第4章-逆变电路南余荣

电力电子技术4.1逆变器的分类与换流技术4.2单相方波逆变4.3单相SPWM逆变4.4三相桥式方波逆变4.5三相SPWM逆变4.6多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结第4章直流-交流逆变变换技术电力电子技术2引言直流-交流变换是将直流电变成交流电的过程，也称为逆变变换。当逆变电路的交流侧接电网，称为有源逆变。交流侧接负载，称为无源逆变。变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。逆变器的应用场合有很多。各种直流电源的逆变电路，如蓄电池、干电池、太阳能电池。交流电机调速用变频器等电力电子装置。电力电子技术34.1逆变器的分类与换流方式4.1.1逆变器的分类4.1.2换流方式电力电子技术44.1.1逆变器的分类逆变器的分类方法常用有：据输入直流电源特点，分为电压型和电流型逆变器。电压型逆变器为恒压源，一般接有储能电容器。电流型逆变器为恒流源，一般接有储能大电感。根据电路的结构特点，可分为半桥式逆变电路、全桥式逆变电路、推挽式逆变电路等。根据开关器件工作状态，可分为软开关逆变电路和硬开关逆变电路。电力电子技术54.1.1逆变器的分类根据输出波形，可分为正弦波逆变器和非正弦波逆变器。根据输出相数，分单相逆变电路和三相逆变电路。方波逆变电路有导通型180o和导通型120o等方式。采用PWM技术的PWM逆变电路，输出谐波含量小。逆变电路可能引起电路工作电流通路的改变：换流（也称为换相）。电力电子技术64.1.2换流方式电力电子中采用的换流方式有以下几种。1．器件换流（DeviceCommutation）利用全控型器件的自关断能力进行换流。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。适用于半控型器件不需要为换流添加任何元件。电力电子技术74.1.2换流方式图4-1直接耦合式强迫换流原理图3．负载换流（LoadCommutation）利用负载回路中电感、电容形成的振荡特性，使电流自动过零。4．强迫换流（ForcedCommutation）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。如图4-1，利用附加电容上所储存的能量来实现。电力电子技术84.2单相方波逆变4.2.1电压型单相方波逆变电路4.2.2电流型单相方波逆变电路电力电子技术94.2单相方波逆变·引言直流侧为电压源的逆变电路称电压型逆变电路，特点直流侧为电压源或并联大电容，电压基本无脉动。输出电压为矩形波。阻感负载时需提供无功功率。逆变桥各臂并联反馈二极管。直流侧为电流源的逆变电路称电流型逆变电路。特点直流侧为电流源或串联大电感。直流回路串以大电感，储存无功功率，高阻抗的电源内阻特性。电力电子技术104.2单相方波逆变·引言改变逆变器两端直流电压极性来改变能量流动方向并反馈无功功率，无需设置无功二极管作为反馈通道。可以看出：电压源型逆变器适合于稳频稳压电源、不可逆电力拖动系统、快速性要求不高的应用场合。电流源型逆变器适用于频繁加、减速，正、反转的单电机可逆拖动系统。电力电子技术114.2.1电压型单相方波逆变电路图4-2电压型单相半桥方波逆变电路及其工作波形a)逆变电路1.电压型单相半桥方波逆变电路电路结构半桥方波逆变电路结构如图4-2a）所示。由两个导电臂构成。在直流侧足够大的电容C1和C2，C1=C2。感性负载连接在A、O两点间。a)电力电子技术124.2.1电压型单相方波逆变电路工作原理电力晶体管VT1和VT2的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。工作波形如图4-2b)。输出uo为矩形波，幅值为Ud/2。在t1～t2期间VT1导通，uo=Ud/2。