电力电子技术及应用课件11

1、2022-2-31第第4章章 逆变电路逆变电路 4.1 换流方式换流方式 4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路电流型逆变电路 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 本章小结本章小结2022-2-32引言引言逆变的概念逆变的概念 与整流相对应，与整流相对应，直流电直流电变成变成交流电交流电。 交流侧接电网，为交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。 交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变无源逆变，本章主要讲述无源逆变。，本章主要讲述无源逆变。逆变与变频逆变与变频 变频电路：分为变频电路：分为交交变频交交变频和和交直交变频交直交变频两种。两种。 交直

2、交变频由交直变换（交直交变频由交直变换（整流整流）和直交变换两部分组成，）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。后一部分就是逆变。逆变电路的逆变电路的主要应用主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等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。电力电子装置的核心部分都是逆变电路。最简单的二极管最简单的二极管逆变器逆变器2022-2-334.1 换流方式换流方式 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 4.1.2 换流方式分类换

3、流方式分类2022-2-344.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 S1S4是桥式电路的是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2 当开关当开关S1、S4闭合，闭合，S2、S3断开时，负载电压断开时，负载电压uo为正；当开关为正；当开关S1、S4断开，断开，S2、S3闭合时，闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。为负，这样就把直流电变成了交流电。 改变改变两组开关的切换频率两组开关的

4、切换频率，即可改变输出，即可改变输出交流电的频率交流电的频率。 电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流io和和uo的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，阻感负载时，io相位滞后于相位滞后于uo，波形也不同。，波形也不同。图图4-1 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例 2022-2-354.1.2 换流方式分类换流方式分类换流换流 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。 研究换流方式主要是研究研究换流方式主要是研究如何使器件关断如何使器件关断。换流方式分为以下几种换流方式分为以下几种 器件换流（器件换流（

5、Device Commutation） 利用利用全控型器件的自关断能力全控型器件的自关断能力进行换流。进行换流。 在采用在采用IGBT 、电力、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。型器件的电路中的换流方式是器件换流。 电网换流（电网换流（Line Commutation） 电网电网提供提供换流电压换流电压的换流方式。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。流电网

6、的无源逆变电路。2022-2-364.1.2 换流方式分类换流方式分类a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4图图4-2 负载换流电路及其工作波形负载换流电路及其工作波形 负载换流（负载换流（Load Commutation） 由由负载负载提供提供换流电压换流电压的换流方式。的换流方式。 负载负载电流电流的的相位超前相位超前于负载于负载电压电压的场合，的场合，都可实现负载换流，如电容性负载和同步电都可实现负载换流，如电容性负载和同步电动机。动机。 图图4-2a是基本的负载换流逆变电路，整是基本的负载换流逆变电路，整个负载工作

7、在接近个负载工作在接近并联谐振状态并联谐振状态而略呈而略呈容性容性，直流侧串大电感，工作过程可认为直流侧串大电感，工作过程可认为id基本没基本没有脉动。有脉动。 负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以所以uo接近接近正弦波正弦波。 注意触发注意触发VT2、VT3的时刻的时刻t1必须在必须在uo过过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。成。2022-2-374.1.2 换流方式分类换流方式分类强迫换流（强迫换流（Forced Commutation） 设置设置附加的换流电路附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强，给欲关断

8、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。迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为因此也称为电容换流电容换流。 分类分类 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流：由换流电路内电容：由换流电路内电容直接提供换流电压。直接提供换流电压。 电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的：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。电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流 如图如图4-3，当晶闸管，当晶闸管VT处于通态时，预先给处于通态时，预先

9、给电容充电。当电容充电。当S合上，就可使合上，就可使VT被施加反压而关被施加反压而关断。断。 也叫电压换流。也叫电压换流。 图图4-3 直接耦合式直接耦合式强迫换流原理图强迫换流原理图 2022-2-384.1.2 换流方式分类换流方式分类电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流 图图4-4a中晶闸管在中晶闸管在LC振荡振荡第一个半周期第一个半周期内关断，图内关断，图4-4b中晶闸管在中晶闸管在LC振荡振荡第二个半周期第二个半周期内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。 在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时在这两种情况下，晶闸

