第四章DC-AC变换器(无源逆变电路)3

电力电子技术PowerElectronicTechnology4.4电流型逆变器•电流型逆变器拓扑是逆变器另一类主要的拓扑结构。这类逆变器的直流侧以电感为能量缓冲元件，从而使其直流侧呈现出电流源特性。•电流型逆变器有以下主要特点：iuRLVT1VT2VT3VT4VD1VD2VD3VD4oiouLiiiC①直流侧有足够大的储能电感元件，从而使其直流侧呈现出电流源特性，即稳态时的直流侧电流恒定不变。②逆变器输出的电流波形为方波或方波脉冲，并且该电流波形与负载无关。③逆变器输出的电压波形则取决于负载，且输出电压的相位随负载功率因数的变化而变化。④逆变器输出电流的控制仍可以通过PAM（脉冲幅值调制）和PWM（脉冲宽度调制）两种基本控制方式来实现。4.4电流型逆变器iuRLVT1VT2VT3VT4VD1VD2VD3VD4oiouLiiiC•值得注意的是，电流型逆变器与电压型逆变器在结构上具有一定的对偶性，例如：–电压型逆变器直流侧的储能元件为电容，–而电流型逆变器直流侧的储能元件为电感；–另外，电压型逆变器的的功率管旁有反向并联的续流二极管，而电流型逆变器的功率管旁则一般有正向串联的阻断二极管（具有反向阻断能力的功率管除外，例如晶闸管）。+-VT1VT2VT3VT4VD4VD3VD2VD1ZoiiuCou4.4电流型逆变器与电压型逆变器类似，依据控制方式和结构的不同，电流型逆变器也可分为方波型、阶梯波型、正弦波型（PWM型）三类。下面主要讨论方波型、阶梯波型电流型逆变器。4.4.1电流型方波逆变器•电流型方波逆变器按拓扑结构的不同可分为电流型单相全桥逆变器以及电流型三相桥式逆变器两类。•也可以按电流型逆变器所采用功率器件的不同分为半控型和全控型两类。•由于电流型逆变器尤其是大功率电流型方波逆变器仍有不少采用基于晶闸管的半控型结构，因此，除全控型结构外，以下讨论还将涉及到半控型电流型逆变器。1.全控型单相全桥电流型方波逆变器•为了使全控型功率器件具有足够的反向阻断能力，通常在每个功率管上正向串联一个二极管。•另外，由于电流型逆变器的输出电流是基于功率器件通断直流侧电流的方波电流，因此，为了防止输出过电压，电流型逆变器的输出需要接入滤波电容。•单相全桥电流型方波逆变器也可采用PAM（脉冲幅值调制）控制和SPM（单脉冲控制）两种控制方式，且与电压型方波逆变器工作原理类似。4.4.1电流型方波逆变器单相全桥电流型方波逆变器iuRLVT1VT2VT3VT4VD1VD2VD3VD4oiouLiiiCt1iiiV1TiV4TttV2TiV3Tioit4.4.1电流型方波逆变器单相全桥电流型方波逆变器2.半控型单相全桥电流型方波逆变器结构•功率器件为晶闸管•基于晶闸管的半控型逆变器的换流可采用强迫换流和负载换流两种换流方式。•当晶闸管逆变器采用强迫换流时，一般需增加强迫换流电路，从而使其结构复杂化。•晶闸管逆变器采用负载换流时，晶闸管的换流电压需要由负载提供，即要求负载电流相位超前负载电压相位，显然，这就要求负载为容性负载。a)iuiLouoiCLRLiiVT1VT2VT3VT4满足负载的容性需求为使负载电压成正弦变化，一般应设计为并联谐振模式ELdidVT1VT2VT3VT4CRLi0u020sin()trduCetIRttt1,4VT2,3VT0itVT2,3U4.4.1电流型方波逆变器单相全桥电流型方波逆变器OOOOit1b)uoioiouVTOOOO1b)a)uoioiouVTωtOOOO1b)uoiouVTuoωtωtωtiVT1iiVT4iVT2iVT3uVT1uVT4负载换流方式•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。负载为容性、同步电动机•整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。•直流侧串电感，工作过程可认为id基本没有脉动。•t1必须在u0过零前留有足够的裕量，以使晶闸管关断4.4.1电流型方波逆变器单相全桥电流型方波逆变器4.4.1电流型方波逆变器三相桥式电流型方波逆变器三相桥式电流型逆变电路三相桥式电流型方波逆变器的典型结构如右图所示与单相全桥电流型方波逆变器类似，三相全桥电流型方波逆变器可采用PAM控制和SPM两种控制方式。本书只对该控制方式展开讨论4.4.1电流型方波逆变器三相桥式电流型方波逆变器三相桥式电流型逆变电路三相全桥电流型方波逆变器一般只采用120°导电方式。采用120°导电方式时，任何瞬间，三相全桥电流型变流器有且只有两个桥臂导电，此时三相全桥电流型变流器的三相输出只有两相输出电流，因而两相输出电流的幅值必然一致。2π2πttttttttttviwiuviG1UG2UG3UG4UG5UG6Uππ2ππ2ππ2ππ2ππ2ππ2ππ2ππ2πuiπVT1VT12TV2TV3TV3TV4TV4TV5TV5TV6TV6TVc)•需要注意的是：当负载为Y形联接时，负载的相电流波形为120°交流方波（电流幅值为±Id、0）；当负载为△形联接时，负载的相电流为变流器两相输出电流之差，即负载的相电流波形为交流6阶梯波波形（电流幅值为±(2/3)Id、±(1/3)Id）。