电力电子技术 (14)

合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组电力电子技术PowerElectronicTechnology合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组第十三讲无源逆变13.0引言13.1无源逆变的基本原理13.2电压型逆变电路13.3电流型逆变电路13.4多重逆变电路和多电平逆变电路合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.0引言逆变概念逆变——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，为无源逆变本章讲述无源逆变逆变与变频变频电路：交交变频和交直交变频两种交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组13.0引言逆变电路的应用蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路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合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.1无源逆变的基本原理主要介绍逆变电路的基本工作原理和换流方式合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.1无源逆变的基本原理13.1.1逆变电路的基本工作原理13.1.2换流方式分类合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.1.1逆变电路的基本工作原理单相桥式逆变电路为例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S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正图5-1逆变电路及其波形举例负载a)b)图5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.1.1逆变电路的基本工作原理S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电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（图5-1b）t1前：S1、S4通，uo和io均为正t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.1.2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，也称换相开通：适当的门极驱动信号就可使其开通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13.1.2换流方式分类换流方式1.器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流（DeviceCommutation）2.电网换流由电网提供换流电压称为电网换流（LineCommutation）可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件3.负载换流由负载提供换流电压称为负载换流（LoadCommutation）负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.1.2换流方式分类基本的负载换流逆变电路：采用晶闸管负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入直流侧串入大电感Ld，id基本没有脉动ttttRLCOOOOiit1b)a)图5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4图5-2负载换流电路及其工作波形合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.1.2换流方式分类工作过程（工作波形图5-2b）4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uot1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.1.2换流方式分类4.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向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流（ForcedCommutation）通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流直接耦合式强迫换流——由换流电路内电容提供换流电压VT通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断SVT负载+-图5-3图5-3直接耦合式强迫换流原理图合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.1.2换流方式分类电感耦合式强迫换流：通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流两种电感耦合式强迫换流：图5-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断图5-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图5-3）先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流CL+VDSCVT负载+LSVT负载VDb)a)图5-4图5-4电感耦合式强迫换流原理图合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.1.2换流方式分类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——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，则称为熄灭合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.2电压型逆变电路13.2.0概述13.2.1单相电压型逆变电路13.2.2三相电压型逆变电路合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.2.0概述逆变电路按其直流电源性质不同分为两种电压型逆变电路或电压源型逆变电路电流型逆变电路或电流源型逆变电路电压型逆变电路的特点(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动(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。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管+-CRL图5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio图5-5电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）图5-1电路的具体实现合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.2.1单相电压型逆变电路1．半桥逆变电路电路结构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，互补uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2+-RLa)ttOOONb)图5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2图5-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.2.1单相电压型逆变电路io波形随负载而异，感性负载时，(图5-6b)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,还使io连续，又称续流二极管特点优点：简单，使用器件少缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡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合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.2.1单相电压型逆变电路2．全桥逆变电路电路结构及工作情况(图5-5)，两个半桥电路的组合1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°uo波形同图5-6b半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Udio波形和图5-6b中的io相同，幅值增加一倍单相逆变电路中应用最多的图5-5电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）+-CRL图5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.2.1单相电压型逆变电路输出电压定量分析uo成傅里叶级数基波幅值基波有效值uo为正负各180°时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现tttUu5sin513sin31sin4doddo1m27.14UUUdd1o9.022UUU(5-1)(5-2)(5-3)合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.2.1单相电压型逆变电路3.移相调压可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压各栅极信号为180°正偏，180°反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变V3的基极信号只比V1落后q(0q180°)V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°-quo成为正负各为q的脉冲，改变q即可调节输出电压有效值+-CRLtOtOtOtOtOqa)b)图5-7UdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo图5-7单相全桥逆变电路的移相调压方式合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.2.1单相电压型逆变电路4．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负载+-图5-8iouoUdV1V2VD1VD2图5-8带中心抽头变压器的逆变电路与全桥电路的比较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必须有一个变压器合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.2.2三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成180°导电方式每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，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N'N+-UVW图5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2图5-9三相电压型桥式逆变电路合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.2.2三相电压型逆变电路波形分析tOtOtOtOtOtOtOtO图5-10a)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.2.2三相电压型逆变电路负载各相到电源中点N'的电压：U相，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2负载线电压(5-4)负载相电压(5-5)负载中点和电源中点间电压(5-6)UN'WN'WUWN'VN'VWVN'UN'UVuuuuuuuuu'NNWN'WNNN'VN'VNNN'UN'UNuuuuuuuuu)(31)(31WNVNUNWN'VN'UN'NN'uuuuuuu合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组13.2.2三相电压型逆变电路负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是(5-7)利用式(5-5)和(5-7)可绘出uUN、uVN、uWN波形负载已知时，可由uUN波形求出iU波形一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