10、管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。 也叫也叫电流换流电流换流。图图4-4 电感耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流原理图 换流方式总结换流方式总结 器件换流器件换流只适用于只适用于全控型器件全控型器件，其余三种方式主要是针对，其余三种方式主要是针对晶闸管晶闸管而言的。而言的。 器件换流和强迫换流属于器件换流和强迫换流属于自换流自换流，电网换流和负载换流属于，电网换流和负载换流属于外部换流外部换流。 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当电流不是从一个支路向另

11、一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为变为零，则称为熄灭熄灭。 2022-2-394.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路2022-2-3104.2 电压型逆变电路电压型逆变电路引言引言根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类 电压型电压型逆变电路：直流侧是电压源。逆变电路：直流侧是电压源。 电流型电流型逆变电路：直流侧是电流源。逆变电路：直流侧是电流源。电压型逆变电路的特点电压型逆变电路的特点 直流侧为直流侧为电压源电压源或并联或并联大电容大电容，

12、直流侧电压基本无脉动。，直流侧电压基本无脉动。 由于直流电压源的由于直流电压源的钳位作用钳位作用，输出电压为，输出电压为矩形波矩形波，输出电流因负，输出电流因负载阻抗不同而不同。载阻抗不同而不同。 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，逆变桥各臂并联能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管反馈二极管。图图4-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）电压型逆变电路举例（全桥逆变电路） 并联大电容并联大电容串联大电感串联大电感2022-2-3114.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路a)ttOOONb)o

13、Um- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2图图4-6 单相半桥电压型逆单相半桥电压型逆变电路及其工作波形变电路及其工作波形 半桥逆变电路半桥逆变电路 在直流侧接有两个相互串联的足够大在直流侧接有两个相互串联的足够大的的电容电容，两个电容的，两个电容的联结点联结点便成为直流电便成为直流电源的源的中点中点，负载联接在直流电源中点和两，负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。个桥臂联结点之间。 工作原理工作原理 设开关器件设开关器件V1和和V2的栅极信号在一的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。者互补

14、。 输出电压输出电压uo为为矩形波矩形波，其幅值为，其幅值为Um=Ud/2。 电路带电路带阻感负载阻感负载，t2时刻给时刻给V1关断关断信号，给信号，给V2开通信号，则开通信号，则V1关断，但感性关断，但感性负载中的电流负载中的电流io不能立即改变方向，于是不能立即改变方向，于是VD2导通续流，当导通续流，当t3时刻时刻io降零时，降零时，VD2截止，截止，V2开通，开通，io开始反向，由此得出如图所示开始反向，由此得出如图所示的电流波形。的电流波形。 2022-2-3124.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V

15、1V2VD1VD2VD1VD2图图4-6 单相半桥电压型逆单相半桥电压型逆变电路及其工作波形变电路及其工作波形 V1或或V2通时，通时，io和和uo同方向同方向，直流侧向负载提供能量；直流侧向负载提供能量；VD1或或VD2通时，通时，io和和uo反向反向，电感中贮，电感中贮能向直流侧反馈。能向直流侧反馈。VD1、VD2称为称为反馈二极管反馈二极管,它又起着使负载电流它又起着使负载电流连续的作用，又称连续的作用，又称续流二极管续流二极管。优点是简单，使用器件少；其缺优点是简单，使用器件少；其缺点是输出交流电压的幅值点是输出交流电压的幅值Um仅为仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容器串，且直流侧需要

16、两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡；因此，半桥电路常用于压的均衡；因此，半桥电路常用于几几kW以下以下的小功率逆变电源。的小功率逆变电源。 2022-2-3134.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路全桥逆变电路全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成共四个桥臂，可看成两个半桥电路两个半桥电路组合而成。组合而成。 两对桥臂交替导通两对桥臂交替导通180。 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。 在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压在这种情况下，要改变输出交

17、流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。来实现。 Ud的矩形波的矩形波uo展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得tttUu5sin513sin31sin4do其中基波的幅值其中基波的幅值Uo1m和基波有效值和基波有效值Uo1分别为分别为 ddo1m27.14UUUdd1o9 . 022UUU图图4-5 全桥逆变电路全桥逆变电路 (4-1)(4-2)(4-3)2022-2-3144.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路a)b)图图4-7 单相全桥逆变电单相全桥逆变电路的移相调压方式路的移相调压方式 移相调压方式移相调压方式 V3的基极信号比的基极信号比V1落后落后 （0 180）。）

