電力電子技術chapter4

05二月20231第4章逆變電路(DC/AC變換）4.1逆變電路的基本工作原理4.2電壓型逆變電路05二月20232把直流電變成交流電。交流側接有電源。交流側直接和負載連接。一般指無源逆變電路。逆變:有源逆變:無源逆變：逆變電路：逆變電路引言整流電路+逆變電路（無源）構成交-直-交電路，實現(xiàn)交-交變流。DC→ACAC→DC→AC05二月202334.1逆變電路的基本工作原理負載a)S1S2S3S4iouoUdS1~S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。當開關S1、S4

閉合，S2、

S3斷開時，負載電壓uo為正Ud；當S1、S4斷開，S2、S3閉合時，uo為負Ud。直流電變成了交流電，改變兩組開關的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。1.電路結構b)tuot1tT2.基本工作原理圖4-1逆變電路及其波形舉例Ud-Ud05二月20234負載a)S1S2S3S4iouoUdb)tuot1iot2圖5-1逆變電路及其波形舉例

當負載為電阻時，io和uo的波形相同，相位也相同。當負載為阻感時，io相位滯后于uo，波形也不同，io連續(xù)變化。

Ud-Ud05二月202354.2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05二月202364.2電壓型逆變電路電壓型逆變電路

也稱電壓源型逆變電路：直流側是電壓源+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio圖4-5電壓型全橋逆變電路(全橋逆變電路）05二月20237電壓型逆變電路的特點：1）直流側為電壓源或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動。2）輸出電壓為矩形波，與負載阻抗角無關，交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。3）當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量作用。為了給交流側向直流側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。

05二月202384.2.1單相電壓型逆變電路1．半橋逆變電路圖4-6a)單相半橋電壓型逆變電路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。在直流側接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的聯(lián)結點是直流電源的中點。負載聯(lián)結在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)結點之間。1）電路結構上橋臂下橋臂05二月20239開關器件V1和V2柵極信號uG1、uG2：在一周期內各半周正偏、半周反偏。兩者互補。2）工作原理單相半橋電壓型逆變電路uG1uG2T/2TIGBT的通斷狀態(tài)由柵極信號控制：1.柵極信號正偏，同時uce承受正壓時V導通；2.柵極信號反偏，V關斷。05二月202310圖4-6b)半橋電壓型逆變電路工作波形uG1uG2t2時刻以前V1通，V2斷。uo=Ud/2，

io

與uo方向一致并逐漸增大。

t2時刻給V1關斷信號，給V2開通信號，則V1關斷，但感性負載中io不能立即改變方向，V2

不能導通，于是VD2導通續(xù)流，io逐漸減小。uo=-Ud/205二月202311

t3時刻io降為零時，VD2截止，

V2開通，io開始反向。uo=-Ud/2t4時刻給V2關斷信號，給V1開通信號，V2關斷，由于io不能立即改變方向，V1不能導通。

VD1先導通續(xù)流，t5時刻V1才開通。uo=Ud/2uG1uG205二月202312

V1或V2通時，負載電流io和電壓uo同方向，直流側向負載提供能量。

VD1或VD2通時，io和uo反向，負載電感中貯藏的能量向直流側反饋。二極管是負載向直流側反饋能量的通道，使負載電流連續(xù)--反饋二極管，續(xù)流二極管。輸出電壓uo為矩形波，幅值為

Um=Ud/2。帶感性負載：V1→VD2→V2→VD1→V1帶阻性負載：V1→V2→V1，io與uo波形一致。05二月202313

對電壓波形進行定量分析.

將幅值為Ud/2的矩形波uo展開成傅里葉級數(shù)，得：基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為3）定量計算T/2Ud/2-Ud/2T基波05二月2023142．全橋逆變電路+-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，成對橋臂同時導通，兩對交替各導通180°1）電路結構uG1、4uG2、3--180O導電方式05二月2023152）工作原理

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=Ud圖4-6b)單相全橋電壓型逆變電路工作波形+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoioab0ua0ub0Ud/2Ud/2Udu005二月202316

