电力电子技术高职高专第四版第4章--无源逆变电路课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章 无源逆变电路,电力电子技术,(,第,4,版,),第4章 无源逆变电路电力电子技术(第4版),第,4,章 无源逆变电路,1）定义：,如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去。,2）应用：,它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。,1）定义：,逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。,2）应用：,它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。,1、有源逆变:,2、无源逆变：,第4章 无源逆变电路1）定义：如果将逆变电路的交流侧接,第,4,章 无源逆变电路,4.1,逆变器的性能指标与分类,4.2,逆变电路的工作原理,4.3,电压型逆变电路,4.4,电流型逆变电路,4.5,逆变器的,SPWM,控制技术,4.6,负载换流式逆变电路,第4章 无源逆变电路 4.1 逆变器的性能指标与分类,4.1.1,逆变电路的性能指标,（1）谐波系数,HF,（,Harmonic Factor,）,谐波系数,HF,定义为谐波分量有效值同基波分量有致值之比，即,式中,n=1,、,2,、,3,，表示谐波次数，,n=1,时为基波。,(4.1.1),（,2,）总谐波系数,THD,（,Total Harmonic Distrotion）,(4.1.2),（,5,）电磁干扰（,EMI,）和电磁兼容性（,EMC,）,（,3,）逆变效率,（,4,）单位重量的输出功率:,衡量逆变器输出功率密度的指标。,总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度。,THD,定义为,4.1.1 逆变电路的性能指标（1）谐波系数HF（Harm,4.1.2,逆变电路的分类,电压型：,电压型逆变器的输人端并接有大电容，输入直流电源为恒压源，逆变器将直流电压变换成交流电压。,电流型：,电流型逆变器的输入端串接有大电感，输入直流电源为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出。,（,1,）、根据输入直流电源特点分类,半桥式逆变电路；,全桥式逆变电路；,推换式逆变电路；,其他形式：如单管晶体管逆变电路。,（,2,）、根据电路的结构特点分类,4.1.2 逆变电路的分类 电压型：电压型逆变,负载换流型逆变电路；,脉冲换流型逆变电路；,自换流型逆变电路。,4.1.2,逆变电路的分类,（,3,）根据换流方式分类,（,4,）根据负载特点分类,非谐振式逆变电路,谐振式逆变电路, 负载换流型逆变电路；4.1.2 逆变电路的分类（3）,4.1.2,逆变电路的分类,1、可以做成变频变压电源（,VVVF,），主要用于交流电动机调速。,2、可以做成恒频恒压电源（,CVCF,），其典型代表为不间断电源（,UPS,）、航空机载电源、机车照明，通信等辅助电源也要用,CVCF,电源。,3、可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电源等。,逆变器的用途：,4.1.2 逆变电路的分类 1、可以做成变频变压电源（V,第,4,章 无源逆变电路,4.1,逆变器的性能指标与分类,4.2,逆变电路的工作原理,4.3,电压型逆变电路,4.4,电流型逆变电路,4.5,逆变器的,SPWM,控制技术,4.6,负载换流式逆变电路,第4章 无源逆变电路 4.1 逆变器的性能指标与分类,4.2,逆变电路的工作原理,U,d,为输入直流电压，,R,为逆变器的输出负载。,当开关,T,1,、,T,4,闭合，,T,2,、,T,3,断开时，逆变器输出电压,u,0,=U,d,；,当开关,T,1,、,T,4,断开，,T,2,、,T,3,闭合时，输出电压,u,0,=U,d,;,当以频率,f,S,交替切换开关,T,1,、,T,4,和,T,2,、,T,3,时，则在电阻,R,上获得如图,3.2.1(b),所示的交变电压波形，其周期,T,s,=1/,f,S,，,将直流电压,E,变成了交流电压,u,o,。,u,o,含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。,图,4.2.1,单相桥式逆变,电路工作原理,图,4.2.1(a),中主电路开关,T,1,T,4,，,它实际是各种半导体开关器件的,一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有,快速晶闸管、可关,断晶闸管（,GTO）、,功率晶体管（,GTR）、,功率场效应晶体管,（,MOSFET）、,绝缘栅晶体管（,IGBT）。