電力電子技術(shù)及應(yīng)用課件11

第4章逆變電路

4.1換流方式

4.2電壓型逆變電路

4.3電流型逆變電路

4.4多重逆變電路和多電平逆變電路

本章小結(jié)12/27/20231引言■逆變的概念

◆與整流相對(duì)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(wú)源逆變，本章主要講述無(wú)源逆變?！瞿孀兣c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。■逆變電路的主要應(yīng)用◆各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽(yáng)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都是逆變電路。最簡(jiǎn)單的二極管逆變器12/27/202324.1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(lèi)12/27/202334.1.1逆變電路的基本工作原理■以單相橋式逆變電路為例說(shuō)明最基本的工作原理◆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。

負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2◆當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正；當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，uo為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電。

◆改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。

◆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。圖4-1逆變電路及其波形舉例

12/27/202344.1.2換流方式分類(lèi)■換流

◆電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱為換相。◆研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷?！鰮Q流方式分為以下幾種

◆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、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。

◆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(mén)極可關(guān)斷能力，但不適用于沒(méi)有交流電網(wǎng)的無(wú)源逆變電路。12/27/202354.1.2換流方式分類(lèi)a)uωtωtωtωtOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4圖4-2負(fù)載換流電路及其工作波形

◆負(fù)載換流（LoadCommutation）

?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(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流，如電容性負(fù)載和同步電動(dòng)機(jī)。?圖4-2a是基本的負(fù)載換流逆變電路，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)串大電感，工作過(guò)程可認(rèn)為id基本沒(méi)有脈動(dòng)。

√負(fù)載對(duì)基波的阻抗大而對(duì)諧波的阻抗小，所以u(píng)o接近正弦波。

√注意觸發(fā)VT2、VT3的時(shí)刻t1必須在uo過(guò)零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。12/27/202364.1.2換流方式分類(lèi)◆強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）

?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(lái)實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流。

?分類(lèi)

√直接耦合式強(qiáng)迫換流：由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓。

√電感耦合式強(qiáng)迫換流：通過(guò)換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來(lái)提供換流電壓或換流電流。

?直接耦合式強(qiáng)迫換流

√如圖4-3，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4-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖

12/27/202374.1.2換流方式分類(lèi)?電感耦合式強(qiáng)迫換流

√圖4-4a中晶閘管在LC振蕩第一個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷，圖4-4b中晶閘管在LC振蕩第二個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷，注意兩圖中電容所充的電壓極性不同。

√在這兩種情況下，晶閘管都是在正向電流減至零且二極管開(kāi)始流過(guò)電流時(shí)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。圖4-4電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖

■換流方式總結(jié)

◆器件換流只適用于全控型器件，其余三種方式主要是針對(duì)晶閘管而言的。

◆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)榱悖瑒t稱為熄滅。

12/27/202384.2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12/27/202394.2電壓型逆變電路·引言■根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同，可以分為兩類(lèi)

◆電壓型逆變電路：直流側(cè)是電壓源。

◆電流型逆變電路：直流側(cè)是電流源?！鲭妷盒湍孀冸娐返奶攸c(diǎn)

◆直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)。

◆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(shí)需提供無(wú)功功率，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。圖4-5電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路）

并聯(lián)大電容串聯(lián)大電感12/27/2023104.2.1單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖4-6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形

■半橋逆變電路

◆在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)便成為直流電源的中點(diǎn)，負(fù)載聯(lián)接在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。

◆工作原理

?設(shè)開(kāi)關(guān)器件V1和V2的柵極信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補(bǔ)。

?輸出電壓uo為矩形波，其幅值為Um=Ud/2。

?電路帶阻感負(fù)載，t2時(shí)刻給V1關(guān)斷信號(hào)，給V2開(kāi)通信號(hào)，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(shí)刻io降零時(shí)，VD2截止，V2開(kāi)通，io開(kāi)始反向，由此得出如圖所示的電流波形。

12/27/2023114.2.1單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖4-6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形

?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?！魞?yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，使用器件少；其缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)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。

12/27/2023124.2.1單相電壓型逆變電路■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(duì)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，但幅值高出一倍。

◆在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過(guò)改變直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)。

◆Ud的矩形波uo展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為

圖4-5全橋逆變電路

(4-1)(4-2)(4-3)12/27/2023134.2.1單相電壓型逆變電路a)b)圖4-7單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式

◆移相調(diào)壓方式

?V3的基極信號(hào)比V1落后

（0＜

＜180°）。V3、V4的柵極信號(hào)分別比V2、V1的前移180°-

。輸出電壓是正負(fù)各為

的脈沖。

?工作過(guò)程

√t1時(shí)刻前V1和V4導(dǎo)通，

uo=Ud。

√t1時(shí)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(shí)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(guò)零并開(kāi)始反向時(shí)，VD2和VD3截止，V2和V3開(kāi)始導(dǎo)通，uo仍為-Ud。

√t3時(shí)刻V3截止，而V4不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，uo再次為零。?改變

就可調(diào)節(jié)輸出電壓。12/27/2023144.2.1單相電壓型逆變電路圖4-8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(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(wú)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(shí)，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。

◆與全橋電路相比較

?比全橋電路少用一半開(kāi)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。

12/27/2023154.2.2三相電壓型逆變電路■三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路?！鋈鄻蚴侥孀冸娐?/p>

◆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(kāi)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。圖4-9三相電壓型橋式逆變電路

假想中點(diǎn)12/27/2023164.2.2三相電壓型逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形

■工作波形

◆對(duì)于U相輸出來(lái)說(shuō)，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，uUN’=Ud/2，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)，uUN’=-Ud/2，uUN’的波形是幅值為Ud/2的矩形波，V、W兩相的情況和U相類(lèi)似?！糌?fù)載線電壓uUV、uVW、uWU可由下式求出◆負(fù)載各相的相電壓分別為

(4-4)(4-5)12/27/2023174.2.2三相電壓型逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形

◆把上面各式相加并整理可求得設(shè)負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)載，則有uUN+uVN+uWN=0，故可得

◆負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可以由uUN的波形求出U相電流iU的波形，圖4-10g給出的是阻感負(fù)載下時(shí)iU的波形。

◆把橋臂1、3、5的電流加起來(lái)，就可得到直流側(cè)電流id的波形，如圖4-10h所示，可以看出id每隔60°脈動(dòng)一次。

(4-6)(4-7)12/27/2023184.2.2三相電壓型逆變電路■基本的數(shù)量關(guān)系

◆把輸出線電壓uUV展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得