电力电子技术04

1、4-1 4-2 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，为有源逆变有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变无源逆变。 主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等对 交流的转换。 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 4-3 逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种： 1）直流侧是电压源的称为电压型逆变电路； 2）直流侧是电流源的称为电流型逆变电路； 本章应掌握内容本章应掌握内容 4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路 4-4 返回 4-5 以单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路为例说明最基本的工

2、作原 理 图4-1 逆变电路及其波形举例 负载 a)b) t S 1 S 2 S 3 S 4 io u o U d u o i o t1t2 S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅 助电路组成。 返回 4-6 逆变电路最基本的工作逆变电路最基本的工作 原理原理 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) t uo i o t1t2 电阻负载电阻负载时，负载电流i io o 和u uo o的波形相同，相位也 相同。 阻感负载阻感负载时，i io o相位滞后 于u uo o，波形也不同。 返回 4-7 换流方式主要是研究如何使器件关断。 换

3、流的基本方式。 1）器件换流（IGBT,GTO,GTR, MOSFET) 2）电网换流 3）负载换流（负载满足的条件？） 4）强迫换流（直接耦合式，电感耦合式） SCR 换流换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程， 也称为换相换相。 返回 4-8 1) 器件换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流。 器件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 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。 3) 负载换流 由负载提供换流电压，当负载为电容性负载时，可 实现负载换流。 返回 4-9 t t

4、 t t RL C O O O O i i t1 1 b) a) Ed Ld VT1 VT2 VT3 VT4 uo io id uo uo io io uVT iVT 1 iVT 4 iVT 2 iVT 3 uVT 1 uVT 4 思考： 1.此电路是电压型逆变还是电流型逆变电路？ 2.如何理解负载电流波形是矩形波？ 3.如何理解电压波形近似为正弦波？（负载特点） 4. 换流过程如何实现？ 4.如何保证顺利可靠换流？ 负载换流电路及其工作波形 返回 4-10 直接耦合式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。 也叫电压换流电压换流。

5、 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。 也叫电流换流电流换流。 4)强迫换流 返回 4-11 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，则称为熄灭熄灭。 返回 4-12 返回 l 单相半桥电压型逆变电路 l 单相全桥电压型逆变电路 l 带中心抽头变压器逆变电路 l 三相全桥电压型逆变电路 4-13 （

6、1） 半桥逆变电路 导电方式：V1，V2驱动信号互补，各导通180 图46 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 返回 4-14 工作原理： （1）t1t2 电源电压经V1对负载供电，电流指数规律 上升。负载电压为1/2ud. （2）t2t3 电感经VD2续流，电流指数规律下降。负 载电压为-1/2ud. （3） t3t4 电源经V2对负载供电，电流指数规律 反向上升。负载电压为-1/2ud. （4） t4t4 电感经VD1续流，电流指数规律反向 下降，负载电压为1/2ud. 因为是阻感负载，呈感性，电流滞后电压，滞 后角=arctanL/R. 单向半桥电压逆变电路优缺点总结： 优点：所用器件少

7、。 缺点：u0幅值小，只有电源电压的一半，并且输入端 接两个电容，还需保证 C1=C2,不能精确满足。 思考：电路中的二极管主要起什么作用？ 答：当负载为感性或阻感性时，二极管为负载向直流电 源反馈能量提供通道（即续流过程），故这些二极管被 称之为反馈二极管。 为了解决这一矛盾，在单向半桥的基础上提出了单向 全桥电压型逆变电路。 单相半桥一般应用在小功率电路中。 功率较大时怎么办？ 图46 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 返回 4-15 （2） 全桥逆变电路 + - - C RL 图5-5图5-5 Ud V1 V 2 V3 V4 VD 1 VD 2 VD3 VD4 uo io 由四个臂构成

8、，输 入端并有一个电容。 负载接在上下两组 臂之间。 图4-7 单相全桥电压型逆变电路 返回 4-16 + - - C RL 图5-5图5-5 Ud V1 V2 V3 V4 VD1 VD2 VD3 VD4 uo io 导电方式一：V1,V4同时通断；V2,V3同时通断。V1,V4与 V2,V3信号互补，各导电180（对比半桥思考） 。 图图4-7-1单相单相全桥电压型逆变电路波形电压型逆变电路波形 图4-7 单相全桥电压型逆变电路 返回 工作原理：与单向半桥电路工作原工作原理：与单向半桥电路工作原 理相同，只不过全桥中是两个臂同理相同，只不过全桥中是两个臂同 时工作，半桥中一个臂单独工作。时工

