逆变电路工作原理课件

电压型逆变电路工作原理1电压型逆变电路工作原理1引言引言逆逆变的概念的概念与整流相与整流相对应，直流直流电变成成交流交流电。交流交流侧接接电网，网，为有源逆有源逆变。交流交流侧接接负载，为无源逆无源逆变，本章主要，本章主要讲述无源逆述无源逆变。逆逆变与与变频变频电路：分路：分为交交交交变频和和交直交交直交变频两种。两种。交直交交直交变频由交直由交直变换（整流）和直交（整流）和直交变换两部分两部分组成，成，后一部分就是逆后一部分就是逆变。逆逆变电路的路的主要主要应用用各种直流各种直流电源，如蓄源，如蓄电池、干池、干电池、太阳能池、太阳能电池等。池等。交流交流电机机调速用速用变频器、不器、不间断断电源、感源、感应加加热电源等源等电力力电子装置的核心部分都是逆子装置的核心部分都是逆变电路。路。2引言逆变的概念27.1 换流方式流方式 7.1.1 逆逆变电路的基本工作原理路的基本工作原理7.1.2 换流方式分流方式分类37.1 换流方式37.1.1 逆逆变电路的基本工作原理路的基本工作原理以以单相相桥式逆式逆变电路路为例例说明最基本的工作原理明最基本的工作原理 S1S4是是桥式式电路的路的4个臂，由个臂，由电力力电子器件及子器件及辅助助电路路组成。成。负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2 当开关当开关S1、S4闭合，合，S2、S3断开断开时，负载电压uo为正；当开关正；当开关S1、S4断开，断开，S2、S3闭合合时，uo为负，这样就把直流就把直流电变成了交流成了交流电。改改变两两组开关的切开关的切换频率率，即可改，即可改变输出出交流交流电的的频率率。电阻阻负载时，负载电流流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7-1 逆逆变电路及其波形路及其波形举例例 47.1.1 逆变电路的基本工作原理以单相桥式逆变电路为例说7.1.2 换流方式分流方式分类换流流电流从一个支路向另一个支路流从一个支路向另一个支路转移的移的过程，也称程，也称为换相相。研究研究换流方式主要是研究流方式主要是研究如何使器件关断如何使器件关断。换流方式分流方式分为以下几种以下几种器件器件换流（流（Device 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行换流。流。在采用在采用IGBT、电力力MOSFET、GTO、GTR等全控等全控型器件的型器件的电路中的路中的换流方式是器件流方式是器件换流。流。电网网换流（流（Line Commutation）电网网提供提供换流流电压的的换流方式。流方式。将将负的的电网网电压施加在欲关断的晶施加在欲关断的晶闸管上即可使其关管上即可使其关断。不需要器件具有断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆网的无源逆变电路。路。57.1.2 换流方式分类换流57.1.2 换流方式分流方式分类a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4图7-2 负载换流流电路及其工作波形路及其工作波形 负载换流流（Load Commutation）由由负载提供提供换流流电压的的换流方式。流方式。负载电流流的的相位超前相位超前于于负载电压的的场合，合，都可都可实现负载换流，如流，如电容性容性负载和同步和同步电动机。机。图7-2a是基本的是基本的负载换流逆流逆变电路，整路，整个个负载工作在接近工作在接近并并联谐振状振状态而略呈而略呈容性容性，直流直流侧串大串大电感，工作感，工作过程可程可认为id基本没有基本没有脉脉动。负载对基波的阻抗大而基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，波的阻抗小，所以所以uo接近接近正弦波正弦波。注意触注意触发VT2、VT3的的时刻刻t1必必须在在uo过零前并留有足零前并留有足够的裕量，才能使的裕量，才能使换流流顺利完利完成。成。67.1.2 换流方式分类a)u t t t tOOO7.1.2 换流方式分流方式分类强迫迫换流（流（Forced Commutation）设置置附加的附加的换流流电路路，给欲关断的晶欲关断的晶闸管管强迫施加反迫施加反压或反或反电流的流的换流方式称流方式称为强迫迫换流。流。通常利用附加通常利用附加电容上所容上所储存的能量来存的能量来实现，因此也称因此也称为电容容换流流。