电力电子技术第4章-逆变电路资料

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。■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。34.1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44.1.1逆变电路的基本工作原理■单相桥式逆变电路的工作原理◆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。54.1.1逆变电路的基本工作原理负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2◆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。64.1.2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。换流方式器件换流电网换流利用全控型器件的自关断能力进行换流负载换流强迫换流74.1.2换流方式分类◆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。uuu10ud2010OOIdidUdaVT1VT2VT2id=iVT+iVT12iiiwtwtEM84.1.2换流方式分类a)uωtωtωtωtOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4◆负载换流☞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。94.1.2换流方式分类◆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。☞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。强迫换流直接耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流104.1.2换流方式分类电感耦合式强迫换流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114.1.2换流方式分类器件换流电网换流只适用于全控型器件负载换流强迫换流针对晶闸管而言自然换流外部换流124.2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134.2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。144.2.1单相电压型逆变电路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2■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。154.2.1单相电压型逆变电路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2◆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。☞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。164.2.1单相电压型逆变电路☞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。a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2174.2.1单相电压型逆变电路◆优点是简单，使用器件少；◆缺点是输出交流电压的幅值Um仅为Ud/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。a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2184.2.1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。◆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。◆工作方式（1）两对桥臂交替导通180°，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。（2）移相调压方式194.2.1单相电压型逆变电路◆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。204.2.1单相电压型逆变电路☞工作过程√t1时刻前V1和V4导通，uo=Ud。√t1时刻V4截止，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。214.2.1单相电压型逆变电路√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。224.2.1单相电压型逆变电路■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。234.2.2三相电压型逆变电路■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。假想中点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244.2.2三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3■工作波形◆对于U相输出，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。254.2.2三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3◆负载线电压uUV、uVW、uWUUN'WN'WUWN'VN'VWVN'UN'UVuuuuuuuuu264.2.2三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3◆负载各相的相电压'NNWN'WNNN'VN'VNNN'UN'UNuuuuuuuuu(4-5)274.2.2三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3◆负载各相的相电压'NNWN'WNNN'VN'VNNN'UN'UNuuuuuuuuuNN'UN'VN'WN'UNVNWNUN'VN'WN'1()31()31=()3uuuuuuuuuu284.2.2三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3(4-5)◆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g给出的是阻感负载下iU的波形。◆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，id每隔60°脉动一次。294.2.2三相电压型逆变电路■基本的数量关系◆把输出线电压uUV展开成傅里叶级数得nktnntUtttttUuwwsin)1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV式中，，k为自然数。16kn◆输出线电压有效值UUV为d202UVUV816.0d21UtuUw(4-8)304.2.2三相电压型逆变电路◆把uUN展开成傅里叶级数得ntnntUtttttUuwwsin1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2ddUN式中，，k为自然数。16kn◆负载相电压有效值UUN为d202UNUN471.0d21UtuUw314.3电流型逆变电路4.3.1单相电流型逆变电路4.3.2三相电流型逆变电路324.3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。334.3.1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。单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路344.3.1单相电流型逆变电路■工作波形分析◆在交流电流的一个周期内，有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。354.3.1单相电流型逆变电路◆在t2时刻触发VT2和VT3开通，开始进入换流阶段。☞由于换流电抗器LT的作用，VT1和VT4不能立刻关断，其电流有一个减小过程，VT2和VT3的电流也有一个增大过程。364.3.1单相电流型逆变电路☞4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。√一个回路是经LT1、VT1、VT3、LT3回到电容C。√另一个回路是经LT2、VT2、VT4、LT4回到电容C。374.3.1单相电流型逆变电路◆当t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，直流侧电流Id全部从VT1、VT4转移到VT2、VT3，换流阶段结束。384.3.1单相电流型逆变电路◆晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，t4时刻换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间t，tβ=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq。394.3.1单相电流型逆变电路◆为保证可靠换流应在uo过零