9、作，半桥中一个臂单独工作。 全桥输出电压，电流波形与半桥完全桥输出电压，电流波形与半桥完 全一样，但幅值均为半桥的两倍。全一样，但幅值均为半桥的两倍。 4-17 单相电压全桥输出电压uo定量分析 图4-7-1对应uo展开成傅里叶级数 基波幅值 基波有效值 o 411 sinsin3sin5 35 m U uttt o1m 4 1.27 d d U UU d d 1o 9 . 0 22 U U U 返回 4-18 思考：如果要改变输出电压的有效值（或幅值），可采取哪些 方案？ 1、可控整流调压方案； 2、斩波调压方案； 返回 逆变器导电方式一 （180导电方式导电方式） 逆变器导电方式二 移相导

10、电方式（移相调压）移相导电方式（移相调压） 3、逆变器自身控制方案。 答： 4-19 导电方式二（移相导电）：V1,V2信号互补；V3,V4信号互补； V3信号比V1信号落后（ 0180） 所谓移相：即改变的大小。 图4-7-2 单相全桥逆变电路的移相调压方式 返回 4-20 单相电压全桥输出电压uo定量分析 图4-7-2 对应uo展开成傅里叶级数 基波幅值 基波有效值 o 4131517 sinsinsinsin3sinsin5sinsin7 2325272 d U utttt o1m 4 sin1.27sin 22 d d U UU d o1d 2 2 sin0.9sin 22 U UU

11、返回 4-21 3） 带中心抽头变压器的逆变电路 图4-8 带中心抽头变压器的逆变电路 在Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1情况下，uo和io o波 形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 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 。 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。 返回 4-22 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三相桥式逆变电路 图4-9 三相电压型桥式逆变电路 返回 4-23 基本工作方式（180导电

12、方导电方 式）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，也称为纵向换流纵向换流。 返回 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN u UN u UV i U i d u VN u WN u NN U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 4-24 波形分析 负载各相到电源中点N的电压：U相，V1 通，uUN=Ud/2，V4通，uUN=-Ud/2 负载线电压 UNWNWU WNVNVW V

13、NUNUV uuu uuu uuu 负载相电压 )( 3 1 )( 3 1 WNVNUN WN VN UN NN uuuuuuu 负载中点和电源中点间电压 NN NN N UNUN VNVN WNWN N u u uu u u u uu 返回 三相负载三相负载 对称，对称， 值为零值为零 4-25 返回 2 31111 sinsin5sin7sin11sin13 571113 d UV U uttttt 式（4-8） 2 0.816 3 UVdd UUU 1 1 0.78 2 UV m UVd U UU 1 2 3 1.1 d UV md U UU 输出线电压有效值： 线电压基波幅值： 线电压

14、基波有效值： 4-26 返回 三相桥电压型逆变电路输出相电压傅里叶级数表达式： 21111 sinsin5sin7sin11sin13 571113 d UN U uttttt 式（4-12） 0.471 UNd UU 1 1 0.45 2 UN m UNd U UU 1 2 0.637 d UN md U UU 输出相压有效值： 相电压基波幅值： 相电压基波有效值： 27/47 d UN1m UN1 45.0 2 U U U d d UN1m 637. 0 2 U U U d d UV1m 1.1 32 U U U dd UV1m UV1 78. 0 6 2 UU U U 0.4520090

15、（V） 0.637200127.4(V) 1.1200=220（V） 0.78200=156（V） VU UU U UV 2211.0 7 6 7 d d1 UV7 例：三相桥式电压型逆变电路，例：三相桥式电压型逆变电路，180导电方式，导电方式，Ud=200V。试求输出。试求输出 相电压的基波幅值相电压的基波幅值UUN1m和有效值和有效值UUN1、输出线电压的基波幅值、输出线电压的基波幅值 UUV1m和有效值和有效值UUV1、输出线电压中、输出线电压中7次谐波的有效值次谐波的有效值UUV7。 解解: 4-28 （1）三相桥电压型逆变电路应用在大功率场合。 （2）各相输出电压在相位上相差120

16、0，电流波形根 据负载情况的不同而不同。 （3）在导电上，为防止同一相的两个器件同时开通 而导致电源短路，应遵循“先断后通”的原则:即要 关断的器件在彻底关断之后再给需开通的器件开通信 号，因此，要留一定的时间裕量（实际在单相中也应 如此） 。 返回 4-29 电流型逆变直流侧输入电源为电流源 电流型逆变电路的特性： （1）直流侧串大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动。 （2）因为是恒流，输出电流波形是矩形波，输出电压波形与负载 有关系。 （3）电路中不必加反馈二极管。 （4）电感起到缓冲无功能量的作用。 返回 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