分分类 直接耦合式直接耦合式强迫迫换流流：由：由换流流电路内路内电容容直接提供直接提供换流流电压。电感耦合式感耦合式强迫迫换流流：通：通过换流流电路内的路内的电容和容和电感的耦合来提供感的耦合来提供换流流电压或或换流流电流。流。直接耦合式直接耦合式强迫迫换流流 如如图4-3，当晶当晶闸管管VT处于通于通态时，预先先给电容充容充电。当。当S合上，就可使合上，就可使VT被施加反被施加反压而关而关断。断。也叫也叫电压换流。流。图7-3 直接耦合式直接耦合式强迫迫换流原理流原理图 77.1.2 换流方式分类强迫换流（Forced Commu7.2 电压型逆型逆变电路路 7.2.1 单相相电压型逆型逆变电路路7.2.2 三相三相电压型逆型逆变电路路87.2 电压型逆变电路87.2.1 单相相电压型逆型逆变电路路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2图7-6 单相半相半桥电压型逆型逆变电路及其工作波形路及其工作波形 半半桥逆逆变电路路 在直流在直流侧接有两个相互串接有两个相互串联的足的足够大大的的电容容，两个，两个电容的容的联结点点便成便成为直流直流电源的源的中点中点，负载联接在直流接在直流电源中点和两源中点和两个个桥臂臂联结点之点之间。工作原理工作原理 设开关器件开关器件V1和和V2的的栅极信号在一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，且二者互者互补。输出出电压uo为矩形波矩形波，其幅，其幅值为Um=Ud/2。电路路带阻感阻感负载，t2时刻刻给V1关断信关断信号，号，给V2开通信号，开通信号，则V1关断，但感性关断，但感性负载中的中的电流流io不能立即改不能立即改变方向，于是方向，于是VD2导通通续流，当流，当t3时刻刻io降零降零时，VD2截止，截止，V2开通，开通，io开始反向，由此得出如开始反向，由此得出如图所示的所示的电流波形。流波形。97.2.1 单相电压型逆变电路a)ttOOONb)oUm-U7.2.1 单相相电压型逆型逆变电路路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2图7-6 单相半相半桥电压型逆型逆变电路及其工作波形路及其工作波形 V1或或V2通通时，io和和uo同方向同方向，直流直流侧向向负载提供能量；提供能量；VD1或或VD2通通时，io和和uo反向反向，电感中感中贮能向直流能向直流侧反反馈。VD1、VD2称称为反反馈二极管二极管,它又起着使它又起着使负载电流流连续的作用，又称的作用，又称续流二极管流二极管。优点是点是简单，使用器件少；其缺，使用器件少；其缺点是点是输出交流出交流电压的幅的幅值Um仅为Ud/2，且直流，且直流侧需要两个需要两个电容器串容器串联，工作，工作时还要控制两个要控制两个电容器容器电压的均衡；因此，半的均衡；因此，半桥电路常用于路常用于几几kW以下以下的小功率逆的小功率逆变电源。源。107.2.1 单相电压型逆变电路a)ttOOONb)oUm-U7.2.1 单相相电压型逆型逆变电路路全全桥逆逆变电路路 共四个共四个桥臂，可看成臂，可看成两个半两个半桥电路路组合而成。合而成。两两对桥臂交替臂交替导通通180。输出出电压和和电流波形与半流波形与半桥电路形状相同，但幅路形状相同，但幅值高出一倍。高出一倍。在在这种情况下，要改种情况下，要改变输出交流出交流电压的有效的有效值只能通只能通过改改变直流直流电压Ud来来实现。Ud的矩形波的矩形波uo展开成傅里叶展开成傅里叶级数得数得其中基波的幅其中基波的幅值Uo1m和基波有效和基波有效值Uo1分分别为 图7-5 全全桥逆逆变电路路 117.2.1 单相电压型逆变电路全桥逆变电路 其中基波的幅值7.2.1 单相相电压型逆型逆变电路路a)b)图7-7 单相全相全桥逆逆变电路的移相路的移相调压方式方式 移相移相调压方式方式 V3的基极信号比的基极信号比V1落后落后（0 180）。）。V3、V4的的栅极信号分极信号分别比比V2、V1的的前移前移180-。输出出电压是正是正负各各为 的脉冲。的脉冲。工作工作过程程 t1时刻前刻前V1和和V4导通，通，uo=Ud。t1时刻刻V4截止，而因截止，而因负载电感中的感中的电流流io不能突不能突变，V3不能立刻不能立刻导通，通，VD3导通通续流，流，uo=0。t2时刻刻V1截止，而截止，而V2不能立刻不能立刻导通，通，VD2导通通续流，和流，和VD3构成构成电流通道，流通道，uo=-Ud。