,1、主要功能:,将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。,2、工作原理：,4.2 逆变电路的工作原理 Ud为输入直流电压，R,第,4,章 无源逆变电路,4.1,逆变器的性能指标与分类,4.2,逆变电路的工作原理,4.3,电压型逆变电路,4.4,电流型逆变电路,4.5,逆变器的,SPWM,控制技术,4.6,负载换流式逆变电路,第4章 无源逆变电路 4.1 逆变器的性能指标与分类,4.3.1,电压型单相半桥逆变电路,它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全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,C,1,和,C,2,，,且满足,C,1,=C,2,。,设感性负载连接在,A,、,0,两点间。,T,1,和,T,2,之间存在死区时间，以避免上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱动信号。,图,4.3.1,电压型半桥逆变电路,及其电压电流波形,1,、电路结构：,4.3.1 电压型单相半桥逆变电路,在一个周期内，电力晶体管,T,1,和,T,2,的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。,若负载为纯电阻，在,0,期间，,T,1,有驱动信号导通，,T,2,截止，则,u,0,=U,d,。在, 2,期间，,T,2,有驱动信号导通，,T,1,截止，则,u,0,=-U,d,。,若负载为纯电感，,T,2,无驱动信号截止，尽管,T,1,有驱动信号，由于感性负载中的电流,i,。,不能立即改变方向，于是,D,1,导通续流，,u,0,=U,d,/2,。,图,4.,3.1,电压型半桥逆变电路及其电压电流波形,2,、,工作原理：,4.3.1,电压型单相半桥逆变电路,若负载为阻感负载，在,0, ,期间，,T,2,无驱动信号截止，尽管,T,1,有驱动信号，由于电流,i,。,为负值，所以,T,1,不导通，,D,1,导通续流，,u,0,=U,d,。,在一个周期内，电力晶体管T1和T2的基,输出,电压有效值,为:,输出,电压瞬时值,为:,其中， 为输出电压角频率。,当,n=1,时其,基波分量的有效值,为,:,4.3.1,电压型单相半桥逆变电路,(,4.3.1),(,4.3.2),(,4.3.3),图,4.3.1,电压型半桥逆变电路及其电压电流波形,输出电压有效值为:4.3.1 电压型单相半桥逆变,4.3.1,电压型单相半桥逆变电路,3,、特点：,优点：,简单，使用器件少；,缺点：,1）交流电压幅值仅为,U,d,/2；,2）直流侧需分压电容器；,3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接,LC,滤波器，输出滤波器,LC,滤除逆变器输出电压中的高次谐波。,4,、应用：,用于几,kW,以下的小功率逆变电源；,4.3.1 电压型单相半桥逆变电路3、特点：,4.3.2,电压型单相全桥逆变电路,全控型开关器件,T,1,和,T,4,构成一对桥臂，,T,2,和,T,3,构成一对桥臂,T,1,和,T,4,同时通、断；,T,2,和,T,3,同时通、断。,T,1,(T),4,与,T,2,(T,3,),的驱动信号互补，即,T,1,和,T,4,有驱动信号时，,T,2,和,T,3,无驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通,180,。,图,4.3.2,电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图,电路工作原理：,4.3.2 电压型单相全桥逆变电路 全控型,4.3.2,电压型单相全桥逆变电路,输出方波电压瞬时值：,输出方波电压有效值：,基波分量的有效值：,图,4.3.2,电压型单相全桥逆变,电路和电压、电流波形图,(,4.3.5),(,4.3.4),(,4.3.6),同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。,1）纯电阻负载,4.3.2 电压型单相全桥逆变电路 输出方波电压瞬时值：,4.3.2,电压型单相全桥逆变电路,0,t,T,s,4，,T,s,2t3T,s,4,期间，,D,1,、,D,4,导通起负载电流续流作用，在此期间,T,1,T,4,均不导通。,图,4.3.2,电压型单相全桥逆变,电路和电压、电流波形图,2）电感负载,由,可得负载电流峰值为：,(,4,.3.7),4.3.2 电压型单相全桥逆变电路,4.3.2,电压型单相全桥逆变电路,0,t,期间，,T,1,和,T,4,有驱动信号，由于电流,i,0,为负值，,T,1,和,T,4,不导通，,D,1,、,D,4,导通起负载电流续流作用，,u,0,=+U,d,。