电力电子技术4章无源逆变电路ppt课件

1、第第4 4章章: : 无源逆变电路无源逆变电路 4.1 4.1 逆变器的性能指标与分类逆变器的性能指标与分类 4.2 4.2 逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理 4.3 4.3 电压型逆变电路电压型逆变电路 4.4 4.4 电流型逆变电路电流型逆变电路 4.5 4.5 逆变器的逆变器的SPWMSPWM控制技术控制技术 4.6 4.6 负载换流式逆变电路负载换流式逆变电路 逆变器的性能指标与分类逆变器的性能指标与分类 4.11 1定义：如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直定义：如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去，流电逆变成同频率的交流电反送到电

2、网去，2 2应用：它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的应用：它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。l1 1定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到l负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交l流电供给负载，流电供给负载，l2 2应用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源应用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源l等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。等方面应用十分广泛，是构成电力电

3、子技术的重要内容。 1 1、有源逆变、有源逆变: :2 2、无源逆变：、无源逆变：逆变器的性能指标逆变器的性能指标 （1 1谐波系数谐波系数HFHFHarmonic FactorHarmonic Factor） 谐波系数谐波系数HFHF定义为谐波分量有效值同基波分量有致定义为谐波分量有效值同基波分量有致值之比，即值之比，即 式中式中n=1n=1、2 2、33，表示谐波次数，表示谐波次数，n=1n=1时为基波。时为基波。(4.1.1)(4.1.1)1UUHFn （2 2总谐波系数总谐波系数THDTHDTotal Harmonic DistrotionTotal Harmonic Distroti

4、on） 4 . 3,2211nnUUTHD(4.1.2)(4.1.2)（5 5电磁干扰电磁干扰EMIEMI和电磁兼容性和电磁兼容性EMCEMC）（3 3逆变效率逆变效率 （4 4单位重量的输出功率单位重量的输出功率: :衡量逆变器输出功率密度的衡量逆变器输出功率密度的指标。指标。 总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度。总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度。THDTHD定义为定义为逆变电路的分类逆变电路的分类 电压型：电压型逆变器的输人端并接有大电容，输入电压型：电压型逆变器的输人端并接有大电容，输入直流电源为恒压源，逆变器将直流电压变换成交流电压。直流电源为恒压源，逆变器将

5、直流电压变换成交流电压。 电流型：电流型逆变器的输入端串接有大电感，输入电流型：电流型逆变器的输入端串接有大电感，输入直流电源为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为交直流电源为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出。流电流输出。4.1.2（1 1）、根据输入直流电源特点分类）、根据输入直流电源特点分类 半桥式逆变电路；半桥式逆变电路； 全桥式逆变电路；全桥式逆变电路； 推换式逆变电路；推换式逆变电路； 其他形式：如单管晶体管逆变电路。其他形式：如单管晶体管逆变电路。（2 2）、根据电路的结构特点分类）、根据电路的结构特点分类 负载换流型逆变电路；负载换流型逆变电路； 脉冲换流型逆变电

6、路；脉冲换流型逆变电路； 自换流型逆变电路。自换流型逆变电路。逆变电路的分类逆变电路的分类4.1.2（3 3）、根据换流方式分类）、根据换流方式分类（4 4）、根据负载特点分类）、根据负载特点分类 非谐振式逆变电路非谐振式逆变电路 谐振式逆变电路谐振式逆变电路逆变电路用途逆变电路用途 1 1、可以做成变频变压电源、可以做成变频变压电源VVVFVVVF），主要用于交），主要用于交流电动机调速。流电动机调速。4.1.3 2 2、可以做成恒频恒压电源、可以做成恒频恒压电源CVCFCVCF），其典型代表为），其典型代表为不间断电源不间断电源UPSUPS）、航空机载电源、机车照明，通信等）、航空机载电源

7、、机车照明，通信等辅助电源也要用辅助电源也要用CVCFCVCF电源。电源。 3 3、可以做成感应加热电源，例如中频电源，、可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电源等。高频电源等。逆变器的用途十分广泛：逆变器的用途十分广泛：第第4 4章章: : 无源逆变电路无源逆变电路 4.1 4.1 逆变器的性能指标与分类逆变器的性能指标与分类 4.2 4.2 逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理 4.3 4.3 电压型逆变电路电压型逆变电路4.4 4.4 电流型逆变电路电流型逆变电路 4.5 4.5 逆变器的逆变器的SPWMSPWM控制技术控制技术4.6 4.6 负载换流式逆变电路负载换流式逆变电路 逆