到到负载电流流过零并开始反向零并开始反向时，VD2和和VD3截止，截止，V2和和V3开始开始导通，通，uo仍仍为-Ud。t3时刻刻V3截止，而截止，而V4不能立刻不能立刻导通，通，VD4导通通续流，流，uo再次再次为零零。改改变 就可就可调节输出出电压。127.2.1 单相电压型逆变电路a)b)图7-7 单相全桥逆7.2.2 三相三相电压型逆型逆变电路路三个三个单相逆相逆变电路可路可组合成一个三相逆合成一个三相逆变电路。路。三相三相桥式逆式逆变电路路 基本工作方式是基本工作方式是180导电方式方式。同一相（即同一半同一相（即同一半桥）上下两臂交替）上下两臂交替导电，各相开始，各相开始导电的角度的角度差差120，任一瞬，任一瞬间有有三个三个桥臂臂同同时导通。通。每次每次换流都是在同一相上下两臂之流都是在同一相上下两臂之间进行，也称行，也称为纵向向换流流。图7-9 三相三相电压型型桥式逆式逆变电路路 假想中点假想中点137.2.2 三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个7.2.2 三相三相电压型逆型逆变电路路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图7-10 电压型三相型三相桥式逆式逆变电路的工作波形路的工作波形 工作波形工作波形 对于于U相相输出来出来说，当，当桥臂臂1导通通时，uUN=Ud/2，当，当桥臂臂4导通通时，uUN=-Ud/2，uUN的波形是的波形是幅幅值为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相相类似。似。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各相的相电压分分别为 147.2.2 三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOt7.2.2 三相三相电压型逆型逆变电路路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图7-10 电压型三相型三相桥式逆式逆变电路的工作波形路的工作波形 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三相对称称负载，则有有uUN+uVN+uWN=0，故可得，故可得 负载参数已知参数已知时，可以由，可以由uUN的波形的波形求出求出U相相电流流iU的波形，的波形，图7-10g给出的出的是阻感是阻感负载下下 时iU的波形。的波形。把把桥臂臂1、3、5的的电流加起来，就可得流加起来，就可得到直流到直流侧电流流id的波形，如的波形，如图7-10h所示，所示，可以看出可以看出id每隔每隔60脉脉动一次。一次。157.2.2 三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOt7.2.2 三相三相电压型逆型逆变电路路基本的数量关系基本的数量关系 把把输出出线电压uUV展开成傅里叶展开成傅里叶级数得数得 式中，式中，k为自然数。自然数。输出出线电压有效有效值UUV为 其中基波幅其中基波幅值UUV1m和基波有效和基波有效值UUV1分分别为 167.2.2 三相电压型逆变电路基本的数量关系式中，7.2.2 三相三相电压型逆型逆变电路路 把把uUN展开成傅里叶展开成傅里叶级数得数得 式中，式中，k为自然数。自然数。负载相相电压有效有效值UUN为 其中基波幅其中基波幅值UUN1m和基波有效和基波有效值UUN1分分别为为了防止同一相上下两了防止同一相上下两桥臂的开关器件同臂的开关器件同时导通而引起直流通而引起直流侧电源的短路，源的短路，要采取要采取“先断后通先断后通”的方法。的方法。177.2.2 三相电压型逆变电路 把uUN展开成傅里叶UUV7=2 Ud/（3.147 ）=22.3（V）7.2.2 三相三相电压型逆型逆变电路路例：三相例：三相桥式式电压型逆型逆变电路，路，180导电方式，方式，Ud=200V。试求求输出相出相电压的的基波幅基波幅值UUN1m和有效和有效值UUN1、输出出线电压的基波幅的基波幅值UUV1m和有效和有效值UUV1、输出出线电压中中7次次谐波的有效波的有效值UUV7。解：解：0.4520090（V）0.637200127.4（V）1.1200=220（V）0.78200=156（V）18UUV7=2 Ud/（3.147 ）