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电力电子技术第四章本讲稿第一页，共二十六页第4章 无源逆变电路无源逆变电路：将直流电转换为频率、幅值固定或可变的交流电并直接供给负载的逆变电路。逆变电路应用广泛，在各种直流电池向交流负载供时，就需要逆变电路。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其电路的核心部分都是逆变电路。本讲稿第二页，共二十六页4.1 概述逆变器的分类按相数：单相、三相按输入侧直流电源：电压型、电流型按接线方式：半桥式、全桥式、推挽式按换流方式：器件换流逆变器、负载谐振式换流逆变器、强迫换流逆变器本讲稿第三页，共二十六页4.1 概述换流方式1.器件换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流。2.电网换流：由电网提供换流电压。相控整流电路和三相交流调压电路属于电网换流。需要把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断，不适用于没有交流电网的无源逆变电路。本讲稿第四页，共二十六页4.1 概述换流方式3.负载换流：由负载谐振提供换流电压负载换流的单相桥式逆变电路：大电感滤波的晶闸管桥式逆变电路负载工作在对基波电流接近并联谐振状态而略呈容性。本讲稿第五页，共二十六页4.1 概述换流方式3.负载换流负载电流基本呈矩形波 负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大而对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦波。换流必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。本讲稿第六页，共二十六页4.1 概述换流方式4.强迫换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式。晶闸管VT通态时，预先给电容C充电。合上开关S，可使晶闸管被施加反压而关断SVT负载负载+本讲稿第七页，共二十六页换流方式器件换流 只适用于全控型器件电网换流负载换流 针对晶闸管强迫换流4.1 概述本讲稿第八页，共二十六页4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路的特点：1.直流侧为电压源，或并联有大电容滤波、相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2.由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3.当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联反馈二极管。本讲稿第九页，共二十六页4.2.1 单相半桥型逆变电路每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点是直流电源的中点。负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。本讲稿第十页，共二十六页4.2.1 单相半桥型逆变电路 输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2 输出电流io波形随负载情况而异。t2-t3阶段，感性负载中io不能立即改变方向，于是VD2导通续流。直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。本讲稿第十一页，共二十六页半桥逆变电路特点半桥逆变电路特点优点：简单，使用器件少优点：简单，使用器件少缺点：输出交流电压幅值缺点：输出交流电压幅值Um仅为仅为Ud/2，直流侧需两电容器，直流侧需两电容器串联，工作时要控制两个电容器电压均衡。串联，工作时要控制两个电容器电压均衡。