ch4-逆變電路電力電子解析課件

1、第四章 逆變電路12022/10/10第四章 逆變電路12022/10/92022/10/102逆變電路 引言逆變：將直流電變成交流電DC-AC有源逆變：交流側(cè)連接電網(wǎng)無源逆變：交流側(cè)連接負(fù)載逆變與變頻變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。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。本章學(xué)習(xí)無源逆變2022/10/92逆變電路 引言逆變：將直流電變成交流2022/10/103逆變電路 內(nèi)容4.1 換流方式4.2 電壓型逆變電路4.3

2、 電流型逆變電路4.4 多重逆變電路和多電平逆變電路2022/10/93逆變電路 內(nèi)容4.1 換流方式2022/10/1044.1 換流方式4.1.1 逆變電路的基本工作原理4.1.2 換流方式分類2022/10/944.1 換流方式4.1.1 逆變電路2022/10/1054.1.1 逆變電路的基本工作原理單相橋式逆變電路a)b)tuoiot1t2S1、S4閉合，S2、S3斷開時：負(fù)載電壓uo為正。S1、S4斷開，S2、S3閉合時：負(fù)載電壓uo為負(fù)。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。2022/10/954.1.1 逆變電路的基本工作原理單相2022/1

3、0/1064.1.2 換流方式分類換流：電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使器件開通。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。換流方式： 器件換流、電網(wǎng)換流、負(fù)載換流、強迫換流2022/10/964.1.2 換流方式分類換流：電流從一2022/10/1074.1.2 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IGBT 、電力MOSFET 、GTO 、GTR

4、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)的無源逆變電路。2022/10/974.1.2 換流方式分類1. 器件換2022/10/1084.1.2 換流方式分類3. 負(fù)載換流(Load Commutation) 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，都可實現(xiàn)負(fù)載換流，如電容性負(fù)載和同 步電動機。?t?t?t?tOOOOiit1uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uV

5、T1uVT4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。并聯(lián)諧振2022/10/984.1.2 換流方式分類3. 負(fù)載換2022/10/1094.1.2 換流方式分類4. 強迫換流(Forced Commutation) 設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流。 通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電容換流。分類：直接耦合式強迫換流；電感耦合式強迫換流2022/10/994.1.2 換流方式分類4. 強迫換2022/10/10104.1.2 換流方式分類4. 強迫換流(Forced Commutat

6、ion)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。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。2022/10/9104.1.2 換流方式分類4. 強迫2022/10/10114.1.2 換流方式分類4. 強迫換流(Forced Commutation)電感耦合式強迫換流：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 晶閘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。也叫電流換流。2022/10/

7、9114.1.2 換流方式分類4. 強迫2022/10/10124.1.2 換流方式分類換流方式小結(jié)：(1) 器件換流只適用于全控型器件，其余三種方式主要是針對晶閘管而言的。(2) 器件換流和強迫換流屬于自換流，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)榱悖瑒t稱為熄滅。2022/10/9124.1.2 換流方式分類換流方式小結(jié)2022/10/10134.2 電壓型逆變電路4.2.1 單相電壓型逆變電路4.2.2 三相電壓型逆變電路2022/10/9134.2 電壓型逆變電路4.2.1 2022/10/10144.2 電壓型逆變電路 引言

8、逆變電路的分類：根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同電壓型逆變電路VSI 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CSI 又稱為電流源型逆變電路Current Source Type Inverter-CSTI直流側(cè)是電流源2022/10/9144.2 電壓型逆變電路 引言逆變2022/10/10154.2 電壓型逆變電路 引言電壓型逆變電路的特點： 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。 由于直流電壓源的鉗位作用，輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)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

9、功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。電壓型全橋逆變電路2022/10/9154.2 電壓型逆變電路 引言電壓2022/10/10164.2.1 單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形1. 半橋逆變電路 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)點便成為直流電源的中點，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。工作原理 設(shè)開關(guān)器件V1 和V2 的柵極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二 者互補。 輸出電壓uo 為矩形波，其幅值為Um =Ud /2。2022

10、/10/9164.2.1 單相電壓型逆變電路a)t2022/10/10174.2.1 單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形1. 半橋逆變電路 電路帶阻感負(fù)載，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(fù)載中的電流io 不能立即改變方向，于是VD2 導(dǎo)通續(xù)流，當(dāng)t3 時刻io 降零時，VD2 截止， V2 開通，io 開始反向，由此得出如圖所示的電流波形。 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

11、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。2022/10/9174.2.1 單相電壓型逆變電路a)t2022/10/10184.2.1 單相電壓型逆變電路1. 半橋逆變電路優(yōu)點：簡單，使用器件少；缺點：輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud /2，且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(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 幾kW以下的小功率逆變電源。2022/10/9184.2.1 單相電壓型逆變電路1. 2022/10/10194.2.1 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。

12、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來實現(xiàn)。單相全橋電壓型逆變電路2022/10/9194.2.1 單相電壓型逆變電路2. 2022/10/10204.2.1 單相電壓型逆變電路2. 全橋逆變電路 移相調(diào)壓方式a)單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo V3 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。2022/10/9204.2.1 單相電壓型逆變電路2. 2022/10/1021