輸出電流io波形和半橋電路的io形狀相同，幅值增加一倍。

VD1

、V1、VD2、V2

（半橋電路）相繼導通的區(qū)間，分別對應全橋電路VD1和VD4、V1和V4

、VD2和VD3、V2和V3

相繼導通的區(qū)間。圖4-6b)單相半橋電壓型逆變電路工作波形05二月202317

全橋逆變電路是單相逆變電路中應用最多的，對電壓波形進行定量分析將幅值為Ud的矩形波uo展開成傅里葉級數(shù)，得：基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為(4-1)(4-3)(4-2)3）定量計算T/2Ud-UdTuo05二月202318

改變輸出電壓有效值的方法：（1）

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)。（2）采用移相方式調節(jié)逆變電路的輸出電壓。05二月202319

采用移相方式調節(jié)逆變電路的輸出電壓，實際就是調節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。4）移相調壓圖4-7單相全橋逆變電路的移相調壓方式+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiotb)uouo

所謂移相：即改變θ的大小。05二月202320

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

(0<

<180°)。

V3、V4的柵極信號分別比V2

、V1的前移180°-。

輸出電壓uo是正負各為

的脈沖。tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo

各IGBT柵極信號uG1~uG4及輸出電壓uo、輸出電流io的波形見圖4-7b05二月202321tOtOtOtOtOuG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo移相調壓方式工作原理

√t1時刻前V1和V4導通，

uo=Ud。

√t1時刻V4截止，而因負載電感中的電流io不能突變，V3不能立刻導通，

VD3導通續(xù)流，uo=0。

√t2時刻V1截止，而V2不能立刻導通，

VD2導通續(xù)流，和VD3構成電流通道，uo=-Ud。

√到負載電流過零并開始反向時，VD2

和VD3截止，V2和V3開始導通，uo仍為-Ud。

√t3時刻V3截止，而V4不能立刻導通，

VD4導通續(xù)流，uo再次為零。改變就可調節(jié)輸出電壓。05二月202322

在純電阻負載時，VD1~VD4不再導通，不起續(xù)流作用，uo為零的期間，4個橋臂均不能導通，負載沒有電流。io與uo波形一致。在阻感負載時，VD1~VD4將導通起續(xù)流作用。

V1、

V4

V2、

V3

V1、

VD3

V2、

VD4

VD1、

VD4

VD2、

VD3

V1、

V405二月2023234.2.2三相電壓型逆變電路圖4-9三相電壓型橋式逆變電路

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。N'N+-UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud21）電路結構負載中點直流電源中點05二月202324每橋臂導電角度180°同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度依次相差120°。在任一瞬間將有三個橋臂同時導通。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為

縱向換流。N'N+-UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2180°導電方式2）工作原理縱向換流：V1→V4V3→V6V5→V205二月202325圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形U相電源輸出電壓

1）當橋臂1導通時，

uUN’

=Ud/2。

2）當橋臂4導通時，

uUN’=－Ud/2。

3）uUN’的波形幅值是為

Ud/2的矩形波。

V、W兩相情況和U相類似

uVN’、uWN’的波形形狀與

uUN’相同，只是依次相差

120°tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3(1)三相電源輸出電壓05二月202326

將上兩式整理得負載中點N和電源中點N′之間電壓uNN’(4-4)(4-5)(4-6)(2)三相負載相電壓電源輸出線電壓05二月202327(4-7)負載為三相對稱負載，則有uUN+uVN+uWN=0，可得uNN’的也是矩形波，但其頻率為uUN’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uUN波形求出U相電流iU波形，負載的阻抗角Ф不同，iu的波形形狀和相位都有所不同。05二月202328

三橋式逆變電路輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)得：

式中，n=6k±1,k為自然數(shù)輸出線電壓有效值UUV為：(4-8)(4-9)3）定量計算基波7次諧波05二月202329輸出線電壓基波幅值為(4-10)輸出線電壓基波有效值為(4-11)05二月202330

三橋式逆變電路電源相電壓uUN

′展開成傅里葉級數(shù)得：

電源相電壓基波幅值UUN′1m為：電源相電壓基波有效值UUN′1為：05二月202331三橋式逆變電路負載相電壓uUN展開成傅里葉級數(shù)得：

式中，n=6k±1,k為自然數(shù)。負載相電壓有效值UUN為：(4-12)(4-13)05二月202332負載相電壓基波幅值為負載相電壓基波有效值為(4-14)