,t,期间，,i,0,为正值，,T,1,和,T,4,才导通。,t,+,期间，,T,2,和,T,3,有驱动信号，由于电流,i,0,为负值，,T,2,、,T,3,不导通，,D,2,、,D,3,导通起负载电流续流作用，,u,0,=U,d,。,+,t,2,期间，,T,2,和,T,3,才导通。,3）阻感负载,RL,图,4.3.2,电压型单相全桥逆变,电路和电压、电流波形图,图,4.3.2(e),所示是,RL,负载时直流电源输,入电流的波形。图,4.3.2(f),所示是,RL,负载时,直流电源输入电流的波形。,4.3.2 电压型单相全桥逆变电路,4.3.3,电压型三相桥式逆变电路,电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为180导电型，即每个桥臂的导电角为180，同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各相开始导电的时间依次相差120。,在一个周期内，6个开关管触发导通的次序为,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,6,，,依次相隔60，任一时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为,T,1,T,2,T,3,，T,2,T,3,T,4,，T,3,T,4,T,5,，T,4,T,5,T,6,，T,5,T,6,T,1,，T,6,T,1,T,2,，,每种组合工作60。,图,4.3.3,电压型三相桥式逆变电路,1、工作原理：,4.3.3 电压型三相桥式逆变电路 电压型三相桥,4.3.3,电压型三相桥式逆变电路,将一个工作周期分成,6,个区域。,在,00, u,g2,0, u,g3,0,，,则有,T,1,，,T,2,，,T,3,导通，,2、各相负载相电压和线电压波形：,线,电,压,相,电,压,图,4.3.4,电压型三相桥式逆变电路及其工作波形,式中,U,d,为逆变器输入直流电压。,根据同样的思路可得其余,5,个时域的值,4.3.3 电压型三相桥式逆变电路 将一个工作周期分,4.3.3,电压型三相桥式逆变电路,表,4.3.1,三相桥式逆变电路的工作状态表,4.3.3 电压型三相桥式逆变电路表4.3.1三相桥式逆变,4.3.3,电压型三相桥式逆变电路,3、负载相电压和线电压幅值分析：,相电压的瞬时值为：,相电压基波幅值,(,4.3.8),(,4.3.9),负载相电压中无,3,次谐波，只含更高阶奇次谐波，,n,次谐波幅值为基波幅值的1/,n,。,线电压的瞬时值为：,线电压基波幅值,(,4.3.11),(,4.3.10),由上式可知，负载,线,电压中无,3,次谐波，只含更高阶奇次谐波，,n,次谐波幅值为基波幅值的1/,n,。,4.3.3 电压型三相桥式逆变电路 3、负载相电, 直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗，, 由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形接近三角波或正弦波。, 当交流侧为电感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各臂都并联了反馈二极管。, 逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动，因直流电压无脉动，故传输功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。, 当用于交,-,直,-,交变频器中且负载为电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交,-,直整流桥再反并联一套逆变桥。,4.3.4,电压型逆变电路的特点, 直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本,第,4,章 无源逆变电路,4.1,逆变器的性能指标与分类,4.2,逆变电路的工作原理,4.3,电压型逆变电路,4.4,电流型逆变电路,4.5,逆变器的,SPWM,控制技术,4.6,负载换流式逆变电路,第4章 无源逆变电路 4.1 逆变器的性能指标与分类,4.4.1,电流型单相桥式逆变电路,当,T,1,、,T,4,导通，,T,2,、,T,3,关断时，,I,0,=,I,d,；,反之，,I,0,=-,I,d,。,当以频率,f,交替切换开关管,T,1,、,T,4,和,T,2,、,T,3,时，则在负载上获得如图,4.4.1,（,b,）,所示的电流波形。,输出电流波形为矩形波，与电路负载性质无关，而输出电压波形由负载性质决定。