第6讲现代电力电子技术(DCAC)

现代电力电子技术第六章DC/AC变换6.1逆变电路的分类和控制方式6.1.1逆变电路的分类按直流电源的性质分类:电压型逆变电路电流型逆变电路按逆变电路输出交流电的相数分类:单相逆变电路三相逆变电路多相逆变电路按负载以及能量传递情况分类:无源逆变器有源逆变器按逆变器输出电平的数目分类:两电平逆变电路三电平逆变电路多电平逆变电路按逆变器输出交流电的频率分类:工频逆变（50HZ~60HZ）中频逆变（几百赫兹至十几千赫兹）高频逆变（十几千赫兹至十几兆赫兹）6.1.2逆变电路的控制方式1、对器件进行180°或120°导通控制，使逆变器输出波形为方波或阶梯波，这种方式对器件的工作频率要求较低。——要求开关器件动作慢。2、采用斩波控制，这种方式可以减少输出波形的谐波，使输出波形更接近理想波形。——要求开关器件动作快。6.2电压型逆变电路6.2.1单相电压型逆变电路1、单相半桥式逆变电路某弧焊逆变电源主电路单相全波可控整流电路和单相半桥式逆变电路单相全波可控整流电路单相半桥式逆变电路单相半桥式逆变电路及其波形图等效电路及其波形图0~t2区间：VT1正偏（上桥臂通），VT2反偏（下桥臂关断），负载电压uo=uAN=Ud/2。0～t1区间：io与uo方向相反，电流通路为：N→R→L→VD1→C1(+),L放能。t1~t2区间：io流向变为从右向左，VT1通，VD1断。电流流通路径为：C1(+)→VT1→L→R→N，L储能。t2~t4区间：VT1反偏（上桥臂断），VT2正偏（下桥臂通），负载电压uo=uAN=－Ud/2。t2~t3区间：io＞0，负载电感放能，故VD2导通，VT2关断，io减小，电流流通路径为：C2(-)→VD2→L→R→Nt3~t4区间：L储能释放完毕，VD2关断，VT2开始导通，电感反向充电，io反向增加。电流流通路径为：C2(+)→R→L→VT2→C2(-)2、单相全桥式逆变电路等效电路及其波形图固定脉冲控制方式VT1、VT4驱动信号同相，VT2、VT3驱动信号同相，而VT1、VT4和VT2、VT3的驱动信号互补，逆变器输出的交流电压和电流波形与半桥式逆变器基本相同，区别是全桥式逆变器导通器件为对角桥臂开关器件成对导通，因而负载输出电压幅值为直流电压值，是半桥电路的2倍。固定脉冲控制方式的交流输出电压仍为正负电压各为180°的方波，输出电压有效值的调节只能靠改变直流侧电压Ud完成，由于直流侧并联有大电容，影响了调节的快速性。移相控制方式对成对导通的两组开关器件（对角开关器件为一组）的驱动信号不再按相差控制，而是移动一定角度，使输出电压波形的宽度发生变化，从而实现调节输出电压的目的。VT1、VT4和VT3、VT2的驱动信号互补，但VT1与VT4、VT2与VT3的驱动信号错开δ角。脉冲移相控制时的工作波形0~t1区间：K1、K4通，K2、K3断，io﹤0t1~t2区间：K1、K4通，K2、K3断，io﹥0t2~t3区间：K1、K2通，K3、K4断，io﹥0t3~t4区间：K2、K3通，K1、K4断，io﹥0t4~t5区间：K2、K3通，K1、K4断，io﹤0t5~t6区间：K3、K4通，K1、K2断，io﹤03、推挽式单相逆变电路电路结构与单相全波可控整流电路相同。开关由IGBT和二极管反并联组成，副边绕组接负载。交替驱动VT1和VT2，则在变压器副边得到波形与全桥电路完全相同的输出电压uo和电流io。6.2.2三相电压型逆变电路低压变频器主电路电压型全桥式逆变电路电压型全桥式逆变电路的控制方式：电压输出波形为180°导通型的方波;电压输出波形为120°导通型的方波;脉冲宽度调制.1、180°导通型方波输出三相逆变器希望输出的三相相电压波形从波形看，每个周期输出六种状态：UW高V低；U高VW低；UV高W低；UW低V高；U低VW高；UV低W高。每个桥臂的导通角度为180°，同一相上下两个桥臂交替导电，三相负载同时施加电压，各相导电的角度依次相差120°。设六个开关为K1~K6，其中K为VT和VD的并联。