电力电子学电课6无源逆变

BeijingJiaotongUniversity(BJTU)电力电子技术PowerElectronicsTechnologySpring2006电气工程学院陈洛忠BeijingJiaotongUniversity(BJTU)第六章无源逆变电路BeijingJiaotongUniversity(BJTU)6.1概述•无源逆变直流交流（向负载直接供电）•无源逆变电路简称逆变电路通常由全控器件构成•逆变与变频逆变电路经常与变频的概念联系在一起变频电路：分为交交变频和交直交变频两种，后者由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变BeijingJiaotongUniversity(BJTU)•无源逆变技术的应用直流电源如蓄电池、干电池和太阳能电池逆变电路交流负载供电直流电源给交流负载供电BeijingJiaotongUniversity(BJTU)交流电源：列车照明、感应加热电源、电解电镀电源、不停电电源（UPS）、高频焊机、高频电子镇流器和航空电源等交流调速系统：铁道牵引、大型工矿机车、城市有轨交通（地铁和轻轨车）、重型电传动汽车和矿井提升设备等RO1BrakeControl+24VBrakeResistorBeijingJiaotongUniversity(BJTU)逆变器的基本类型•按电路结构分类桥式零式•按输出相数分类单相多相•按器件分类半控型全控型•按调制方法分类PWMPAM方波、阶梯波•按导通的角度分类180120•按强迫换流的特点谐振型并联电容型等BeijingJiaotongUniversity(BJTU)•按直流侧电源的性质分类（常用此分类）电压型逆变器电流型逆变器直流侧电源为准恒压源直流侧电源为准恒流源BeijingJiaotongUniversity(BJTU)6.2无源逆变电路原理一、单相半桥逆变电路1、电路结构BeijingJiaotongUniversity(BJTU)2、工作原理/波形分析T1导通、T2截止：Uan=Ud/2T1截止、T2导通：Uan=-Ud/2BeijingJiaotongUniversity(BJTU)结论①T1、T2轮流导通，使直流变为交流②改变T1、T2的切换频率，便可改变输出交流的频率，即变频③与输出电压同方向的电流流过开关管T，与输出电压反方向的电流流过二极D，因此在电压型逆变器中二极D是必须的，它提供了反向电流通路，故称为反馈二极管。同时D又起着使负载电流连续的作用，因此又称为续流二极管④T1、T2不能同时导通，否则将出现直流电源短路——贯穿短路。因此电压型逆变器同一桥臂上、下管的控制必须遵循“先断后开”原则BeijingJiaotongUniversity(BJTU)3、基本关系输出电压有效值输出电压表达式基波电压有效值电感负载电流峰值R-L负载电流基波分量5,3,1sin2ndantnnUuddUUU45.0221)sin()(2)(12211tLRUtioLfUdom08/I2422/12/02dTodoanUdtUTUBeijingJiaotongUniversity(BJTU)二、单相全桥逆变电路1、电路结构BeijingJiaotongUniversity(BJTU)2、工作原理、波形分析T1、T4导通，T2、T3截止：Uan=UdT1、T4截止，T2、T3导通：Uan=-UdBeijingJiaotongUniversity(BJTU)3、基本关系输出电压表达式基波电压有效值电感负载电流峰值R-L负载电流其中5,3,1sin4)(nDabtnnUtuDDUUU9.0241LfUDom04/I5,3,11)sin(nnnmotnnZUi22)(LnRZnRLnnarctanBeijingJiaotongUniversity(BJTU)四、两种单相逆变电路比较1、单相全桥逆变电路在单相逆变电路中，全桥逆变电路应用最多2、单相半桥逆变电路结构简单，所用器件比全桥电路少一半。但输出交流电压幅值低，且直流侧需要两个电容串联，工作时需要控制两个电容器电压的均衡常用于几KW以下的小功率逆变电源等场合BeijingJiaotongUniversity(BJTU)6.3三相逆变器工作原理一、三相电压型逆变器工作原理•负载连接方式Δ型连接Y型连接电路结构•根据各管导通时间分：180导电型120导电型电压型三相桥式逆变器原理图BeijingJiaotongUniversity(BJTU)1、功率器件的控制规律•导通顺序•六个阶段，依次相差60•任何时刻有三个开关管同时导通•各管导通180OUG1ωtOUG2ωtOUG3ωtOUG4ωtOUG5ωtOUG6ωtT1ππ2T2T3T4T5T6ⅠⅡⅢ（一）1800导电型工作原理BeijingJiaotongUniversity(BJTU)2、各阶段等值电路及电压值BeijingJiaotongUniversity(BJTU)3、电压波形相电压波形（六阶梯波）线电压波形（矩形波）电压型逆变器：①输出电压波形与负载性质（负载阻抗角）无关BeijingJiaotongUniversity(BJTU)4、感性负载电流负载电流阻抗角小于60（a）A相电压波形Uan（b）A相电流波形ia（c）T1的电流波形iT1（d）D4的电流波形iD4（e）直流输入电流id负载电流阻抗角大于60电压型逆变器：②输出电流波形与负载性质（负载阻抗角）有关③直流侧电流是脉动电流BeijingJiaotongUniversity(BJTU)5、电压表达式相电压表达式线电压表达式...)11sin1117sin715sin51(sin2ttttUudan...)11sin1117sin715sin51(sin32ttttUudab方波控制时：①输出电压中含有大量的谐波分量，特别是5、7、11、13次等谐波BeijingJiaotongUniversity(BJTU)相电压有效值线电压有效值dddanUUUU471.033223342122ddabUUU816.0)3(242方波控制时：②交流输出电压与直流侧电压的关系固定，即方波输出电压型逆变器本身不能调节输出电压。