,主电路开关管采用自关断器件时，如果其反向不能承受高电压，则需在各开关器件支路,串入二极管,。,图,4.4.1,电流型单相桥式逆变电路及电流波形,1、工作原理：,4.4.1 电流型单相桥式逆变电路 当T1、T4导,其中基波幅值,I,01m,和基波有效值,I,01,分别为,(,4.4.1),(,4.4.2),(,4.4.3),4.4.1,电流型单相桥式逆变电路,将图,4.4.1,（,b,）,所示的电流波形,i,0,展开成傅氏级数,有,2、参数计算：,图,4.4.1,电流型单相桥式逆变电路及电流波形,其中基波幅值I01m和基波有效值I01 (4.4.1) (,4.4.2,电流型三相桥式逆变电路,导电方式为120导通、横向换流方式，任意瞬间只有两个桥臂导通。,导通顺序,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,6,，,依次间隔60，每个桥臂导通120，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。,输出电流波形与负载性质无关。,输出电压波形由负载的性质决定。,输出电流的基波有效值,I,01,和直流电流,I,d,的关系式为：,图,4.4.3,电流型三相桥式逆变电路的输出电流波形,(,4.4.4),1、工作原理：,图,4.4.2,电流型三相桥式逆变,电路原理图,4.4.2 电流型三相桥式逆变电路 导电方式为120, 直流侧接大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。, 因为各开关器主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同。, 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反并联二极管。, 当用于交,-,直,-,交变频器且负载为电动机时，若交,-,直变换为相控整流，则可很方便地实现再生制动。,4.4.3,电流型逆变电路的特点, 直流侧接大电感，相当于电流源，直流电流基本无,第,4,章 无源逆变电路,4.1,逆变器的性能指标与分类,4.2,逆变电路的工作原理,4.3,电压型逆变电路,4.4,电流型逆变电路,4.5,逆变器的,SPWM,控制技术,4.6,负载换流式逆变电路,第4章 无源逆变电路 4.1 逆变器的性能指标与分类,4.5.1,SPWM,控制的基本原理,将一个正弦波半波电压分成,N,等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到如图,4.5.1,（,b,）,所示的脉冲列。这就是,PWM,波形。正弦波的另外一个半波可以用相同的办法来等效。,PWM,被形的脉冲宽度是按正弦规律变化，称为,SPWM,（,Sinusoidal Pulse Width Modulation,）,波形。,图,4.5.1 SPWM,电压等效正弦电压,对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其它所需要的波形。,1、,PWM,产生原理：,2、SPWM,控制方式：,4.5.1 SPWM控制的基本原理 将一个正弦波半波,4.5.2,单极性,SPWM,控制方式,在,u,r,的正半周期，,T,1,保持导通，,T,4,交替通断。当,u,r,u,c,时，使,T,4,导通，负载电压,u,0,= U,d,；,当,u,r,u,c,时，使,T,4,关断，由于电感负载中电流不能突变，负载电流将通过,D,3,续流，负载电压,u,0,=0,。,在,u,r,的负半周，保持,T,2,导通，使,T,3,交替通断。当,u,r,u,c,时，使晶体管,T,1,、,T,4,导通，使,T,2,、,T,3,关断，此时，,u,0,= U,d,；,当,u,r,u,c,时，使,T,1,导通，使,T,4,关断，则,A,相相对于直流电源假想中点,N,的输出压；,当,u,rA,uc,4.5.5,SPWM,控制的逆变电路的优点,（1）,可以得到接近正弦波的输出电压，满足负载需要；,（2）,整流电路采用二极管整流，可获得较高的的功率因数；,（3）,只用一级可控的功率的环节，电路结构简单；,（4） 通过对输出脉冲宽度控制就可改变输出电压的大小，大大加快了逆变器的动态响应速度。,4.5.5 SPWM控制的逆变电路的优点 （1） 可,第,4,章 无源逆变电路,4.1,逆变器的性能指标与分类,4.2,逆变电路的工作原理,4.3,电压型逆变电路,4.4,电流型逆变电路,4.5,逆变器的,SPWM,控制技术,4.6,负载换流式逆变电路,第4章 无源逆变电路 4.1 逆变器的性能指标与分类,4.6.1,并联谐振式逆变电路,负载为中频电炉，实际上是一个感应线圈，图中,L,和,R,串联为其等效电路。