六个开关的导通顺序为K1、K2、K3、K4、K5、K6.在同一时刻，有三个开关导通，或者上桥臂一个下桥臂两，或者上桥臂两开关下桥臂一个。负载线电压为输出相电压之差每个输出周期分六个开关组合状态①U相高的前60°、V相低的中间60°和W相高的后60°，K1、K5、K6导通当电流为负时（感性负载电流滞后电压），实际导通器件可能为二极管。等效电路如下：直流电压Ud通过K1、K5、K6加到负载的三端。负载U相和W相并联后再与V相串联接到Ud两端。U相和W相并联后的阻抗为每相阻抗的一半。该阻抗与V相阻抗串联后共同承担电压Ud。因此，相对于负载公共点N点，U相和W相上的电压为1/3Ud，V相上的电压为-2/3Ud。②U相高的中间60°、V相低的后60°和W相低的前60°，K1、K2、K6导通相对于N点，U相上的电压为2/3Ud，V相和W相上的电压为-1/3Ud。③U相高的后60°、V相高的前60°和W相低的中间60°，K1、K2、K3导通相对于N点，U相和V相上的电压为1/3Ud，W相上的电压为-2/3Ud。④U相低的前60°、V相高的中间60°和W相低的后60°，K2、K3、K4导通相对于N点，V相上的电压为2/3Ud，U相和W相上的电压为-1/3Ud。⑤U相低的中间60°、V相高的后60°和W相高的前60°，K3、K4、K5导通相对于N点，V相和W相上的电压为1/3Ud，U相上的电压为-2/3Ud。⑥U相低的后60°、V相低前的60°和W相高的中间60°，K4、K5、K6导通相对于N点，U相和V相上的电压为-1/3Ud，W相上的电压为2/3Ud。每相负载上的电压为每相阻抗上的压降2、120°导通型方波输出三相逆变电路该控制方式的逆变电路的上桥臂开关K1、K3、K5和下桥臂开关K4、K6、K2各自以相隔120°的顺序依次导通，一个周期中每个开关导通120°。同一时刻，只有两个开关导通，一个属于上桥臂，另一个属于下桥臂。该方式同一相上下桥臂有60°的导通间隙，对换流的安全有利，但开关器件的利用率较低，并且当电动机采用星型接法时，始终有一相绕组断开，换流时该相绕组中会引起较高的感应电势，需采取过电压保护措施。三相逆变电路及其等效电路希望的三相相电压波形希望输出的三相相电压波形如左图所示。同一时间段，只有两相有输出电压。三相电压互差120°。工作原理分析每个工作周期有六种状态①U、V两相有电压，K1、K6导通②U、W两相有电压，K1、K2导通③V、W两相有电压，K3、K2导通④V、U两相有电压，K3、K4导通⑤W、U两相有电压，K5、K4导通⑥W、V两相有电压，K5、K6导通在180°导通方式的逆变器中，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电源短路，必须在两开关切换时设置死区时间。死区时间：指同一相上的两开关切换时驱动信号同时为0的一段短暂的时间。当两器件切换时，应采取先断后通的方法，即先使应关断的器件关断，其关断一定时间之后，再给应导通的器件发出开通信号，这一间隔要确保应关断的器件关断后才开通另一器件。死区时间的长短取决于器件的开关速度，器件的开关速度越快，所留的死区时间就可以越短。对于工作于上下桥臂通断互补控制方式的任何电路，都必须设置“先断后通”的死区时间。6.3电流型逆变电路直流电源为电流源的逆变电路即为电流型逆变电路。一般电流源的输出端都串联有大电感，使输出电流脉动很小，近似为恒流。6.3.1单相电流型逆变电路晶闸管组成的单相桥式电流型逆变电路VT1~VT4组成逆变电路的四个桥臂，大电感串联于直流电源的输出端，因此直流回路电流Id基本不变。R、L为逆变器的负载，电容C是并联在负载两端的补偿电容器，与L、R组成并联谐振电路。电容C处于过补偿状态，使并联谐振回路的电流超前于电压u0一个角度θ，即R、L、C呈容性，θ的大小取决于电容的补偿程度。在VT1、VT3导通时有正向电流自A流向B，在VT2、VT4导通时有反向电流自B流向A,AB间的电流是方波型的交流电。