第4章 逆变电路 电力电子技术

电力电子技术雷慧杰第4章逆变电路引言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节本章学习目标与要求了解逆变电路的概念、换流方式和应用。理解基本的逆变电路的结构及其工作原理。掌握电压型逆变电路和电流型逆变电路的工作原理。本章重点与难点重点：电压型逆变电路和电流型逆变电路的工作原理、波形分析。难点：无源逆变电路工作原理、波形分析。第4章逆变电路•引言•逆变的概念逆变——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。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。•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。本章讲述无源逆变4.1换流方式4.1.1逆变电路的基本工作原理4.1.2换流方式分类以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理4.1.1逆变电路的基本工作原理图4-1逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。4.1.1逆变电路的基本工作原理S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。直流电交流电4.1.1逆变电路的基本工作原理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。图4-1逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2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。4.1.2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。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。关断：全控型器件可通过门极关断。半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在本章集中讲述。4.1.2换流方式分类1)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。2)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。3)负载换流（LoadCommutation）4)强迫换流（ForcedCommutation）a)uoωtωtωtωtOOOOiit1b)uoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4图4-2负载换流电路及其工作波形◆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。☞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id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uo接近正弦波。√注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。4.1.2换流方式分类4）强迫换流（ForcedCommutation）4.1.2换流方式分类由换流电路内电容直接提供换流电压直接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电感耦合式强迫换流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4.1.2换流方式分类直接耦合式强迫换流当晶闸管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图4-4电感耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压。也叫电流换流。4.1.2换流方式分类•换流方式总结：器件换流——适用于全控型器件。其余三种方式——针对晶闸管。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。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4.2电压型逆变电路1）逆变电路的分类——根据直流侧电源性质的不同电压型逆变电路——又称为电压源型逆变电路VoltageSourceTypeInverter-VSTI直流侧是电压源电流型逆变电路——又称为电流源型逆变电路CurrentSourceTypeInverter-CSTI直流侧是电流源4.2电压型逆变电路2）电压型逆变电路的特点图4-5电压型全桥逆变电路(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。(3)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。4.2.1单相电压型逆变电路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2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V1和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。☞输出电压uo为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2图4-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形☞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,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。4.2.1单相电压型逆变电路☞电路带阻感负载，t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，则V1关断，但感性负载中的电流io不能立即改变方向，于是VD2导通续流，当t3时刻io降零时，VD2截止，V2开通，io开始反向，由此得出如图所示的电流波形。4.2.1单相电压型逆变电路优点：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。■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)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☞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。☞工作过程√t1时刻前V1和V4导通，uo=Ud。√t1时刻V4截止，而因负载电感中的电流io不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流，uo=0。√t2时刻V1截止，而V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，uo=-Ud。√到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，uo仍为-Ud。√t3时刻V3截止，而V4不能立刻导通，VD4导通续流，uo再次为零。☞改变就可调节输出电压。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。◆Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，uo和io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2Ud，比全桥电路高一倍。☞必须有一个变压器。4.2.1单相电压型逆变电路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tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3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，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)4.2.2三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3图4-10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4-10g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4-10h所示，可以看出id每隔60°脉动一次。4.2.2三相电压型逆变电路■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)4.2.2三相电压型逆变电路◆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