电力电子技术第四章

1、电力电子技术电力电子技术Power ElectronicsPower Electronics苏鹭梅苏鹭梅 教教3#3#，202202室室直流交流功率变换称为逆变。v 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。 交流侧接负载，为无源逆变。v 主要应用 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。v 本章主要内容： 逆变电路的结构和工作原理（单相桥式、三相桥式逆变电路）本章讲述无源逆变。4.1 逆变电路概述逆变电路概述1.逆变电路的基本工作原理v 以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电

2、子器件及辅助电路组成。b)tuoiot1t2负载a)S1S2S3S4iouoUd逆变电路及其波形举例 S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。S1、S4闭合闭合，S2、S3断开时电路和波形图电路和波形图S2、S3闭合闭合，S1、S4断开时电路和波形图电路和波形图直流电交流电v 逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。v 电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。v 阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。负载a)S1S2S3S4iouoUdb)tuoiot1t2逆变电路及其波形举例2

3、. 逆变电路的分类逆变电路的分类 1 根据直流侧电源性质的不同直流侧是电压源(并联电容）直流侧是电流源（串连电感）电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路Current Source Type Inverter-VSTI电压型全桥逆变电路电流型三相桥式逆变电路逆变电路的分类 2 根据电路的结构电压型单相半桥逆变电路电压型全桥逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路三相电压型桥式逆变电路3. 换流方式v 换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换流。 开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 关断

4、：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。v 本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在本章集中讲述。v 换流方式：1. 器件换流（Device Commutation） 利用全控型器件的自关断能力进行换流。 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） 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。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用

5、于没有交流电网的无源逆变电路。3. 负载换流（Load Commutation） 由负载提供换流电压的换流方式。4. 强迫换流（Forced Commutation） 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 的换流方式称为强迫换流。v 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。4.2 电压型逆变电路电压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

6、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。电压型全桥逆变电路4.2.1 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 2. 全桥逆变电路 3. 带中心抽头变压器的逆变电路1.半桥逆变电路v 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为矩形波，幅值为Um=Ud/2。 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,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二

7、极管。a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2单相半桥电压型逆变电路及其工作波形1.半桥逆变电路v 优点：电路简单，使用器件少。v 缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。v 应用： 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。a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2单相半桥电压型逆变电路及其工作波形2.全桥逆变电路v 共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。v 两对桥臂交替导通180。v 输出电

8、压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。v 改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。单相全桥逆变电路的输出电压V1V4V2V3V1V4v 阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压移相调压。 V3的基极信号比V1落后 （0 180 ）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180。输出电压是正负各为的脉冲。 改变就可调节输出电压。a)b)单相全桥逆变电路的移相调压方式 3. 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

9、io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 。带中心抽头变压器的逆变电路 4.2.1 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路v 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路 三个相差120度的单相逆变器组成一个三相逆变器a)框图三个相差120度的单相逆变器组成一个三相逆变器A相：T1、T4、T1、T4B相：T3、T6、T3、T6C相：T5、T2、T5、T2b)电路图v 三相逆变电路中应用最广的是三相桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路假想中点v 基本工作方式180导电方式 每桥臂导电180，同一相上下

10、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。V1V6触发控制信号的波形V1：V4：V3：V6：V5：V2：三相电压型桥式逆变电路v 基本工作方式180导电方式三相电压型桥式逆变电路V1V6触发控制信号的波形V1：V4：V3：V6：V5：V2：V1V6导通顺序v 基本工作方式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。tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)u

11、UNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 三相电压型桥式逆变电路V1V6导通顺序tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 负载相电压 负载中点和电源中点间电压 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu)(31 WN VN UNNNuuuu可画出相电压波形uUN

12、 负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。 桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。 防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通”tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 )(31 WN VN UNNNuuuu NN UNUNuuu三相电压型桥式逆变电路V1V6导通顺序tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)

13、c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 状态状态 123456电角度电角度 060 60120120180180240240300300360导通导通开关开关 V5V5、V6V6、V1V1V V6 6、V V1 1、V V2 2V V1 1、V V2 2、V V3 3V V2 2、V V3 3、V V4 4V V3 3、V V4 4、V V5 5V V4 4、V V5 5、V V6 6负载负载等等值值电路电路 uUN dU31dU32dU31dU31dU32dU31三相电压型逆变电路负载等值电路状态

