多電平逆變電路，它能夠輸出較多的電平，從而使輸出電壓向正弦波靠近。 4.4.1 多重逆變電路12060180tOtO

20、tO三次諧波三次諧波u1u2uo圖4-20 二重單相逆變電路 圖4-21 二重逆變電路的工作波形 二重單相電壓型逆變電路 兩個單相全橋逆變電路組成，輸出通過變壓器T1和T2串聯(lián)起來。 輸出波形 兩個單相的輸出u1和u2是180矩形波。 u1和u2相位錯開=60,3次諧波就錯開360=180，變壓器串聯(lián)合成后，3次諧波互相抵消，總輸出電壓中不含3次諧波。 uo波形是120矩形波，含6k1次諧波，3k次諧波都被抵消。4.4.1 多重逆變電路12060180tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo圖4-20 二重單相逆變電路 圖4-21 二重逆變電路的工作波形 結(jié)論 把若干個逆變電路的輸出按一定的相

21、位差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。 多重逆變電路有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種方式，電壓型逆變電路多用串聯(lián)多重方式，電流型逆變電路多用并聯(lián)多重方式。 4.4.1 多重逆變電路圖4-22 三相電壓型二重逆變電路 三相電壓型二重逆變電路 電路分析 由兩個三相橋式逆變電路構(gòu)成，輸出通過變壓器串聯(lián)合成。 兩個逆變電路均為180導(dǎo)通方式。 工作時，逆變橋II的相位比逆變橋I滯后30。 T1為/ Y聯(lián)結(jié)，線電壓變比為 ，T2一次側(cè)聯(lián)結(jié)，二次側(cè)兩繞組曲折星形接法，其二次電壓相對于一次電壓而言，比T1的接法超前30，以抵消逆變橋II比逆變橋I滯后的30，這樣uU2和uU1的基波相位就相同。 如果T2和T1一次側(cè)匝數(shù)相同，為了使uU2和uU1基波幅值相同，T2和T1二次側(cè)間的匝比就應(yīng)為 。 4.4.1 多重逆變電路UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd