第4章 逆变电路

第4章逆变电路4.1换流方式4.2电压型逆变电路4.3电流型逆变电路本章小结引言■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。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4/474.1.1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◆S1~S4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)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2◆当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。图4-1-1逆变电路及其波形举例5/47逆变电路最基本的工作原理——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。4.1.1逆变电路的基本工作原理电阻负载阻感负载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。■换流方式◆器件换流（DeviceCommutation）☞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（LineCommutation）☞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。4.1.2换流方式分类◆负载换流（LoadCommutation）☞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。◆强迫换流（ForcedCommutation）☞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。◆强换流方式总结◆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。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4-2-1电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）9/471、半桥逆变电路t1~t2：V1导通，负载电压右正左负-+4-2-2半桥逆变电路设V1、V2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。负载为感性。10/471、半桥逆变电路t2~t3：io不能改变方向，二极管VD2续流，负载电压左正右负+-11/47t3~t4：V2导通，io反向，负载电压左正右负+-1、半桥逆变电路12/47-+t4~t5：io不能改变方向，，二极管VD1续流，负载电压右正左负1、半桥逆变电路13/471、半桥逆变电路工作原理V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。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反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。14/471、半桥逆变电路优点：电路简单，使用器件少。缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。应用：用于几kW以下的小功率逆变电源。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。15/474.2.1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Ud来实现。◆Ud的矩形波uo展开成傅里叶级数得tttUu5sin513sin31sin4do其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为ddo1m27.14UUUdd1o9.022UUU图4-5全桥逆变电路(4-1)(4-2)(4-3)16/472、全桥逆变电路tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo◆移相调压方式(阻感负载时适用）☞V3的基极信号比V1落后（0＜＜180°）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°-。输出电压是正负各为的脉冲。☞改变就可调节输出电压。4-2-3全桥逆变电路及波形17/474.2.2三相电压型逆变电路■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4-2-4三相电压型桥式逆变电路假想中点18/474.2.2三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3图4-2-5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，uUN’=Ud/2，当桥臂4导通时，uUN’=-Ud/2，uUN’的波形是幅值为Ud/2的矩形波，V、W两相的情况和U相类似。◆负载线电压uUV、uVW、uWU可由下式求出UN'WN'WUWN'VN'VWVN'UN'UVuuuuuuuuu◆负载各相的相电压分别为'NNWN'WNNN'VN'VNNN'UN'UNuuuuuuuuu(4-4)(4-5)19/474.2.2三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3图4-2-5电压型三相桥式逆变电路的工作波形◆把上面各式相加并整理可求得)(31)(31WNVNUNWN'VN'UN'NN'uuuuuuu设负载为三相对称负载，则有uUN+uVN+uWN=0，故可得)(31WN'VN'UN'NN'uuuu◆负载参数已知时，可以由uUN的波形求出U相电流iU的波形，图4-2-5g给出的是阻感负载下时iU的波形。3/◆把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得到直流侧电流id的波形，如图4-2-5h所示，可以看出id每隔60°脉动一次。(4-6)(4-7)20/474.2.2三相电压型逆变电路■基本的数量关系◆把输出线电压uUV展开成傅里叶级数得nktnntUtttttUusin)1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV式中，，k为自然数。16kn◆输出线电压有效值UUV为d202UVUV816.0d21UtuU其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分别为ddUV1m1.132UUUddUV1mUV178.062UUUU(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)21/474.2.2三相电压型逆变电路◆把uUN展开成傅里叶级数得ntnntUtttttUusin1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2ddUN式中，，k为自然数。16kn◆负载相电压有效值UUN为d202UNUN471.0d21UtuU其中基波幅值UUN1m和基波有效值UUN1分别为ddUN1m637.02UUUdUN1mUN145.02UUU■为了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的短路，要采取“先断后通”的方法。(4-12)(4-13)(4-14)(4-15)22/47UUV7=2Ud/（3.14×7×）=22.3（V）4.2.2三相电压型逆变电路■例：三相桥式电压型逆变电路，180°导电方式，Ud=200V。试求输出相电压的基波幅值UUN1m和有效值UUN1、输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值UUV1、输出线电压中7次谐波的有效值UUV7。解：2dUN1mUN145.02UUUddUN1m637.02UUUddUV1m1.132UUUddUV1mUV178.062UUUU＝0.45×200＝90（V）＝0.637×200＝127.4（V）＝1.1×200=220（V）＝0.78×200=156（V）34.3电流型逆变电路·引言■直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。■电流型逆变电路主要特点◆直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。◆交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同。◆直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。■电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多，换流方式有负载换流、强迫换流。图4-3-1电流型三相桥式逆变电路4.3.1单相电流型逆变电路■电路分析◆由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。◆采用负载换相方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。◆电容C和L、R构成并联谐振电路。◆输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。图4-3-2单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路25/47工作波形分析：tOtO图5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4图4-3-3并联谐振式逆变电路工作波形4.3.1单相电流型逆变电路ABCRL图5-12LdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4uoio一周期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段t1~t2：VT1和VT4稳定导通阶段，iｏ=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压26/47工作波形分析：tOtO图5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4ABCRL图5-12LdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4uoio一周期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段t2~t4：t2时刻触发VT2和VT3开通，进入换流阶段LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程同理，LT使VT2、VT3电流有一个增大过程4.3.1单相电流型逆变电路27/47工作波形分析：tOtO图5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,44.3.1单相电流型逆变电路ABCRL图5-12LdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4uoio一周期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段t2时刻后，4个晶闸管全部导通，负载电容电压