13、4.2.1 單相電壓型逆變電路 移相調(diào)壓方式工作過程a)單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo t1 時刻前V1 和V4 導(dǎo)通，uo =Ud 。 t1 時刻V4 截止，而因負(fù)載電感中的電流io 不能突變，V3 不能立刻導(dǎo)通，VD3 導(dǎo)通續(xù)流，uo =0。t2 時刻V1 截止，而V2 不能立刻導(dǎo)通， VD2 導(dǎo)通續(xù)流，和VD3 構(gòu)成電流通道，uo =- Ud 。到負(fù)載電流過零并開始反向時，VD2 和VD3 截止，V2 和V3 開始導(dǎo)通，uo 仍為-Ud 。t3 時刻V3 截止，而V4 不能立刻導(dǎo)通， VD4 導(dǎo)通續(xù)流，uo 再次

14、為零。 改變 就可調(diào)節(jié)輸出電壓。2022/10/9214.2.1 單相電壓型逆變電路 移2022/10/10224.2.1 單相電壓型逆變電路3. 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)動兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。Ud 和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1時，uo 和io 波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。與全橋電路相比較 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。 必須有一個變壓器。2022/10/9224.2.1 單相電壓型逆變電路3. 2022/10/10234.2

15、.2 三相電壓型逆變電路三相橋式逆變電路 基本工作方式是180導(dǎo)電方式。 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，也稱為縱向換流。2022/10/9234.2.2 三相電壓型逆變電路三相橋2022/10/10244.2.2 三相電壓型逆變電路波形分析：負(fù)載各相到電源中點N的電壓： U相，V1通，uUN=Ud/2； V4通，uUN=-Ud/2。 V相，V3通，uVN=Ud/2； V6通，uVN=-Ud/2。 W相，V5通，uWN=Ud/2； V2通，uWN=-Ud/2。負(fù)載線電壓負(fù)載相電壓負(fù)載中點和電

16、源中點間電壓負(fù)載三相對稱時有uUN+uVN+uWN=0，于是：2022/10/9244.2.2 三相電壓型逆變電路波形分2022/10/10254.2.2 三相電壓型逆變電路電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3負(fù)載已知時，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。防止同一相上

17、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”。2022/10/9254.2.2 三相電壓型逆變電路電壓型2022/10/10264.3 電流型逆變器直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。電流型三相橋式逆變電路電流型逆變電路主要特點：(1)直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動，相當(dāng)于電流源；(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、強迫換流。2022/10/9264.3 電流型逆變器直流電源為電流源

18、2022/10/10274.3 電流型逆變器4.3.1 單相電流型逆變電路4.3.2 三相電流型逆變電路電流型逆變器應(yīng)用較少，該部分內(nèi)容自學(xué)！2022/10/9274.3 電流型逆變器4.3.1 2022/10/10284.4 多重逆變電路和多電平逆變電路電壓型逆變電路的輸出電壓是矩形波，電流型逆變電路的輸出電流是矩形波，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。引言2022/10/9284.4 多重逆變電路和多電平逆變電路202

19、2/10/10294.4 多重逆變電路和多電平逆變電路4.4.1 多重逆變電路4.4.2 多電平逆變電路2022/10/9294.4 多重逆變電路和多電平逆變電路2022/10/10304.4.1 多重逆變電路12060180tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo二重逆變電路及工作波形 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j =60,其中的3次諧波就錯開了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

20、波，3k次諧波都被抵消。結(jié)論把若干個逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來，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。2022/10/9304.4.1 多重逆變電路120602022/10/10314.4.1 多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

21、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 。 三相電壓型二重逆變電路2022/10/9314.4.1 多重逆變電路三相電壓型二2022/10/10324.4.1 多重逆變電路uUN比uU1接近正弦波。直流側(cè)電流每周期脈動12次，稱為12脈波逆變電路。使m個三相橋逆變電路的相位依次錯開p/(3m)，連同合成輸出電壓并抵消上述相位差的變壓器，就可構(gòu)成6m的脈波逆變電路。UA21UUNUU2-UB22UU1

22、(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud二次側(cè)基波電壓合成相量圖 三相電壓型二重逆變電路波形圖 2022/10/9324.4.1 多重逆變電路uUN比uU2022/10/10334.4.2 多電平逆變電路電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3 以N為參考點，輸出相電壓有Ud/2和-Ud/2兩種電平，稱為兩電平逆變電路。三相電壓型橋式逆變電路2022/10/933

23、4.4.2 多電平逆變電路電壓型三相2022/10/10344.4.2 多電平逆變電路 多電平逆變電路 逆變器能承受更高的電壓，而且相電壓的波形更接近正弦波。 常用的多電平逆變電路有中點鉗位型逆變電路，飛跨電容型逆變電路，以及單元串聯(lián)多電平逆變電路。 飛跨電容型逆變電路由于要使用較多的電容，而且要控制電容上的電壓，因此使用較少。2022/10/9344.4.2 多電平逆變電路 多電平2022/10/10354.4.2 多電平逆變電路三電平逆變電路 中點鉗位型（Neutral Point Clamped）逆變電路 電路分析 每橋臂由兩個全控器件串聯(lián)構(gòu)成，兩者都反并聯(lián)了二極管，且 中點通過鉗位二極管和直流側(cè)中 點相連。以U相為例分析工作情況 V11和V12（或VD11和VD12）通，V41和V42斷，UO間電位差為Ud/2。 V41和V42（或VD41和VD42）通，V11和V12斷，UO間電位差為-Ud/2。 V12和V41導(dǎo)通，V11和V42關(guān)斷時，UO間電位差為0。 V12和V41不能同時導(dǎo)通，iU0時，V12和VD1導(dǎo)通；iU0時，V41和VD4導(dǎo)通。2022/10/9354.4.2 多電平逆變電路三電平逆變2022/10/10364.4.