半桥逆变电路常用于几半桥逆变电路常用于几kW以下的小功率逆变电源以下的小功率逆变电源4.2.1 单相半桥型逆变电路本讲稿第十二页，共二十六页由两个半桥电路组合而成由两个半桥电路组合而成桥臂桥臂(1(1和和4)4)与桥臂与桥臂(2(2和和3)3)交替各导通交替各导通1801804.2.2 单相全桥型逆变电路本讲稿第十三页，共二十六页4.2.2 单相全桥型逆变电路全桥逆变电路在单相逆变电路中应用最广泛全桥逆变电路在单相逆变电路中应用最广泛 输出电压输出电压uo的波形是矩型波的波形是矩型波 输出电压、电流是半桥电路的一倍，输出电压、电流是半桥电路的一倍，Um=Ud 输出电压展开成傅里叶级数为输出电压展开成傅里叶级数为基波有效值为：基波有效值为：本讲稿第十四页，共二十六页4.2.2 单相全桥型逆变电路移相调压本讲稿第十五页，共二十六页4.2.2 单相全桥型逆变电路各各IGBT栅极驱动信号为栅极驱动信号为180宽度的脉冲宽度的脉冲V1和和V2栅极信号互补，栅极信号互补，V3和和V4栅极信号互补栅极信号互补V3的基极信号比的基极信号比V1落后落后(0 180)输出电压输出电压uo是幅值为是幅值为Ud、宽度为、宽度为 的正负交变的矩形的正负交变的矩形波波本讲稿第十六页，共二十六页4.2.3 三相电压型逆变电路180导电方式：每桥臂导电角度180,任一时刻有三个管子导通纵向换流：同一相上下两臂交替导电，相互换流本讲稿第十七页，共二十六页本讲稿第十八页，共二十六页 负载线电压负载线电压负载相电压负载相电压负载中点负载中点N和电源中点和电源中点N之之间电压间电压uNN本讲稿第十九页，共二十六页4.2.3 三相电压型逆变电路各相开始导电的角度依次相差120在任一瞬间将有三个桥臂同时导通相电压的波形是阶梯波无功能量缓冲：上桥臂1中的V1从通态转换到断态时，因负载电感中的电流不能突变，下桥臂4中的VD4先导通续流，待负载电流降为零，桥臂4中电流反向时，V4才开始导通。负载的阻抗角越大，VD4 导通时间越长。本讲稿第二十页，共二十六页uNN的 也是矩形波，但其频率为uAN频率的3倍，幅值为其1/3，即为Ud/6。负载参数已知时，可由uAN波形求出A相电流iA波形，负载的阻抗角不同，iA的波形形状和相位都有所不同桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每隔60脉动一次逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的本讲稿第二十一页，共二十六页三桥式逆变电路输出线电压uAB展开成傅里叶级数得输出线电压的总有效值为基波有效值为4.2.3 三相电压型逆变电路本讲稿第二十二页，共二十六页4.3 电流型逆变电路电流型逆变电路主要特点电流型逆变电路主要特点1.直直流流侧侧串串联联有有大大电电感感，相相当当于于电电流流源源。直直流流侧侧电电流流基基本本无无脉动，直流回路呈现高阻抗。脉动，直流回路呈现高阻抗。2.交交流流侧侧输输出出电电流流波波形形为为矩矩形形波波，电电压压波波形形和和相相位位则则因因负负载载阻阻抗情况的不同而不同。抗情况的不同而不同。3.当当交交流流侧侧为为阻阻感感负负载载时时需需要要提提供供无无功功功功率率，直直流流侧侧电电感感起起缓缓冲冲无无功功能能量量的的作作用用，由由于于反反馈馈无无功功能能量量时时直直流流电电流流并不反向，因此不必给开关器件反并联二极管并不反向，因此不必给开关器件反并联二极管。本讲稿第二十三页，共二十六页4.3 电流型逆变电路120导电方式导电方式：每个臂一周期内导电：每个臂一周期内导电120，按，按VT1-VT6的顺序每隔的顺序每隔60依次导通，依次导通，任一时刻有两个管子导通。任一时刻有两个管子导通。横向换流横向换流：在上下桥臂组内依次换流，每时刻上下桥臂组各有一个臂：在上下桥臂组内依次换流，每时刻上下桥臂组各有一个臂导通导通本讲稿第二十四页，共二十六页4.3 电流型逆变电路 输出电流波形是正负各输出电流波形是正负各120的的矩形波。矩形波。与三相桥式可控整流电路在与三相桥式可控整流电路在大电感负载下的交流输入电大电感负载下的交流输入电流波形相同。流波形相同。输出线电压波形和负载性质输出线电压波形和负载性质有关。有关。输出交流电流的基波有效值输出交流电流的基波有效值IA1和直流电流和直流电流Id的关系为的关系为本讲稿第二十五页，共二十六页4.3 电流型逆变电路电压型逆变器与电流型逆变器的比较电压型逆变器与电流型逆变器的比较滤波环节滤波环节电压型变换器直流侧采用大电容滤波，电源阻抗小，相电压型变换器直流侧采用大电容滤波，电源阻抗小，相当于电压源；当于电压源；电流型变换器直流环节应用大电感滤波，相当于电流源。电流型变换器直流环节应用大电感滤波，相当于电流源。输出波形输出波形电压型变换器输出电压是矩形波电压型变换器输出电压是矩形波电流型变换器输出电流是矩形波电流型变换器输出电流是矩形波本讲稿第二十六页，共二十六页