14、状态 123456电角度电角度 060 60120120180180240240300300360导通导通开关开关 V5V5、V6V6、V1V1V V6 6、V V1 1、V V2 2V V1 1、V V2 2、V V3 3V V2 2、V V3 3、V V4 4V V3 3、V V4 4、V V5 5V V4 4、V V5 5、V V6 6负载负载等等值值电路电路 uUN dU31dU32dU31dU32dU31dU31三相电压型逆变电路负载等值电路三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路的工作波形状态状态 123456电角度电角度 060 60120120180180240240300

15、300360导通导通开关开关 V5V5、V6V6、V1V1V V6 6、V V1 1、V V2 2V V1 1、V V2 2、V V3 3V V2 2、V V3 3、V V4 4V V3 3、V V4 4、V V5 5V V4 4、V V5 5、V V6 6负载负载等等值值电路电路 uUN dU31dU32dU31dU32dU31dU31三相电压型逆变电路负载等值电路三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路的工作波形状态状态 123456电角度电角度 060 60120120180180240240300300360导通导通开关开关 V5V5、V6V6、V1V1V V6 6、V V1 1、

16、V V2 2V V1 1、V V2 2、V V3 3V V2 2、V V3 3、V V4 4V V3 3、V V4 4、V V5 5V V4 4、V V5 5、V V6 6负载负载等等值值电路电路 uUN dU31dU32dU31dU31dU32dU31三相电压型逆变电路负载等值电路三相电压型桥式逆变电路V1V6导通顺序tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 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

17、输出相电压的基波幅值试求输出相电压的基波幅值UUN1m和有效值和有效值UUN1、输出线、输出线电压的基波幅值电压的基波幅值UUV1m和有效值和有效值UUV1、输出线电压中、输出线电压中7次谐次谐波的有效值波的有效值UUV7。 解：解： UUV7 =2 Ud/（3.147 ）=22.3（V） 2dUN1mUN145. 02UUUddUN1m637. 02UUUddUV1m1.132UUUddUV1mUV178. 062UUUU0.4520090（V） 0.637200127.4（V） 1.1200=220（V） 0.78200=156（V） 34.3 电流型逆变电路电流型逆变电路 直流电源为电流

18、源的逆变电路称为电流型逆变电路。 电流型逆变电路主要特点 直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。 交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同。 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。 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、强迫换流。单相桥式电流型逆变电路电流型三相桥式逆变电路1) 电路原理单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。工作方式为负载换流。电容C和L 、R构成并联谐振电路。输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐

19、波，且谐波幅值远小于基波。4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,42) 工作分析一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段。t1t2：VT1和VT4稳定导通阶段，i=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。t2t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段。LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程。VT2、VT3电流有一个增大过程。4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。LT1、VT

20、1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。t4t2= t 称为换流时间。保证晶闸管的可靠关断晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间t。t= t5- t4应大于晶闸管的关断时间tq。 。io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbId

21、iVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,44.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路为保证可靠换流应在uo过零前td= t5- t2时刻触发VT2、VT3 。. td 为触发引前时间 io超前于uo的时间 表示为电角度 w为电路工作角频率；g、b分别是tg、tb对应的电角度。忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数 基波电流有效值 负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损 耗，忽略晶闸管压降） tttbgttt2bgbg22tttttIi5sin513sin31sin4dodd1o9 . 024IIIcos11. 1cos2

22、2ddoUUU4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路v 三相电流型逆变电路工作原理(a) 电 路 :星 型 负 载(b)波 形（ 120导电类型）L大，iD恒定120度导电模式，每一时刻仅两个开关同时导电导通顺序：12，23，34，45，56，61，12v 三相电流型逆变电路的特点 基本工作方式是120导电方式每个开关一周期内只导电120。 每个时刻上下桥臂组各有一个器件导通。 换流方式为横向换流。 输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各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。itOtOtOtOIdiViWuUVU电流型三相桥式逆变电路电流型三相桥式逆变电路的输

23、出波形 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路和多电平逆变电路电压型逆变电路输出电压是矩形波，电流型逆变电路输出电流是矩形波，含有较多谐波。多重逆变电路把几个矩形波组合起来，接近正弦。多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近正弦大容量逆变器中器件开关频率较低，采用复合结构可改善改善输出电压的波形，降低谐波含量，高压大容量逆变器输出输出电压高，在开关器件单管耐压有限的情况下，采用复合结构可提高逆变器输出电压。1. 多重逆变电路v 多重逆变电路 电压型、电流型都可多重化，以电压型为例。 单相电压型二重逆变电路两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器T1和T2串联起来。输出波形：两个单相的输出u1和u2是180矩形波。u1和u2相位错开 =60,其中的3次谐波就错开了 360=180。变压器串联合成后，3次谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波。uo波形是120矩形波，含6k