设0~π区间，VT1、VT3导通，io＝id，C与R、L工作于谐振状态。在ωt=π时刻之前，输出电压uo＞0,VT2、VT4承受正向电压。在ωt=π时刻，VT1与VT2、VT3与VT4需要换流时，触发VT2和VT4，VT2、VT4因受正压而导通，VT1、VT3受反向电压而关断。在io的负半周时刻，触发VT1、VT3，则VT2、VT4承受反向电压关断，VT1、VT3再次导通。晶闸管触发脉冲出现的时刻与负载电压有关，这种利用负载电压使晶闸管关断的方式称为负载换流方式。6.3.2三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路常用于电动机调速，此时负载为感性负载。电流型逆变电路直流回路电流不易变化，在逆变器开关动作时，如果不能保证逆变电路输入电流稳定，则易产生很高的di/dt，影响逆变器的安全运行，电压型逆变电路则没有这类问题。因此目前中小功率变频器大都采用电压型逆变电路，电流型逆变电路很少使用。但是电流型逆变电路的直流电源采用晶闸管可控整流，通过调节控制角可以进行有源逆变，将交流电动机的能量回馈电网，实现节能和四象限运行较为方便。1、三相电流型方波逆变器该电路与120°导通型方波输出三相电压型逆变电路工作原理基本相同，不同之处在于，因是电流源，当开关器件导通时，负载电流为方波。因开关器件采用晶闸管，没有自关断能力，需要并联换流电容C1~C6为其提供反向关断电压。设电路已进入稳定工作状态，在VT1、VT6同时导通区间，电流通路为：Ud(+)→L→VT1→VD1→电动机U相绕组→V相绕组→VD6→VT6→Ud(－)。60°之后,VT2与VT6换流，导通器件为VT1、VT2，电流通路为：Ud(+)→L→VT1→VD1→电动机U相绕组→W相绕组→VD2→VT2→Ud(－)。再过60°，VT3和VT1换流，导通器件为VT2、VT3，电流通路为：Ud(+)→L→VT3→VD3→V相绕组→W相绕组→VD2→VT2→Ud(－),依此类推。同一时刻，总有两个晶闸管导通，它们分别属于上桥臂组和下桥臂组，电动机三相电流为交流方波，其频率取决于VT1~VT6的循环工作周期，电流的大小通过整流电路中晶闸管的触发角来调节。各桥臂的换流主要利用换流电容C1~C6组成的辅助电路完成。现以VT1和VT3的换流过程来说明。在VT3导通之前，导通的两个晶闸管为VT1和VT2，在VT1、VT3阴极之间的电容为C5与C3串联后再与C1并联，用C13表示，其极性为左正右负。在t1时刻，给VT3触发脉冲，则VT3导通，电容C13两端的电压作用在VT1两端，VT1因受反压而关断。电流Id从VT1换到VT3上。因电流Id恒定，C13处于恒流放电状态。在C13放电结束之前，VT1一直承受反压，只要反压时间大于晶闸管的关断时间，就能保证VT1可靠关断。t2时刻，C13放电结束，在负载电感的作用下开始反向充电，当C13两端电压（左-右+）增加到使VD3正向偏置时，VD3导通，此时两个二极管VD1和VD3同时导通，进入二极管换流阶段。随着充电电压C13的增高，iu逐渐减小，iv逐渐增大，到t3时刻，iu=0，iv=Id，VD1关断，完成U相与V相的换流，进入VT2、VT3的稳定导通阶段。2、电流型逆变器在电气传动方面的应用例——无换向器电动机调速系统三相电流型逆变器主要应用于交流电动机调速。其突出优点有三个方面:1、能量可以回馈电网，系统可以四象限运行。电流型逆变器直流环节的电流方向不能改变，但整流电压的极性很容易改变（当整流电路工作于有源逆变状态时电压极性反向），能量可方便地回馈电网。2、整流电路若采取电流PWM控制，可改善输入电流波形，减少谐波。3、由于存在大的平波电抗器，过电流保护比较容易。当逆变侧出现短路等故障时，由于存在电抗器，电流不会突变。把三相电流型逆变器应用于交流同步电动机的变频调速即组成无换向器电动机调速系统,也称负载自然换向电流型交—直—交变频调速系统，是一种适用于大功率（3000KW以上）、高速（600r