第十六講 逆變電路

第十六講逆變電路第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三引言逆變的概念逆變——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，當(dāng)需要這些電源為交流負(fù)載供電時(shí)，就需要無源逆變電路。本章講述無源逆變第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三引言主要應(yīng)用交直交變頻電路（VariableVoltageVariableFrequency—VVVF），主要用作變頻器，作為交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速用驅(qū)動(dòng)電源。恒壓恒頻變流電路（ConstantVoltageConstantFrequency—CVCF），主要用作不間斷電源（UninterruptablePowerSupply——UPS），廣泛應(yīng)用于各種對交流供電可靠性和供電質(zhì)量要求高的場合。除UPS外，航空機(jī)載電源、機(jī)車照明通信等輔助電源也要用CVCF電源。為減少體積和重量，這類電源頻率多為400Hz。第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三UPS基本工作原理市電正常時(shí)，由市電供電，市電經(jīng)整流器整流為直流，再逆變?yōu)?0Hz恒頻恒壓的交流電向負(fù)載供電。同時(shí)，整流器輸出給蓄電池充電，保證蓄電池的電量充足。此時(shí)負(fù)載可得到高質(zhì)量的交流電壓，具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻性能，也稱為穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。逆變器實(shí)例第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三恒壓恒頻（CVCF）電源UPS主電路結(jié)構(gòu)小容量的UPS，整流部分使用二極管整流器和直流斬波器（PFC），可獲得較高的交流輸入功率因數(shù)，逆變器部分使用IGBT并采用PWM控制，可獲得良好的控制性能。大容量UPS主電路。采用PWM控制的逆變器開關(guān)頻率較低，通過多重化聯(lián)結(jié)降低輸出電壓中的諧波分量。

圖8-13小容量UPS主電路圖8-14大功率UPS主電路第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理逆變電路的基本工作原理S1~S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正。S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)。直流電交流電第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三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5-1逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同。第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三換流方式分類

〔換流〕：電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱換相。開通方式：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號就可使其開通關(guān)斷方式：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(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。第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三換流方式分類1)器件換流（DeviceCommutation）利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。在采用IGBT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（LineCommutation）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。3)

負(fù)載換流（LoadCommutation）4)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三換流方式分類圖5-2負(fù)載換流電路及其工作波形

負(fù)載換流方式負(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。右圖是基本的負(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)。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三換流方式分類工作過程4個(gè)臂的切換僅使電流路徑改變，負(fù)載電流基本呈矩形波負(fù)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，對諧波阻抗很小，即將uo波形中的諧波成分濾除，而使之接近正弦波（基波）。t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3斷，uo、io均為正，VT2、VT3承受正向電壓uot1時(shí)：觸發(fā)VT2、VT3使其開通，uo加到VT4、VT1上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從VT1、VT4換到VT3、VT2。注意：由于有Ld作用，不會(huì)造成短路。t1必須在uo過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三換流方式分類4.強(qiáng)迫換流由換流電路內(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(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流。分類第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三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(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。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。第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三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(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。第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三電壓型逆變電路1）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——又稱為電壓源型逆變電路VoltageSourceTypeInverter-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CurrentSourceTypeInverter-CSTI直流側(cè)是電流源第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三電壓型逆變電路2）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)。(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。第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三單相電壓型逆變電路1）半橋逆變電路u圖5－6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形工作原理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為矩形波，幅值為Um=Ud/2。V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時(shí)，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。第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三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、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合。第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三單相電壓型逆變電路2)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。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)。第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三

單相電壓型逆變電路輸出電壓定量分析

uo成傅里葉級數(shù)

基波幅值基波有效值

當(dāng)uo為正負(fù)各180°時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實(shí)現(xiàn)第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三單相電壓型逆變電路調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓Ud的辦法第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三單相電壓型逆變電路阻感負(fù)載時(shí)，還可采用移相的方式來調(diào)節(jié)輸出電壓－移相調(diào)壓。V3的柵極信號比V1落后q（0＜q＜180°）。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1前移180°－q。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。第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三單相電壓型逆變電路3）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1：1：1時(shí)，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。與全橋電路的比較：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。第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三三相電壓型逆變電路三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路圖5-9三相電壓型橋式逆變電路第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三三相電壓型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(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。負(fù)載各相到電源中點(diǎn)N‘的電壓：U相，上橋臂通，uUN’=Ud/2，下橋臂通，uUN'=-Ud/2。導(dǎo)通順序？第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三三相電壓型逆變電路負(fù)載線電壓負(fù)載相電壓負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓

負(fù)載三相對稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三三相電壓型逆變電路第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三三相電壓型逆變電路負(fù)載已知時(shí)，可由uUN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(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，這是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”第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三三相電壓型逆變電路定量分析：輸出線電壓

uUV展開成傅里葉級數(shù)