逆变电路工作原理.ppt

电压型逆变电路工作原理引言引言逆变的概念逆变的概念 与整流相对应，与整流相对应，直流电直流电变成变成交流电交流电。交流侧接电网，为交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变无源逆变，本章主要讲述无源逆变。，本章主要讲述无源逆变。逆变与变频逆变与变频 变频电路：分为变频电路：分为交交变频交交变频和和交直交变频交直交变频两种。两种。交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。后一部分就是逆变。逆变电路的逆变电路的主要应用主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。力电子装置的核心部分都是逆变电路。7.1 换流方式换流方式 7 7.1.1.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 7 7.1.2.1.2 换流方式分类换流方式分类7.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 S1S4是桥式电路的是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2 当开关当开关S1、S4闭合，闭合，S2、S3断开时，负载电压断开时，负载电压uo为正；当开关为正；当开关S1、S4断开，断开，S2、S3闭合时，闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。为负，这样就把直流电变成了交流电。改变改变两组开关的切换频率两组开关的切换频率，即可改变输出，即可改变输出交流电的频率交流电的频率。电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流io和和uo的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。阻感负载时，阻感负载时，io相位滞后于相位滞后于uo，波形也不同。，波形也不同。图图7-1 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例 7.1.2 换流方式分类换流方式分类 换流换流 电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相换相。研究换流方式主要是研究研究换流方式主要是研究如何使器件关断如何使器件关断。换流方式分为以下几种换流方式分为以下几种 器件换流（器件换流（Device CommutationDevice Commutation）利用利用全控型器件的自关断能力全控型器件的自关断能力进行换流。进行换流。在采用在采用IGBT IGBT、电力、电力MOSFET MOSFET、GTO GTO、GTRGTR等全控型器件的等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。电路中的换流方式是器件换流。电网换流（电网换流（Line CommutationLine Commutation）电网电网提供提供换流电压换流电压的换流方式。的换流方式。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。的无源逆变电路。7.1.2 换流方式分类换流方式分类a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4图图7-2 负载换流电路及其工作波形负载换流电路及其工作波形 负载换流负载换流（Load Commutation）由由负载负载提供提供换流电压换流电压的换流方式。的换流方式。负载负载电流电流的的相位超前相位超前于负载于负载电压电压的场合，的场合，都可实现负载换流，如电容性负载和同步电都可实现负载换流，如电容性负载和同步电动机。动机。图图7-2a是基本的负载换流逆变电路，整是基本的负载换流逆变电路，整个负载工作在接近个负载工作在接近并联谐振状态并联谐振状态而略呈而略呈容性容性，直流侧串大电感，工作过程可认为直流侧串大电感，工作过程可认为id基本没有基本没有脉动。脉动。负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以所以uo接近接近正弦波正弦波。注意触发注意触发VT2、VT3的时刻的时刻t1必须在必须在uo过过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。成。7.1.2 换流方式分类换流方式分类强迫换流（强迫换流（Forced Commutation）设置设置附加的换流电路附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。通常利用附加电容上所储存的能量来实现，通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为因此也称为电容换流电容换流。分类分类 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流：由换流电路内电容：由换流电路内电容直接提供换流电压。直接提供换流电压。电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的：通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流 如图如图4-3，当晶闸管当晶闸管VT处于通态时，预先给处于通态时，预先给电容充电。当电容充电。当S合上，就可使合上，就可使VT被施加反压而关被施加反压而关断。断。也叫电压换流。也叫电压换流。图图7-3 直接耦合式直接耦合式强迫换流原理图强迫换流原理图 7.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 7 7.2.1.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 7 7.2.2.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路7.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2图图7-6 单相半桥电压型逆单相半桥电压型逆变电路及其工作波形变电路及其工作波形 半桥逆变电路半桥逆变电路 在直流侧接有两个相互串联的足够大在直流侧接有两个相互串联的足够大的的电容电容，两个电容的，两个电容的联结点联结点便成为直流电便成为直流电源的源的中点中点，负载联接在直流电源中点和两，负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。个桥臂联结点之间。工作原理工作原理 设开关器件设开关器件V1和和V2的栅极信号在一的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。者互补。输出电压输出电压uo为为矩形波矩形波，其幅值为，其幅值为Um=Ud/2。电路带电路带阻感负载阻感负载，t2时刻给时刻给V1关断信关断信号，给号，给V2开通信号，则开通信号，则V1关断，但感性负关断，但感性负载中的电流载中的电流io不能立即改变方向，于是不能立即改变方向，于是VD2导通续流，当导通续流，当t3时刻时刻io降零时，降零时，VD2截止，截止，V2开通，开通，io开始反向，由此得出如图所示的开始反向，由此得出如图所示的电流波形。