a)b)图4-2电压型单相半桥方波逆变电路及其工作波形a)逆变电路b)工作波形0tt0d0.5Ud0.5U1VD2VD1VT2VT2t1t3t4t5t6tOiOu1VD2VD1VT电力电子技术134.2.1电压型单相方波逆变电路在t2～t3期间，t2时刻VT1关断，同时给VT2发出导通信号。VD2导通续流，uo=-Ud/2。a)b)图4-2电压型单相半桥方波逆变电路及其工作波形a)逆变电路b)工作波形在t3～t4期间，t3时刻io降至零，VD2截止，VT2才有电流通过，io开始反向增大。0tt0d0.5Ud0.5U1VD2VD1VT2VT2t1t3t4t5t6tOiOu1VD2VD1VT电力电子技术144.2.1电压型单相方波逆变电路在t4～t5期间，t4时刻VT2关断，VT1发出导通信号。VD1导通续流，t5时刻VT1才有电流通过，uo=-Ud/2，t4～t5期间与0～t1期间对应。a)b)图4-2电压型单相半桥方波逆变电路及其工作波形a)逆变电路b)工作波形0tt0d0.5Ud0.5U1VD2VD1VT2VT2t1t3t4t5t6tOiOu1VD2VD1VT电力电子技术154.2.1电压型单相方波逆变电路当VT1或VT2导通时，负载电流与电压同方向，直流侧向负载供能；当反向，VD1或VD2导通时，能量向直流侧反馈。半桥逆变电路优点是使用的器件少；其缺点是输出交流电压的幅值仅为Ud/2，且需要分压电容器。a)b)图4-2电压型单相半桥方波逆变电路及其工作波形a)逆变电路b)工作波形0tt0d0.5Ud0.5U1VD2VD1VT2VT2t1t3t4t5t6tOiOu1VD2VD1VT电力电子技术164.2.1电压型单相方波逆变电路2.电压型单相全桥方波逆变电路电路结构如图4-3所示。VT1和VT4构成一组，VT2和VT3构成一组，交替导通,180o。两桥臂中点为输出连接点，接负载。图4-3单相全桥方波逆变电路及其工作波形a）逆变电路a)电力电子技术174.2.1电压型单相方波逆变电路工作原理VT1和VT4导通时，uo=Ud，■如果io为负值，VD1VD4通过电流；■如果io为正值，VT1VT4通过电流；图4-3单相全桥方波逆变电路及其工作波形a）逆变电路b）工作波形a)b)0t0t1VD2VDdUdU1VT2VT3VD4VD3VT4VTOiOu1t6t5t4t3t2t1VD4VD1VT4VT电力电子技术184.2.1电压型单相方波逆变电路VT2和VT3导通时，uo=-Ud，■如果io为正值，VD2VD3通过电流；■如果io为负值，VT2VT3通过电流；VD1--VD4起续流作用，输出电压幅值为Ud。图4-3单相全桥方波逆变电路及其工作波形a）逆变电路b）工作波形a)b)0t0t1VD2VDdUdU1VT2VT3VD4VD3VT4VTOiOu1t6t5t4t3t2t1VD4VD1VT4VT电力电子技术194.2.1电压型单相方波逆变电路基本数量关系将图4-3中电压波形uo展开成傅氏级数得：式中基波幅值Uo1m基波有效值Uo1分别为ddo1m27.14UUUdd1o9.022UUU(4-1)(4-2)(4-3)dO411(sinsin3sin5)π35UutttLL2πf1/fT总谐波畸变因数为22ABnm22AB1m1nnnTHDUCU(4-4)Cn=1/n,为各次谐波相对于基波幅值的标幺值，偶次谐波的系数为零。电力电子技术204.2.1电压型单相方波逆变电路3．单相全桥逆变移相调压方式工作原理阻感负载时，还可采用移相调压。当VT3的基极信号比VT1落后角度（0＜＜180°），即VT3、VT4的栅极信号分别比VT2、VT1的前移180°-。其移相调压方式如图4-4所示。图4-4单相全桥方波逆变电路的移相调压方式0t0tG1utG4ut00tG3u0G2uOu1tOiOiOu2t3t电力电子技术214.2.1电压型单相方波逆变电路工作原理在0～t1，VT1和VT4导通,uo=Ud。在t1～t2，VT1继续导通，VT3导通VT4截止，uo=0。