8、变电路的工作原理逆变电路的工作原理 Ud为输入直流电压，为输入直流电压，R为逆变器的为逆变器的输出负载。输出负载。 当开关当开关T1、T4闭合，闭合，T2、T3断开断开时，逆变器输出电压时，逆变器输出电压u0=Ud； 当开关当开关T1、T4断开，断开，T2、T3闭合闭合时，输出电压时，输出电压 u0=Ud ; 当以频率当以频率fS交替切换开关交替切换开关T1、T4和和T2、T3时，则在电阻时，则在电阻R上获得如图上获得如图4.2.4(b)所示的交变电压波形，其周所示的交变电压波形，其周期期Ts=1/fS，这样，就将直流电压，这样，就将直流电压E变变成了交流电压成了交流电压uo。uo含有各次谐波

9、，含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。波器滤波获得。图图4.2.1 4.2.1 单相桥式逆单相桥式逆变变 电路工作原理电路工作原理 4.2.21、主要功能、主要功能: 图图4.2.1(a)中主电路开关中主电路开关T1T4，它实际是各种半导体开关器件的，它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管断晶闸管GTO）、功率晶体管）、功率晶体管GTR）、功率场效应晶体管）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管）、绝缘栅晶体管IGBT）

10、。）。将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。2、工作原理：、工作原理：第第4 4章章: : 无源逆变电路无源逆变电路 4.1 4.1 逆变器的性能指标与分类逆变器的性能指标与分类 4.2 4.2 逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理 4.3 4.3 电压型逆变电路电压型逆变电路4.4 4.4 电流型逆变电路电流型逆变电路 4.5 4.5 逆变器的逆变器的SPWMSPWM控制技术控制技术4.6 4.6 负载换流式逆变电路负载换流式逆变电路 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路 它由两个导电臂构成，每个导它由两个导电臂构成，每个

11、导电臂由一个全控器件和一个反并联电臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容互串联的足够大的电容C1和和C2，且满足且满足C1=C2。设感性负载连接在。设感性负载连接在A、0两点间。两点间。 T1和和T2之间存在死区时间，以之间存在死区时间，以避免上、下直通，在死区时间内两避免上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱动信号。晶闸管均无驱动信号。图图4.3.1 4.3.1 电压型半桥逆变电路及其电压电流波电压型半桥逆变电路及其电压电流波形形 4.3.1电压型逆变电路半桥逆变电压型逆变电路半桥逆变电路结构及波形：电路结构及波形： 输出

12、电压有效值为输出电压有效值为: 由傅里叶分析，输出电压瞬时值为由傅里叶分析，输出电压瞬时值为: 其中，其中， 为输出电压角频率。为输出电压角频率。 当当 n=1时其基波分量的有效值为时其基波分量的有效值为: 4.3.122122/0dTdSOUdtUTUS tnnUundo sin2, 5 , 3, 1 ddOUUU45. 0221(4.3.1)(4.3.2)(4.3.3)sf 2 图图4.3.1 4.3.1 电压型半桥逆变电电压型半桥逆变电路及其电压电流波形路及其电压电流波形 在一个周期内，电力晶体管在一个周期内，电力晶体管T1和和T2的基极的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。信号各有

13、半周正偏，半周反偏，且互补。 若负载为阻感负载，设若负载为阻感负载，设t2时刻以前，时刻以前，T1有有驱动信号导通，驱动信号导通，T2截止，那么截止，那么 u0=Ud/2。 t2时刻关断的时刻关断的T1，同时给，同时给T2发出导通信号。发出导通信号。由于感性负载中的电流由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，。不能立即改变方向，于是于是D2导通续流，导通续流，u0=Ud /2 。 t3时刻时刻i。降至零，。降至零，D2截止，截止，T2导通，导通，i。开始反向增大，此时仍然有开始反向增大，此时仍然有u0=Ud /2 。 在在t4时刻关断时刻关断T2，同时给，同时给T1发出导通信号，发出导通信号

14、，由于感性负载中的电流由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，。不能立即改变方向，D1先导通续流，此时仍然有先导通续流，此时仍然有u0=Ud /2 ； t5时刻时刻 i。降至零，。降至零， T1导通，导通，u0=Ud /2 ； 图图4.3.1 4.3.1 电压型半桥逆电压型半桥逆变电路及其电压电流波形变电路及其电压电流波形 4.3.11 1、电压型逆变电路半桥逆变电路、电压型逆变电路半桥逆变电路工作原理：工作原理：电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路 缓缓冲冲电电感感反反馈馈的的无无功功能能量量电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路缺点：缺点：4.3.11交流电压幅值仅为交流电

15、压幅值仅为Ud/2；2直流侧需分压电容器；直流侧需分压电容器；3为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接接LC滤波器，输出滤波器滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输滤除逆变器输出电压中的高次谐波。出电压中的高次谐波。 l优点：优点： 简单，使用器件少；简单，使用器件少；应用：用于几应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；以下的小功率逆变电源；电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 全控型开关器件全控型开关器件T1和和T4构构成一对桥臂，成一对桥臂，T2和和T3构成一对构成一对桥臂桥臂, T1和和T4同时通、断；同时通、断；T2和和T3同时通、断。同时通、