18、。V3、V4的栅极信号分别比的栅极信号分别比V2、V1的前移的前移180- 。输出电压是正负各为。输出电压是正负各为 的脉的脉冲。冲。 工作过程工作过程 t1时刻前时刻前V1和和V4导通，导通， uo=Ud。 t1时刻时刻V4截止，而因负载电感中的电流截止，而因负载电感中的电流io不能突变，不能突变，V3不能立刻导通，不能立刻导通，VD3导通续导通续流，流，uo=0。 t2时刻时刻V1截止，而截止，而V2不能立刻导通，不能立刻导通，VD2导通续流，和导通续流，和VD3构成电流通道，构成电流通道，uo=-Ud。 到负载电流过零并开始反向时，到负载电流过零并开始反向时，VD2和和VD3截止，截止，

19、V2和和V3开始导通，开始导通，uo仍为仍为-Ud。 t3时刻时刻V3截止，而截止，而V4不能立刻导通，不能立刻导通，VD4导通续流，导通续流，uo再次为零再次为零。 改变改变 就可调节输出电压就可调节输出电压。2022-2-3154.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路图图4-8 带中心抽头变带中心抽头变压器的逆变电路压器的逆变电路 带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路 交替驱动交替驱动两个两个IGBT，经变压器耦，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。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两个二极管的作用也是提供无功能无功能量的反馈通道量的反馈通道。

20、 Ud和负载参数相同，变压器匝比和负载参数相同，变压器匝比为为1：1：1时，时，uo和和io波形及幅值与全桥波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。逆变电路完全相同。 与全桥电路相比较与全桥电路相比较 比全桥电路少用比全桥电路少用一半开关器件一半开关器件。 器件承受的电压为器件承受的电压为2Ud，比全桥，比全桥电路高一倍。电路高一倍。 必须有一个必须有一个变压器变压器。 2022-2-3164.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 基本工作方式是基本工作方式是180导电方式导电

21、方式。 同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差差120 ，任一瞬间有，任一瞬间有三个桥臂三个桥臂同时导通。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。图图4-9 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路 假想中点假想中点2022-2-3174.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-10 电压

22、型三相桥式逆变电路的工作波形电压型三相桥式逆变电路的工作波形 工作波形工作波形 对于对于U相输出来说，当桥臂相输出来说，当桥臂1导通时，导通时，uUN=Ud/2，当桥臂，当桥臂4导通时，导通时，uUN=-Ud/2，uUN的波形是的波形是幅值为幅值为Ud/2的矩形波的矩形波，V、W两相的情况和两相的情况和U相类似。相类似。 负载线电压负载线电压uUV、uVW、uWU可由下可由下式求出式求出 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu负载各相的相电压分别为负载各相的相电压分别为 NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu(4-4)(4-5)2022-2-3184.

23、2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形电压型三相桥式逆变电路的工作波形 把上面各式相加并整理可求得把上面各式相加并整理可求得)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu设负载为三相对称负载，则有设负载为三相对称负载，则有uUN+uVN+uWN=0，故可得，故可得 )(31 WN VN UNNNuuuu负载参数已知时，可以由负载参数已知时，可以由uUN的波形的波形求出求出U相电流相电流

24、iU的波形，图的波形，图4-10g给出的给出的是阻感负载下是阻感负载下 时时iU的波形。的波形。 3/把桥臂把桥臂1、3、5的电流加起来，就可的电流加起来，就可得到直流侧电流得到直流侧电流id的波形，如图的波形，如图4-10h所所示，可以看出示，可以看出id每隔每隔60脉动一次。脉动一次。 (4-6)(4-7)2022-2-3194.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路基本的数量关系基本的数量关系 把输出线电压把输出线电压uUV展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得 nktnntUtttttUusin)1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV式中，式中， ，k为自然数。为自然数。16 kn输出线电压有效值输出线电压有效值UUV为为 d202UVUV816.0d21UtuU其中基波幅值其中基波幅值UUV1