因为负载功率因数很低，故并联补偿电容器,C。,电容,C,和电感,L,、,电阻,R,构成并联谐振电路，所以称这种电路为并联谐振式逆变电路。,采用负载换流，即要求负载电流超前电压，因此，补偿电容应使负载过补偿，使负载电路工作在容性小失谐情况下。,图,4.6.1,并联谐振式逆变电路的原理图,、电路结构:,大滤波电感,小电感，限制晶闸管电流上升率,4.6.1 并联谐振式逆变电路 负载为中频电炉，实际上,4.6.1,并联谐振式逆变电路,并联谐振式逆变电路属电流型，故其交流输出电流波形接近矩形波，其中包含基波和各次谐波。,工作时晶闸管交替触发的频率应接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈现高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，谐波在负载电路上几乎不产生压降，因此，负载电压波形为正弦波。又因基波频率稍大于负载谐振频率，负载电路呈容性，,i,o,超前电压,u,o,一定角度，达到自动换流关断晶闸管的目的。,、工作原理：,图,4.6.2,并联谐振式逆变电路换流的工作过程,4.6.1 并联谐振式逆变电路 并联谐振式逆变电路属电流,4.6.1,并联谐振式逆变电路,t,2,时刻触发,T,2,，,T,3,，,电路开始换流。由于,T,2,，,T,3,导通时，负载两端电压施加到,T,1,，,T,4,的两端，使,T,1,，,T,4,承受负压关断。由于每个晶闸管都串有换相电抗器,L,T,，,故,T,1,和,T,4,在,t,2,时刻不能立刻关断，,T,2,，,T,3,中的电流也不能立刻增大到稳定值。,在换流期间，四个晶闸管都导通，由于时间短和大电感,L,d,的恒流作用，电源不会短路。,当,t=t,4,时刻，,T,1,、,T,4,电流减至零而关断，直流侧电流,I,d,全部从,T,1,、,T,4,转移到,T,2,、,T,3,，,换流过程结束。,t,4,-,t,2,=,t,r,称为换流时间。,T,1,、,T,4,中的电流下降到零以后，还需一段时间后才能恢复正向阻断能力，因此换流结束以后，还要使,T,1,、,T,4,承受一段反压时间,t,才能保证可靠关断。,t,=,t,5,t,4,应大于晶闸管关断时间,t,q,。,2,、工作原理,图,4.6.3,并联谐振式逆变电路的工作波形,4.6.1 并联谐振式逆变电路 t2时刻触,4.6.1,并联谐振式逆变电路,为了保证电路可靠换流，必须在输出电压,u,0,过零前,t,时刻触发,T,2,、T,3,，,称,t,为触发引前时间。为了安全起见，必须使,式中,k,为大于1的安全系数，一般取为23。,负载的功率因数角,由负载电流与电压的相位差决定，从图,4,.,6.3,可知：,其中,为电路的工作频率。,图,4.6.3,并联谐振式逆变电路的工作波形,（,4.6.1,）,（,4.6.1,）,2,、工作原理,4.6.1 并联谐振式逆变电路 为了保证电路可靠换流，,4.6.1,并联谐振式逆变电路,(,4.6.4),(,4.6.5),(,4.6.7),基波电流有效值,逆变电路的输入功率,P,i,为,逆变电路的输出功率,P,o,为,因为,P,o,=P,i,，,于是可求得,负载电压有效值,U0,和直流电压,Ud,的关系：,负载电流,i,0,和直流侧电流,I,d,的关系：,如果忽略换流过程，,i,0,为矩形波。展开成傅氏级数得,(,4.6.3 ),(,4.6.6),3,、参数计算,4.6.1 并联谐振式逆变电路 (4.6.4)(4.6,4.6.2,串联谐振式逆变电路,其直流侧采用不可控整流电路和大电容滤波，从而构成电压型逆变电路。电路为了,续流,，设置了反并联二极管,D,1,D,4,。,补偿电容,C,和负载电感线圈构成串联谐振电路。为了实现负载换流，要求补偿以后的总负载呈,容性,。,图,4.6.4,串联谐振式逆变电路,1、电路结构,4.6.2 串联谐振式逆变电路 其直流侧采用不可控整流,4.6.2,串联谐振式逆变电路,设晶闸管,T,1,、T,4,导通，电流从,A,流向,B，u,o,左正右负。由于电流超前电压，,当,t,=,t,1,时，电流为零。,当,t,t,1,时，电流反向。由于,T,2,、T,3,未导通，反向电流通过二极管,D,1,、D,4,续流，,T,1,、T,4,承受反压关断。,当,t,=,t,2,时，触发,T,2,、T,3,，,负载两端电压极性反向，即左负右正，,D,1,、D,4,截止，电流从,T,2,、T,3,中流过。,当,t,t,3,时，电流再次反向，电流通过,D,2,、D,3,续流，,T,2,、T,3,承受反压关断。,当,t,=,t,4,时，再触发,T,2,、T,3,。,二极管导通时间,t,即为晶闸管反压时间，要使晶闸管可靠关断，,t,应大于晶闸管关断时间,t,q,。,图,4.6.5,串联谐振式逆变电路的工作波形图,2、工作原理,4.6.2 串联谐振式逆变电路 设晶闸管T1、T,