16、断。T1(T)4与与T2(T3)的驱动信号互补，即的驱动信号互补，即T1和和T4有驱动信号时，有驱动信号时，T2和和T3无无驱动信号，反之亦然，两对桥驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通臂各交替导通180。图图4.3.2 4.3.2 电压型单相全桥逆电压型单相全桥逆变变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 4.3.21、电路工作过程：、电路工作过程：电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 输出方波电压瞬时值：输出方波电压瞬时值： 输出方波电压有效值：输出方波电压有效值： 基波分量的有效值：基波分量的有效值：图图4.3.2 4.3.2 电压型单相全桥逆电压型单相全桥逆变变 电路

17、和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 4.3.2(4.3.6)ddOUUU9 . 0241 dTdsOUdtUTUs 22/01tnnUundo sin4, 5 , 3, 1 (4.3.4)(4.3.5) 同单相半桥逆变电路相比，在同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。路的两倍。1 1纯电阻负载时纯电阻负载时电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 0tTs4，Ts2t3Ts4期间，期间，D1、D4导通起负载电流续导通起负载电流续流作用，在此期间流作用，在此期间T1 T

18、4均不导均不导通。通。图图4.3.2 4.3.2 电压型单相全桥逆电压型单相全桥逆变变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 4.3.22 2电感负载时电感负载时22somodTILdtdiLU dsomULTI4 由由可得负载电流峰值为：可得负载电流峰值为：(4.3.7) 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 0t期间，期间，T1和和T4有驱动信有驱动信号，由于电流号，由于电流i0为负值，为负值，T1和和T4不导通，不导通，D1、D4导通起负载电流续流作用，导通起负载电流续流作用， u0=+Ud。 t期间，期间， i0为正值，为正值，T1和和T4才导通。才导通。 t+期间，期

19、间，T2和和T3有驱动有驱动信号，由于电流信号，由于电流i0为负值，为负值，T2、T3不导不导通，通，D2、D3导通起负载电流续流作用，导通起负载电流续流作用， u0=Ud 。 +t2期间，期间，T2和和T3才导通。才导通。4.3.23 3阻感负载阻感负载RLRL时时图图4.3.2 4.3.2 电压型单相全桥逆电压型单相全桥逆变变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 图图4.3.2(e)所示是所示是RL负载时直流电源输负载时直流电源输入电流的波形。图入电流的波形。图4.3.2(f)所示是所示是RL负载时负载时直流电源输入电流的波形。直流电源输入电流的波形。电压型三相桥式逆变电路电压型

20、三相桥式逆变电路 电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为的基本工作方式为180180导电导电型，即每个桥臂的导电角为型，即每个桥臂的导电角为180180，同一相上下桥臂交替，同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各相导电的纵向换流方式，各相开始导电的时间依次相差开始导电的时间依次相差120120。 在一个周期内，在一个周期内，6 6个开关个开关管触发导通的次序为管触发导通的次序为T1T2 T1T2 T3 T4 T5T6 T3 T4 T5T6 ，依次，依次相隔相隔6060，任一时刻均有三，任一时刻均有三个管子同时导通，导通的组个管子同时导通，导通的组合顺序为合顺序为T1T2

21、T3T1T2T3，T2T3T4T2T3T4，T3T4T5T3T4T5，T4T5T6T4T5T6，T5T6T1T5T6T1，T6T1T2T6T1T2，每种组合工作，每种组合工作6060。图图4.3.3 4.3.3 电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路 4.3.31 1、工作过程：、工作过程：电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路 将一个工作周期分成将一个工作周期分成6个区域。个区域。 在在00, ug20, ug30，则有，则有T1，T2，T3导通，导通，dcadbcabUuUuu0dcNdbNdaNUuUuUu3231314.3.3 2、各相负载相电压和线电压波形：、各相负载相电

22、压和线电压波形：根据同样的思路可得其余根据同样的思路可得其余5 5个时域的值个时域的值线线电电压压相相电电压压图图4.3.4 4.3.4 电压型三相桥式逆变电路及其工作波形电压型三相桥式逆变电路及其工作波形式中式中Ud为逆变器输入直流电压。为逆变器输入直流电压。电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路 4.3.3 3、负载相电压和线电压幅值分析：、负载相电压和线电压幅值分析：利用博里叶分析，其相电压的瞬时值为：利用博里叶分析，其相电压的瞬时值为： tttttUudBN 13sin13111sin1117sin715sin51sin2 dmBNUU21 相电压基波幅值相电压基波幅值 (4.3