在t2～t3，VT3继续导通,VT2导通VT1截止,负载电流为正,uo=-Ud。负载电流下降过零并开始反向，VT2VT3导通,VD2VD3截止，uo=-Ud。图4-4单相全桥方波逆变电路的移相调压方式0t0tG1utG4ut00tG3u0G2uOu1tOiOiOu2t3t电力电子技术224.2.1电压型单相方波逆变电路图4-4单相全桥方波逆变电路的移相调压方式在t3时刻之后，VT2继续导通，VT4导通VT3截止，负载电流为负，uo再次为零。调节就可调节输出电压。数值分析将图4-4中的电压波形uo展开成傅氏级数得dO413(sincossincos3π23215sincos5)52UutttLL(4-5)0t0tG1utG4ut00tG3u0G2uOu1tOiOiOu2t3t电力电子技术4.2.1电压型单相方波逆变电路各次谐波的幅值Uonm和有效值Uon分别为23Onmd4sinπ2nUUdOn4sin2π2UnU1,3,5......n1,3,5......n(4-6)(4-7)例题4-1：采用移相调压控制的单相全桥方波逆变电路，直流电压Ud=310V，当两个桥臂控制移相角为120°，输出电压是正负各为角度方波，求输出电压有效值Uo和输出电压基波有效值Uo1。解：由于输出电压为方波，其有效值Od120310253180180oooUU输出电压的基波有效值dO141120sin2π2oUU=43101120sin2422π2o（V）（V）电力电子技术244.2.1电压型单相方波逆变电路图4-5带中心抽头变压器的方波逆变电路4.带中心抽头变压器的方波逆变电路电路结构变压器原边两绕组顺向绕制，中间抽头接电源1端设变压器匝比为1：1：1工作原理当VT1导通，VT2承受电压为电源Ud与绕组W2电势之和，2Ud。uo和io波形及幅值与全桥逆变电路相同。电力电子技术254.2.2电流型单相方波逆变电路电路结构电路如图4-6所示；输入侧为串接大电感的电流源；主电路开关管采用自关断器件时，支路串入二极管。图4-6电流型单相桥式方波逆变电路与工作波形a)逆变电路b)工作波形Tt0b)OidIdIa)电力电子技术264.2.2电流型单相方波逆变电路工作原理当VT1、VT4导通，VT2、VT3关断时，io=Id。当以频率f交替切换开关VT1、VT4和VT2、VT3时，如图4-6b)所示的电流波形。电压波形由负载性质决定。图4-6电流型单相桥式方波逆变电路与工作波形a)逆变电路b)工作波形Tt0b)OidIdIa)电力电子技术274.2.2电流型单相方波逆变电路数值分析将图4-6b)所示的电流波形io展开成傅氏级数，有图4-6电流型单相桥式方波逆变电路与工作波形b)工作波形Tt0b)OidIdI(4-8)(4-9)(4-10)其中基波幅值Io1m和基波有效值Io1分别为dO411(sinsin3sin5)π35IitttLLdO1md41.27πIIIdO1d40.9π2III电力电子技术284.3单相SPWM逆变4.3.1三角波调制法及其控制模式4.3.2同步调制与异步调制4.3.3单极性与双极性PWM模式4.3.4SPWM的自然取样法和规则取样法4.3.5电流跟踪PWM逆变控制技术电力电子技术294.3.1三角波调制法及其控制模式脉冲宽度调制（PWM）技术在逆变电路中的应用最为广泛，以前讲述了PWM等面积原理。利用PWM技术，用PWM波代替正弦半波：脉冲宽度为/N的、幅值顶部大小按正弦规律变化的脉冲序列组成。中点重合，且面积相等，这就是PWM波形。ututa)b)图4-7PWM波代替正弦半波a)正弦半波b)PWM波电力电子技术304.3.1三角波调制法及其控制模式与正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（SinusoidalPWM）波形。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。PWM