电力电子技术-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,*,*,第,4,章 逆变电路,4.1,换流方式,4.2,电压型逆变电路,4.3,电流型逆变电路,4.4,多重逆变电路和多电平逆变电路,本章小结,第4章 逆变电路,2,/47,引言,逆变的概念,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,。,交流侧接负载，为,无源逆变,，本章主要讲述无源逆变。,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。,逆变电路的,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。,2/47引言逆变的概念,3,/47,4.1,换流方式,4.1.1,逆变电路的基本工作原理,4.1.2,换流方式分类,3/474.1 换流方式,4,/47,4.1.1,逆变电路的基本工作原理,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理,S,1,S,4,是桥式电路的,4,个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,负载,a),b),t,S,1,S,2,S,3,S,4,i,o,u,o,U,d,u,o,i,o,t,1,t,2,当开关,S,1,、,S,4,闭合，,S,2,、,S,3,断开时，负载电压,u,o,为正；当开关,S,1,、,S,4,断开，,S,2,、,S,3,闭合时，,u,o,为负，这样就把直流电变成了交流电。,改变,两组开关的切换频率,，即可改变输出,交流电的频率,。,电阻负载时，负载电流,i,o,和,u,o,的波形相同，相位也相同。,阻感负载时，,i,o,相位滞后于,u,o,，波形也不同。,图,4-1,逆变电路及其波形举例,4/474.1.1 逆变电路的基本工作原理以单相桥式逆变电,5,/47,4.1.2,换流方式分类,换流,电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为,换相,。,研究换流方式主要是研究,如何使器件关断,。,换流方式分为以下几种,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换流。,电网换流（,Line Commutation,）,电网,提供,换流电压,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。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。,5/474.1.2 换流方式分类换流,6,/47,4.1.2,换流方式分类,a),u,t,t,t,t,O,O,O,O,i,i,t,1,b),o,u,o,i,o,i,o,u,VT,i,VT,1,i,VT,4,i,VT,2,i,VT,3,u,VT,1,u,VT,4,图,4-2,负载换流电路及其工作波形,负载换流（,Load Commutation,）,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，如电容性负载和同步电动机。,图,4-2a,是基本的负载换流逆变电路，整个负载工作在接近,并联谐振状态,而略呈,容性,，直流侧串大电感，工作过程可认为,i,d,基本没有脉动。,负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以,u,o,接近,正弦波,。,注意触发,VT,2,、,VT,3,的时刻,t,1,必须在,u,o,过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。,6/474.1.2 换流方式分类a)u t t t,7,/47,4.1.2,换流方式分类,强迫换流（,Forced Commutation,）,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。,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,。,分类,直接耦合式强迫换流,：由换流电路内电容直接提供换流电压。,电感耦合式强迫换流,：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流电流。,直接耦合式强迫换流,如图,4-3,，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。,图,4-3,直接耦合式强迫换流原理图,7/474.1.2 换流方式分类强迫换流（Forced C,8,/47,4.1.2,换流方式分类,电感耦合式强迫换流,图,4-4a,中晶闸管在,LC,振荡,第一个半周期,内关断，图,4-4b,中晶闸管在,LC,振荡,第二个半周期,内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。,在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。,也叫,电流换流,。,图,4-4,电感耦合式强迫换流原理图,换流方式总结,器件换流,只适用于,全控型器件,，其余三种方式主要是针对,晶闸管,而言的。,器件换流和强迫换流属于,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,。,8/474.1.2 换流方式分类电感耦合式强迫换流图4-4,9,/47,4.2,电压型逆变电路,4.2.1,单相电压型逆变电路,4.2.2,三相电压型逆变电路,9/474.2 电压型逆变电路,10,/47,4.2,电压型逆变电路,引言,根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类,电压型,逆变电路：直流侧是电压源。,电流型,逆变电路：直流侧是电流源。,电压型逆变电路的特点,直流侧为,电压源,或并联,大电容,，直流侧电压基本无脉动。,由于直流电压源的,钳位作用,，输出电压为,矩形波,，输出电流因负载阻抗不同而不同。,阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联,反馈二极管,。