(4)--第4章 逆变电路电力电子技术.ppt

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1、华东理工大学5-1第第4章章 逆变电路逆变电路 4.1 4.1 换流换流换流换流方式方式方式方式 4.2 4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路电压型逆变电路电压型逆变电路 华东理工大学5-2第第4章章 逆逆变电路变电路 引言引言逆变的概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电。交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变无源逆变。逆变与变频变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。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。主要应用各种直流电源，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、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。

2、本章讲述无源逆变华东理工大学5-34.1 换流方式换流方式 4.1.14.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 4.1.24.1.2 换流方式分类换流方式分类换流方式分类换流方式分类华东理工大学5-4以单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理4.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理图4-1 逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。华东理工大学5-54.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理S1、

3、S4闭合闭合，S2、S3断开断开时，负载电压uo为正正。S1、S4断开断开，S2、S3闭合闭合时，负载电压uo为负负。直流电交流电华东理工大学5-64.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理逆逆变变电电路路最最基基本本的的工工作作原原理理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。图4-1 逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电电阻阻负负载载时，负载电流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻阻感感负负载载时，i io o相位滞后于u uo o，电感波形也不同。会经历：电感储能电感释能电感储能（反向）电感释能（反向）。华东理工大学5-74.1.2 换流方式

4、分类换流方式分类换流换流在各种变流电路中存在的共性问题。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。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。关断：全控型器件可通过门极关断。半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在本章集中讲述。华东理工大学5-84.1.2 换流方式分类换流方式分类1)器件换流（Device Commutation）利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件

5、换流。以下几种针对SCR，其关断不易实现。2)电网换流（Line Commutation）电网提供换流电压的换流方式。利用电网正负交变，将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。适用于可控整流、交流调压、有源逆变电路中；不适用于没有交流电网的无源逆变电路。3)负载换流（Load Commutation）4)强迫换流（Forced Commutation）华东理工大学5-93）负载换流）负载换流图4-2 负载换流电路及其工作波形 由负载提供换流电压的换流方式。负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。如图是基本的负载换流负载换流电路，4个桥臂均由晶闸管组成。整个负载工作在接近

6、并联谐振状态接近并联谐振状态而略呈容性而略呈容性。直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动。io 近似方波。负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以uo接近正弦波接近正弦波。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4华东理工大学5-10复习：复习：非理想情况下的并联谐振非理想情况下的并联谐振L+CR、同相位时，称电路发生谐振同相位时，称电路发生谐振电路阻抗：电路阻抗：令虚部为令虚部为0，则：，则：解此方程，得：解此方程，得：华东理工大学5-11并联谐振电路总阻抗的大小并联谐振电路总阻抗的大小将将代入代入Z式，得谐振时电路

7、阻抗为：式，得谐振时电路阻抗为：Z0什么性质？电感性？电容性？电阻性？什么性质？电感性？电容性？电阻性？并联谐振曲线并联谐振曲线 并联谐振时阻抗并联谐振时阻抗达最大值达最大值Z0，总电，总电流达最小值流达最小值I0容性容性感性感性阻性阻性Z0I0华东理工大学5-12思考：为什么思考：为什么Uo近似正弦波？近似正弦波？谐振点的频率约等于电流换流切换的频率；电流io近似方波，其基波分量就是换流频率的正弦波。并联谐振对基波分量呈现高阻态，Uo基波幅度大；对高次谐波呈现低阻态，Uo谐波幅度小。所以，Uo近似正弦波。负载略呈容性，故Uo略滞后于io。容性容性感性感性阻阻性性Z0I0谐振时电压电流同相位，

8、阻抗呈现电阻性。并联谐振时呈现高阻态，阻抗最大，电流最小华东理工大学5-13分析换流瞬间：分析换流瞬间：VT1VT3由于Uo略滞后于io，在t1时刻，电容C两端电压左正右负，此刻VT3触发导通，VT1上负下正，承受反压而关断。注意注意触发VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。a)?t?t?t?tOOOOiit1b)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4华东理工大学5-144)强迫换流（强迫换流（Forced Commutation）由换流电路内电容直接提供换流电压直接耦合式强迫换流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

9、流电流电感耦合式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压或反电流的换流方式称为强迫换流强迫换流。通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流电容换流。分类华东理工大学5-15直接耦合式直接耦合式强迫换流 当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关断。也叫电压换流电压换流。图4-3直接耦合式强迫换流原理图图4-4 电感耦合式强迫换流原理图电感耦合式电感耦合式强迫换流 先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压。也叫电流换流电流换流。华东理工大学5-16换流方式总结：器件换流适用于全控型器件。其余三种方式针对晶闸管。器件换

10、流和强迫换流属于自换流。电网换流和负载换流属于外部换流。当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭熄灭。华东理工大学5-174.2 电压型逆变电路电压型逆变电路1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同根据直流侧电源性质的不同电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电压源电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路Current Source Type Inverter-VSTI直流侧是电流源电流源华东理工大学5-182）电压型逆变电路的特点为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆

11、变桥各臂IGBT并联反馈二极管。（逆导开关）(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动无脉动。（滤波作用）(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。(3)阻感负载时需电源提供无功功率，而直流侧大电容起到缓冲无功能量的作用。图 4-5 电压型逆变电路（全桥逆变电路）华东理工大学5-19逆变电路分析时重点掌握逆变电路分析时重点掌握开关器件的控制方式输出电压波形输出交流电压有效值如何改变华东理工大学5-204.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路电路结构：大电容一分为二分析；2个逆导开关；阻感负载：DC侧中点和半桥中点之间。1）半桥逆变电路）半桥逆变电路图46 单相半

12、桥电压型逆变电路华东理工大学5-21u图46 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2控制方式：180 方波控制，V1，V2互补通断。V1通，V2断：Uo=+Ud/2；V2通，V1断：Uo=-Ud/2。输出波形：正负对称180 方波，平均值为0。通过改变直流侧Ud来调节输出交流电压的有效值。华东理工大学5-22由于阻感负载，电流不能立即反向，VD1、VD2起到续流作用，io输出波形近似锯齿波。V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧

13、反馈。直流侧大电容起到缓冲无功能量的作用。图46 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形另：正弦PWM控制方式（后续章节将介绍）华东理工大学5-23半桥逆变电路，在纯电阻负载的时候另一种控制方法：改变正负脉冲宽度的控制方法。上下桥臂的栅极信号不再是各180正偏、180反偏并且互补。而是正负半周各导通。注意：仅适用纯电阻负载。输出电压Uo也是正负脉冲宽度各为。华东理工大学5-242)全桥逆变电路全桥逆变电路电路结构：共四个桥臂，可看成两个半桥单元组合而成。负载接在两个半桥单元中点之间图47 单相桥式电压型逆变电路华东理工大学5-25移相调压移相调压控制方式控制方式两个半桥：V3的基极信号比V1落后q

14、（0 q 180）。输出电压：正负各为q的脉冲。幅度+/-Ud。改变q就可调节输出电压。每个半桥：180 方波控制，上下互补通断。图47 单相桥式电压型逆变电路及波形华东理工大学5-26固定180 移相方波控制方式每个半桥：180 方波控制，上下互补通断。两个半桥：q 固定=180。对角V1、V4和V2、V3各轮换导通180。输出电压：正负对称180 方波。幅度+/-Ud。只通过改变DC侧Ud来调节输出电压有效值大小。图47 单相桥式电压型逆变电路波形华东理工大学5-274.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路电路结构：图4-9 三相电压型桥式逆变电路三个单相逆变单元组合；三相负载对应

15、三个半桥输出端，Y型连接区别：Y型连接中点N；DC侧中点N。N与N连与不连，波形区别很大。通常不连。back华东理工大学5-28基本工作方式180导电方式导电方式图图4-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形三半桥各按180方波控制方式，同一相上下两臂交替导电。三半桥之间开始导电的角度差120。华东理工大学5-29波形分析图图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形负载各相到电源中点N的电压：正负对称180 方波，幅度 Ud/2（同半桥逆变单元）实际负载输出电压应该相对于Y型中点N。分析NN之间电压华东理工大学5-30波形分析负载线电压负载相电压图图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形转波形

16、华东理工大学5-31负载中点和电源中点间电压 (4-6)负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是 (4-7)负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。华东理工大学5-32相电压电平（对应于电源的中心点）有Ud/2两种，是180的矩形波；输出线电压是120 的矩形波，有Ud/2，0三种电平；NN之间电压是三倍频的相电压；真正的相电压（对应于负载的中心点）是六拍的阶梯波。电流要考虑续流二极管

17、的换流过程。华东理工大学5-33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短路，应采取“先断后通先断后通”。即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，两者之间留一定的“死区时间死区时间”。“先先断断后后通通”对其他工作在上下桥臂通断互补方式下的其他电路都是适用的。数量分析见教材。华东理工大学5-34第第4章章 逆逆变电路变电路 小结小结讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电路更为基本、更为重要换流方式换流方式分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网

18、换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。华东理工大学5-35第第4章章 逆逆变电路变电路 小结小结逆变电路重点逆变电路重点换流的思想。各种逆变电路的电路结构，控制方式，输出电压、电流的波形，换流方式。本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类。电压型逆变电路：电压型逆变电路：输出电压为方波，输出电流根据负载分析，全控型器件反并联续流二极管（逆导开关），器件换流。电流型逆变电路：电流型逆变电路：输出电流为方波，输出电压根据负载分析。串联二极管式晶闸管逆变电路，强迫换流。理解三相的时候可以联系三相有源逆变电路来理解，它们的电路结构、控制方式（触发脉冲的顺序和间隔），输出电压和电流的波形。华东理工大学5-36第第4章章 逆逆变电路变电路 小结小结与其它章的关系与其它章的关系本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整。第8章的PWM控制技术在逆变电路中应用最多，绝大部分逆变电路都是PWM控制的，学完下一章才能对逆变电路有一个较为完整的认识。逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二都结合构成间接交流变流电路。此外，间接直流变流电路大量用于开关电源，其中的核心电路仍是逆变电路。学完后，对逆变电路及其应用将有更完整的认识。