若想调节逆变器输出电压，只有通过调节直流侧电压，即通过PAM控制方式实现BeijingJiaotongUniversity(BJTU)120导通型三相逆变器的输出波形相电压波形线电压波形BeijingJiaotongUniversity(BJTU)180导通方式和120导通方式的比较：120方式上下两管间有60的间隙，对换流有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，则始终有一相断开，在换流时会引起较高的感应势，而180方式无论在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，故180方式应用较为普遍BeijingJiaotongUniversity(BJTU)感性负载情况负载电流滞后角小于60（a）A相电压波形（b）A相电流波形（c）T1的电流波形（d）D4的电流波形（e）直流输入电流BeijingJiaotongUniversity(BJTU)负载电流滞后角大于60BeijingJiaotongUniversity(BJTU)感性负载下逆变器中可能有三种电流：功率电流它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载环路电流它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源反馈电流它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去BeijingJiaotongUniversity(BJTU)（三）电压型逆变器有功功率的反馈•电动机负载工作在发电机状态时，其发出的电能通过逆变器电路中的反馈二极管D1~D6回馈到直流侧，使直流侧电压Ud升高•为限制Ud，必需将回馈的电能消耗掉或回馈到电网，具体方案有：通过制动单元消耗掉通过有源逆变桥回馈到电网（见再生方案1）通过脉冲整流器回馈到电网（见再生方案2）BeijingJiaotongUniversity(BJTU)•再生方案1系统可四象限运行功率因数低谐波电流大主电路复杂通过有源逆变器将再生能量反馈给电网逆变器/电机系统的再生方案一BeijingJiaotongUniversity(BJTU)•再生方案2系统可四象限运行功率因数高（接近于1）谐波电流小控制较复杂通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网逆变器/电机系统的再生方案二BeijingJiaotongUniversity(BJTU)二、三相电流型逆变器工作原理1、电路结构：电流型逆变器：①感性负载时，输出侧要接电容以吸收换流时负载电感中存的能量②桥臂必须是“逆阻型”桥臂BeijingJiaotongUniversity(BJTU)另外一种电路形式BeijingJiaotongUniversity(BJTU)优点：由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多电路对晶闸管关断时间（即晶闸管的快速性）的要求比电压型逆变器的要求低，电路相对电压型也比较简单，造价略低BeijingJiaotongUniversity(BJTU)2、工作原理及主要波形（以1200导电方式为例）功率器件的控制规律OUG1T1πOG2OG3OG4OG5T1T2T3T4T5OG6T6T62ππ2π2πT2T3πT4π2T5ππ2T6π2ππUUUUUBeijingJiaotongUniversity(BJTU)线电流波形负载Δ型连接时的相电流波形电流型逆变器③输出电流波形与负载性质（负载阻抗角）无关电流型三相逆变电路1200导电的相电流、线电流波形BeijingJiaotongUniversity(BJTU)•负载Δ型连接时：...)11sin1117sin715sin51(sin2ttttIidAB方波控制时：①输出电流中含大量谐波分量，特别是5、7、11、13次等谐波②交流输出电流与直流侧电流的关系固定，即方波输出电流型逆变器本身不能调节输出电流。若想调节逆变器输出电流，则只有通过调节直流侧电流，即通过PAM控制方式实现线电流表达式相电流表达式...)11sin1117sin715sin51(sin32ttttIissssdABeijingJiaotongUniversity(BJTU)理想情况下，相电流中：基波电流的幅值为基波电流有效值为相电流的有效值为ddAmIII1.132)1(ddAIII78.06)1(ddAIII816.043212BeijingJiaotongUniversity(BJTU)3、电流型逆变器有功功率的反馈：•再生方案1将交流电源端的相控整流器控制角后移到90，使整流器成为有源逆变器，工作在再生状态BeijingJiaotongUniversity(BJTU)•再生方案2通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网图6.14　由电流型脉冲整流器供电的电流型交直交系统M～C4C5C6T1T3T5T4T6T2Ldabc脉冲整流器直流滤波电流型逆变器滤波电机C1C2C3ABC滤波储能电容BeijingJiaotongUniversity(BJTU)4、特点：•由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多。电路对功率器件关断时间（即功率器件快速性）的要求比电压型逆变器的要求低•不需要增设反并联的再生变流装置•电感重量、体积都很大，实际使用不如电压型逆变器广泛BeijingJiaotongUniversity(BJTU)小结电压型逆变器与电流型逆变器特点比较：直流侧电路桥臂桥臂控制交流输出电路交流输出电压、电流与负载性质是否有关有功功率反馈BeijingJiaotongUniversity(BJTU)6.4PWM技术•方波控制逆变