,图,4-5,电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）,10/474.2 电压型逆变电路引言根据直流侧电源性质的,11,/47,4.2.1,单相电压型逆变电路,a),t,t,O,O,ON,b),o,U,m,-,U,m,i,o,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,V,1,V,2,V,1,V,2,VD,1,VD,2,VD,1,VD,2,图,4-6,单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,半桥逆变电路,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,便成为直流电源的,中点,，负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。,工作原理,设开关器件,V,1,和,V,2,的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。,输出电压,u,o,为,矩形波,，其幅值为,U,m,=U,d,/2,。,电路带,阻感负载,，,t,2,时刻给,V,1,关断信号，给,V,2,开通信号，则,V,1,关断，但感性负载中的电流,i,o,不能立即改变方向，于是,VD,2,导通续流，当,t,3,时刻,i,o,降零时，,V,D2,截止，,V,2,开通，,i,o,开始反向，由此得出如图所示的电流波形。,11/474.2.1 单相电压型逆变电路a)ttOOONb),12,/47,4.2.1,单相电压型逆变电路,a),t,t,O,O,ON,b),o,U,m,-,U,m,i,o,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,V,1,V,2,V,1,V,2,VD,1,VD,2,VD,1,VD,2,图,4-6,单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,V,1,或,V,2,通时，,i,o,和,u,o,同方向,，直流侧向负载提供能量；,VD,1,或,VD,2,通时，,i,o,和,u,o,反向,，电感中贮能向直流侧反馈。,VD,1,、,VD,2,称为,反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称,续流二极管,。,优点是简单，使用器件少；其缺点是输出交流电压的幅值,U,m,仅为,U,d,/2,，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压的均衡；因此，半桥电路常用于,几,kW,以下,的小功率逆变电源。,12/474.2.1 单相电压型逆变电路a)ttOOONb),13,/47,4.2.1,单相电压型逆变电路,全桥逆变电路,共四个桥臂，可看成,两个半桥电路,组合而成。,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。,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,U,d,来实现。,U,d,的矩形波,u,o,展开成傅里叶级数得,其中基波的幅值,U,o1m,和基波有效值,U,o1,分别为,图,4-5,全桥逆变电路,(4-1),(4-2),(4-3),13/474.2.1 单相电压型逆变电路全桥逆变电路 其中,14,/47,4.2.1,单相电压型逆变电路,a),b),图,4-7,单相全桥逆变电路的移相调压方式,移相调压方式,V,3,的基极信号比,V,1,落后,（,0,180,）。,V,3,、,V,4,的栅极信号分别比,V,2,、,V,1,的前移,180-,。输出电压是正负各为,的脉冲。,工作过程,t,1,时刻前,V,1,和,V,4,导通，,u,o,=U,d,。,t,1,时刻,V,4,截止，而因负载电感中的电流,i,o,不能突变，,V,3,不能立刻导通，,VD,3,导通续流，,u,o,=0,。,t,2,时刻,V,1,截止，而,V,2,不能立刻导通，,VD,2,导通续流，和,VD,3,构成电流通道，,u,o,=-U,d,。,到负载电流过零并开始反向时，,VD,2,和,VD,3,截止，,V,2,和,V,3,开始导通，,u,o,仍为,-U,d,。,t,3,时刻,V,3,截止，而,V,4,不能立刻导通，,VD,4,导通续流，,u,o,再次为零,。,改变,就可调节输出电压,。,14/474.2.1 单相电压型逆变电路a)b)图4-7,15,/47,4.2.1,单相电压型逆变电路,图,4-8,带中心抽头变压器的逆变电路,带中心抽头变压器的逆变电路,交替驱动,两个,IGBT,，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。,两个二极管的作用也是提供,无功能量的反馈通道,。,U,d,和负载参数相同，变压器匝比为,1,：,1,：,1,时，,u,o,和,i,o,波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。,与全桥电路相比较,比全桥电路少用,一半开关器件,。,器件承受的电压为,2U,d,，比全桥电路高一倍。,必须有一个,变压器,。,15/474.2.1 单相电压型逆变电路图4-8 带中心抽,16,/47,4.2.2,三相电压型逆变电路,三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。,三相桥式逆变电路,基本工作方式是,180,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差,120,，任一瞬间有,三个桥臂,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,纵向换流,。,图,4-9,三相电压型桥式逆变电路,假想中点,16/474.2.2 三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可,17,/47,4.2.2,三相电压型逆变电路,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,a),b),c),d),e),f),g),h),u,UN,u,UN,u,UV,i,U,i,d,u,VN,u,WN,u,NN,U,d,U,d,2,U,d,3,U,d,6,2,U,d,3,图,4-10,电压型三相桥式逆变电路的工作波形,工作波形,对于,U,相输出来说，当桥臂,1,导通时，,u,UN,=U,d,/2,，当桥臂,4,导通时，,u,UN,=-U,d,/2,，,u,UN,的波形是,幅值为,U,d,/2,的矩形波,，,V,、,W,两相的情况和,U,相类似。,负载线电压,u,UV,、,u,VW,、,u,WU,可由下式求出,负载各相的相电压分别为,(4-4),(4-5),17/474.2.2 三相电压型逆变电路tOtOtOtOtO,18,/47,4.2.2,三相电压型逆变电路,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,t