17、换流。 4-30 返回 4-31 A B C RL 图5-12图5-12 Ld Id VT1 VT2 VT3 VT4 LT1 LT2 LT3 LT4 uo io 4 4个桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器个桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器L LT T，用来，用来 限制晶闸管开通时的限制晶闸管开通时的d di i/d/dt t。 采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负载电压采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负载电压 （呈容性），并联电容同时有提高功率因数的作用。（呈容性），并联电容同时有提高功率因数的作用。 C C和和L L、R R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振构成并联谐振电路，

18、故此电路称为并联谐振 式逆变电路（但最终负载仍略显容性，准确应称之为容式逆变电路（但最终负载仍略显容性，准确应称之为容 性小失谐负载）。性小失谐负载）。 输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且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。谐波幅值远小于基波。 并联谐振回路对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，并联谐振回路对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗， 谐波在负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接谐波在负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接 近正弦波。近正弦波。 图412 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路 1) 电路原理 返回 4-32 基本导电方式：基本导电方

19、式：1 1，4 4同时同时 通断，通断，2 2，3 3同时通断。同时通断。 A B C RL 图5-12图5-12 Ld Id VT1 VT2 VT3 VT4 LT1 LT2 LT3 LT4 uo io t O t O 图5-13 t O t O t O t O t O t O uG1,4 uG2,3 iT io Id t1t2 t3 t4 t5 t6 t7t uo t uAB t t Id iVT1,4iVT 2,3 uVT2,3 uVT1,4 2) 工作分析 返回 4-33 为保证可靠换流，应在负载电压 过零前 时间去触发VT2、 VT3， 称触发引前时间： 思考：思考： (1)(1)怎样

20、确保晶闸管可靠关断？怎样确保晶闸管可靠关断？ (2(2）触发引前时间是指什么时间？）触发引前时间是指什么时间？ （3 3）触发引前时间考虑哪些因素？）触发引前时间考虑哪些因素？ 电流减小为零，晶闸管还需一段时间才能恢复正向阻断能力， 也就是说电流为零后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tb，这 样晶闸管才能真正可靠关断。 如果不能满足上要求，则会导致逆变失败。 返回 0 ut tttt 3) 4-34 单相桥式电流型逆变电路输出电流io定量分析 图4-13对应io近似展开成傅里叶级数 基波幅值 基波有效值 o 411 sinsin3sin5 35 d I ittt o1m 4 1.27 d

21、d I II d o1d 2 2 0.9 I II 返回 4) 4-35 1）采用全控型器件GTO电路 基本工作方式是基本工作方式是1201200 0导电方式导电方式 （每个臂一周期内导电（每个臂一周期内导电1201200 0）。）。 图4-11 电流型三相桥式逆变电路 返回 每时刻上下桥臂组各有一个臂导通， 每时刻上下桥臂组各有一个臂导通， 为为横向换流。横向换流。 4-36 4-37 输出相电流波形和负载性质无关，为正负各120的矩形 波。 输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波，因电感 的作用，每次换相时会产生电压冲击。 因直流输入电感值很大才能构成一个电流源，因此电感的 重量体积都

22、很大，这是电流型逆变器使用不广泛的一个重 要原因。 返回 4-38 2）串联二极管式晶闸管逆变电路 主要用于中大功率交流电 动机调速系统。 M 3 U V W + - - 图5-15图5-15 L Id C1 C2 C3 C4 C5 C6 VD1 VD2 VD3 VD4 VD5 VD6 Ud VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 电流型三相桥式逆变电 路，输出波形与全控型器 件时一样。 各桥臂的晶闸管和二极 管串联使用。 120导电工作方式 强迫换流方式，电容 C1C6为换流电容。 图4-14 串联二极管式 晶闸管逆变电路 返回 4-39 分析流过程（强迫换流）： 电容器充电规律：对共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相 连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的 电容器电压为零 等效换流电容概念：分析从VT1向VT3换流时，C13就是 C3与C4串联后再与C1并联的等效电容， 返回 4-40 （2）t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断 （1）假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负 - - + UV W + - - UV W a) + - - UV W b) - - + UV W c)d) VT1 VT2 VT3 VD1 VD2 VD3 C13 Id VT1 VT2 VT3 VD1 VD2 VD3 C13 Id VT1 VT2 VT