电流波形。7.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2图图7-6 单相半桥电压型逆单相半桥电压型逆变电路及其工作波形变电路及其工作波形 V1或或V2通时，通时，io和和uo同方向同方向，直流侧向负载提供能量；直流侧向负载提供能量；VD1或或VD2通时，通时，io和和uo反向反向，电感中贮，电感中贮能向直流侧反馈。能向直流侧反馈。VD1、VD2称为称为反馈二极管反馈二极管,它又起着使负载电流它又起着使负载电流连续的作用，又称连续的作用，又称续流二极管续流二极管。优点是简单，使用器件少；其缺优点是简单，使用器件少；其缺点是输出交流电压的幅值点是输出交流电压的幅值Um仅为仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容器串，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡；因此，半桥电路常用于压的均衡；因此，半桥电路常用于几几kW以下以下的小功率逆变电源。的小功率逆变电源。7.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路全桥逆变电路全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成共四个桥臂，可看成两个半桥电路两个半桥电路组合而成。组合而成。两对桥臂交替导通两对桥臂交替导通180。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来来实现。实现。Ud的矩形波的矩形波uo展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得其中基波的幅值其中基波的幅值Uo1m和基波有效值和基波有效值Uo1分别为分别为 图图7-5 全桥逆变电路全桥逆变电路 7.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路a)b)图图7-7 单相全桥逆变电单相全桥逆变电路的移相调压方式路的移相调压方式 移相调压方式移相调压方式 V3的基极信号比的基极信号比V1落后落后（0 180）。）。V3、V4的栅极信号分别比的栅极信号分别比V2、V1的的前移前移180-。输出电压是正负各为。输出电压是正负各为 的脉冲。的脉冲。工作过程工作过程 t1时刻前时刻前V1和和V4导通，导通，uo=Ud。t1时刻时刻V4截止，而因负载电感中的电流截止，而因负载电感中的电流io不能突变，不能突变，V3不能立刻导通，不能立刻导通，VD3导通续导通续流，流，uo=0。t2时刻时刻V1截止，而截止，而V2不能立刻导通，不能立刻导通，VD2导通续流，和导通续流，和VD3构成电流通道，构成电流通道，uo=-Ud。到负载电流过零并开始反向时，到负载电流过零并开始反向时，VD2和和VD3截止，截止，V2和和V3开始导通，开始导通，uo仍为仍为-Ud。t3时刻时刻V3截止，而截止，而V4不能立刻导通，不能立刻导通，VD4导通续流，导通续流，uo再次为零再次为零。改变改变 就可调节输出电压就可调节输出电压。7.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 基本工作方式是基本工作方式是180导电方式导电方式。同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差差120，任一瞬间有，任一瞬间有三个桥臂三个桥臂同时导通。同时导通。每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流纵向换流。图图7-9 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路 假想中点假想中点7.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图7-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形电压型三相桥式逆变电路的工作波形 工作波形工作波形 对于对于U相输出来说，当桥臂相输出来说，当桥臂1导通时，导通时，uUN=Ud/2，当桥臂，当桥臂4导通时，导通时，uUN=-Ud/2，uUN的波形是的波形是幅值为幅值为Ud/2的矩形波的矩形波，V、W两相的情况和两相的情况和U相类似。相类似。负载线电压负载线电压uUV、uVW、uWU可由下可由下式求出式求出负载各相的相电压分别为负载各相的相电压分别为 7.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图7-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形电压型三相桥式逆变电路的工作波形 把上面各式相加并整理可求得把上面各式相加并整理可求得设负载为三相对称负载，则有设负载为三相对称负载，则有uUN+uVN+uWN=0，故可得，故可得 负载参数已知时，可以由负载参数已知时，可以由uUN的波形的波形求出求出U相电流相电流iU的波形，图的波形，图7-10g给出的给出的是阻感负载下是阻感负载下 时时iU的波形。的波形。把桥臂把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得的电流加起来，就可得到直流侧电流到直流侧电流id的波形，如图的波形，如图7-10h所示，所示，可以看出可以看出id每隔每隔60脉动一次。脉动一次。7.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路基本的数量关系基本的数量关系 把输出线电压把输出线电压uUV展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得 式中，式中，k为自然数。为自然数。输出线电压有效值输出线电压有效值UUV为为 其中基波幅值其中基波幅值UUV1m和基波有效值和基波有效值UUV1分别为分别为 7.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路 把把uUN展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得 式中，式中，k为自然数。为自然数。负载相电压有效值负载相电压有效值UUN为为 其中基波幅值其中基波幅值UUN1m和基波有效值和基波有效值UUN1分别为分别为为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取要采取“先断后通先断后通”的方法。的方法。UUV7=2 Ud/（3.147 ）=22.3（V）7.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路 例：三相桥式电压型逆变电路，例：三相桥式电压型逆变电路，180180导电方式，导电方式，U Ud d=200V=200V。试求输出相电压的。试求输出相电压的基波幅值基波幅值U UUN1mUN1m和有效值和有效值U UUN1UN1、输出线电压的基波幅值、输出线电压的基波幅值U UUV1mUV1m和有效值和有效值U UUV1UV1、输、输出线电压中出线电压中7 7次谐波的有效值次谐波的有效值U UUV7UV7。解：解：0.4520090（V）0.637200127.4（V）1.1200=220（V）0.78200=156（V）