电力电子技术第4章逆变电路

1、1第第4章章 逆变电路逆变电路 2第第4章章 逆逆变电路变电路 引言引言n逆变的概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电。l交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。l交流侧接负载，为无源逆变无源逆变。l逆变与变频l变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。l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。n主要应用q各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等，给交流负载供电。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3123456ABCD654321DCBATitleNum berR evisionSizeBDate:23

2、-Feb-2005Sheet of File:D:Design Explorer 99 SElihong.ddbDrawn B y:Vsonoff+-Vo(t)vo(t)tVs(a)(b)loadVss2s1s3a相b相c相中性点Neutralt120度120度120度44.1 换流方式换流方式5l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作原理4.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理图4-1 逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是桥式电路的4个臂，它由电力电子器件及辅助电路组成，负载为阻感负载。64.1.1 逆变电路

3、的基本工作原理逆变电路的基本工作原理S1、S4闭合闭合，S2、S3断开断开时，负载电压uo为正正。S1、S4断开断开，S2、S3闭合闭合时，负载电压uo为负负。直流电交流电74.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理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)tuoiot1t2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。84.1.2 换流方式分类换流方式分类l换流换流电流从一个支路向另一个支路

4、转移的过程，也l 称为换相。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。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。l在逆变电路中，换流及换流方式问题最为全面和集中,因此安排在本章集中讲述。94.1.2 换流方式分类换流方式分类1) 器件换流（Device Commutation）q利用全控型器件的自关断能力进行换流。q在采用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（Line Commutation）q由电网提供换流

5、电压的换流方式。q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。3) 负载换流（Load Commutation）q由负载提供换流电压的换流方式。q凡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。104.1.2 换流方式分类换流方式分类图4-2 负载换流电路及其工作波形 n如图是基本的负载换流负载换流电路，4个桥臂均由晶闸管组成。n整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。n直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动。n负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以uo接近正弦波接近正弦波。n注意注意触发VT2、VT

6、3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4114)强迫换流（Forced Commutation）4.1.2 换流方式分类换流方式分类由换流电路内电容直接提供换流电压直接耦合式强迫换流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电感耦合式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向电流的换流方式称为强迫换流强迫换流。 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电容换流。分类124.1.2 换流方式分类换流方式分类n直接

7、耦合式直接耦合式强迫换流n 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。n 也叫电压换流电压换流。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 当VT处于通态时，接通S使LC振荡电流流过VT，先使晶闸管电流减为零，然后流过反并联二极管VD使其加上反向电压。 也叫电流换流电流换流。134.1.2 换流方式分类换流方式分类n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

8、，则称为熄灭熄灭。144.2 电压型逆变电路电压型逆变电路1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不根据直流侧电源性质的不同同电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电压源电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路Current Source Type Inverter-CSTI直流侧是电流源电流源154.2 电压型逆变电路电压型逆变电路2）电压型逆变电路的特点图4-5 电压型全桥逆变电路 (1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动无脉动。 (2)交流侧输出电压为矩形波，输出电流和相位因负载阻抗不同而不同。 (3

9、)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。164.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 174.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路1）半桥逆变电路u图46 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2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，两者互补，输出电压uo o为矩形波，幅值为Um=Ud/2。 V1或V2通时，io和uo o同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，i io o和u uo o反向，电感中贮能向

10、直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管反馈二极管, ,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管续流二极管。184.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路l优点优点：电路简单，使用器件少。缺点缺点：输出交流电压幅值为U Ud d/2/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。应用应用：用于几kW以下的小功率逆变电源。l以后讲述的单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。194.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路2) 全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180。 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。 改变输出

11、交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。n工作原理204.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路n阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压 移相调压移相调压。a)图4-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式tOtOtOtOtO? ?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo V3的基极信号比V1落后q （0 q 180 ）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1前移180q。输出电压是正负各为q的脉冲。 改变q就可调节输出电压。故移相调压就是调节输出电压的脉宽。214.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路3） 带中心抽头变压器的逆变电路图4-8 带中心抽头变压

12、器的逆变电路 Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，uo和io o波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。l 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。224.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路l应用最广的是三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 (N是假想电源中点)图4-9 三相电压型桥式逆变电路UUN0,iu0,V1通, iu00时，V12和VD1导通。i iU U0

13、0时，V41和VD4导通。图5-25 三电平逆变电路545.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路(3)l线电压的电平线电压的电平相电压相减得到线电压。两电平逆变电路的输出线电压有Ud和0三种电平。三电平逆变电路的输出线电压有Ud、Ud/2和0五种电平。三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路。三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半。55第第5章章 逆逆变电路变电路 小结小结(1)(1)l讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电路更为基本、更为重要( 还有AC/AC和DC/D

14、C) l换流方式换流方式分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。晶闸管时代换流的概念十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。56第第5章章 逆逆变电路变电路 小结小结(2)(2)l逆变电路分类方法逆变电路分类方法可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类。本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类。电压型和电流型的概念用于其他电路，也会对这些电路有更深刻的认识。例如：负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路；电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。深刻认识和理解电压源和电流源的概念和特性，对理解和分析各种电力电子电路有重要意义。57第第5