23、.8)(4.3.9)由上式可知，负载相电压中无由上式可知，负载相电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波次谐波幅值为基波幅值的幅值为基波幅值的1/n。其线电压的瞬时值为：其线电压的瞬时值为： tttttUudBC 13sin13111sin1117sin715sin51sin32线电压基波幅值线电压基波幅值 dmBCUU21 (4.3.11)(4.3.10)由上式可知，负载线电压中无由上式可知，负载线电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波次谐波幅值为基波幅值的幅值为基波幅值的1/n。电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电

24、路4.3.3表表4.3.1三相桥式逆变电路的工作状态表三相桥式逆变电路的工作状态表第第4 4章章: : 无源逆变电路无源逆变电路 4.1 4.1 逆变器的性能指标与分类逆变器的性能指标与分类 4.2 4.2 逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理 4.3 4.3 电压型逆变电路电压型逆变电路4.4 4.4 电流型逆变电路电流型逆变电路 4.5 4.5 逆变器的逆变器的SPWMSPWM控制技术控制技术4.6 4.6 负载换流式逆变电路负载换流式逆变电路 电流型单相桥式逆变电路电流型单相桥式逆变电路 当当T1、T4导通，导通，T2、T3关断时，关断时，I0=Id ；反之，；反之，I0=-Id 。 当

25、以频率当以频率f交替切换开关管交替切换开关管T1、T4和和T2、T3时，则在负载上获得如图时，则在负载上获得如图 4.4.1b所示的电流波形。所示的电流波形。 输出电流波形为矩形波，与电路负输出电流波形为矩形波，与电路负载性质无关，而输出电压波形由负载载性质无关，而输出电压波形由负载性质决定。性质决定。 主电路开关管采用自关断器件时，主电路开关管采用自关断器件时，如果其反向不能承受高电压，则需在如果其反向不能承受高电压，则需在各开关器件支路串入二极管。各开关器件支路串入二极管。图图4.4.1 4.4.1 电流型单相桥电流型单相桥式式 逆变电路及电流波形逆变电路及电流波形 4.4.11、电路工作

26、过程：、电路工作过程：防反相高压防反相高压恒流大电感恒流大电感其中基波幅值其中基波幅值I01mI01m和基波有效值和基波有效值I01I01分别为分别为 (4.4.1) (4.4.2) (4.4.3) 4.4.1电流型单相桥式逆变电路电流型单相桥式逆变电路)5sin513sin31(sin4 tttIido ddmIII27. 1401 ddIII9 . 02401 将图将图4.4.14.4.1b b所示的电流波形所示的电流波形i0i0展开成傅氏级数展开成傅氏级数, ,有有2、电流波形参数计算：、电流波形参数计算： 图图4.4.1 4.4.1 电流型单相桥电流型单相桥式式 逆变电路及电流波形逆变

27、电路及电流波形 电流型三相桥式逆变电路电流型三相桥式逆变电路 导电方式为导电方式为120120导通、横向换流方式，导通、横向换流方式，任意瞬间只有两个桥臂导通。任意瞬间只有两个桥臂导通。 导通顺序为导通顺序为1T2T3T4T5T61T2T3T4T5T6，依次间隔依次间隔6060，每个桥臂导通，每个桥臂导通120120。这。这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。各有一个臂导通。 输出电流波形与负载性质无关。输出电流波形与负载性质无关。 输出电压波形由负载的性质决定。输出电压波形由负载的性质决定。图图4.4.3 4.4.3 电流型三相桥式逆电流型三相

28、桥式逆变电路原理图及输出电流波形变电路原理图及输出电流波形 (4.4.4) 4.4.21、工作方式、工作方式: 输出电流的基波有效值输出电流的基波有效值I01和直和直流电流流电流Id的关系式为：的关系式为： ddIII78. 0601 第第4 4章章: : 无源逆变电路无源逆变电路 4.1 4.1 逆变器的性能指标与分类逆变器的性能指标与分类 4.2 4.2 逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理 4.3 4.3 电压型逆变电路电压型逆变电路4.4 4.4 电流型逆变电路电流型逆变电路 4.5 4.5 逆变器的逆变器的SPWMSPWM控制技术控制技术4.6 4.6 负载换流式逆变电路负载换流式逆

29、变电路 SPWM控制的基本原理控制的基本原理 将一个正弦波半波电压分成将一个正弦波半波电压分成N N等份，等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到如图重合，得到如图4.5.14.5.1b b所示的脉冲列。所示的脉冲列。这就是这就是PWMPWM波形。正弦波的另外一个半波波形。正弦波的另外一个半波可以用相同的办法来等效。可以用相同的办法来等效。 PWM PWM被形的脉冲宽度是按正弦规被形的脉冲宽度是按正弦规律变化，称为律变化，称为SPWMSPWMSinusoidal Pulse Sinusoidal Pulse Width ModulationWidth Modulation波形。波形。图图4.5.1 SP