可见，将三相全桥电流型变流器的负载接成△形联接时，能有效降低输出电流谐波。4.4.1电流型方波逆变器三相桥式电流型方波逆变器三相桥式电流型逆变电路模式1模式2模式3iviiiuiii31ii32ii31iiuv32iiiuv31iiiuiiuvwuvwuvwivii6TV1TV2TV1TV2TV3TVb)4.4.1电流型方波逆变器三相桥式电流型方波逆变器2π2πttttttttttviwiuviG1UG2UG3UG4UG5UG6Uππ2ππ2ππ2ππ2ππ2ππ2ππ2ππ2πuiπVT1VT12TV2TV3TV3TV4TV4TV5TV5TV6TV6TVc)2.半控型三相全桥电流型变流器•电路采用了强迫换流方式，其中C1~C6为换流电容，VD1~VD6为串联二极管。•由于晶闸管本身具有反向阻断能力，因此，图中的串联二极管VD1~VD6其主要作用是为了阻断换流电容间的相互放电。•左图所示电路通常称为串联二极管式晶闸管逆变器。•基于晶闸管的半控型三相全桥电流型方波逆变器仍采用120°导电方式。iL1TV1DV1C3C5C3TV5TV3DV5DVUW4TV4DV4C6C2C6TV2TV6DV2DVViuii晶闸管三相全桥（串联二极管式）电流型方波逆变器的电路结构4.4.1电流型方波逆变器三相桥式电流型方波逆变器4.4.1电流型方波逆变器三相桥式电流型方波逆变器2.半控型三相全桥电流型变流器•电容器所充电压的规律：•对于共阳极晶闸管，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。对共阴极而言，电容极性相反。•等效换流电容概念：•分析从VT1向VT3换流时，C13就是C3与C5串联后再与C1并联的等效电容。iL1TV1DV1C3C5C3TV5TV3DV5DVUW4TV4DV4C6C2C6TV2TV6DV2DVViuii晶闸管三相全桥（串联二极管式）电流型方波逆变器的电路结构2/C3C13分析从VT1向VT3换流的过程:假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负。如左图t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断。Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段。如右图。uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于tq就能保证关断。4.4.1电流型方波逆变器三相桥式电流型方波逆变器•二极管换流阶段：•t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。二极管VD3导通，电流为iV，VD1电流为iU=Id-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段。•随着C13电压增高，充电电流渐小，iV渐大，t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。•t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段。4.4.1电流型方波逆变器三相桥式电流型方波逆变器隔离作用4.4.1电流型方波逆变器三相桥式电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器•直接并联多重叠加结构•变压器移相多重叠加结构等4.4.2电流型阶梯波逆变器RF1INV1RF2INV2（a）i1i2_IdINV——逆变器RF——整流器i0-Id以下分析三相电流型逆变器的并联多重叠加结构iL1TV3TV5TV1a1c4TV6TV2TV1biiiL1TV3TV5TV4TV6TV2TVii2a2c2babcVD1VD3VD5VD2VD4VD6VD1VD3VD5VD2VD4VD6电网4.4.2电流型阶梯波逆变器iL1TV3TV5TV1a1c4TV6TV2TV1biiiL1TV3TV5TV4TV6TV2TVii2a2c2babcVD1VD3VD5VD2VD4VD6VD1VD3VD5VD2VD4VD6电网以下分析三相电流型逆变器的并联多重叠加结构i1i2ioπ/4π-5π/125π/12π-π/4π+π/4π+5π/122π-5π/122π-π/4(b)ttt＝π/6＝2π/3功率管每60°换相一次，可将PAM方波相位互相错开60°/2=30°角。这样，通过30°角的移相叠加即得8阶梯波电流。4.4.2电流型阶梯波逆变器以下分析三相电流型逆变器的并联多重叠加结构i1i2ioπ/4π-5π/125π/12π-π/4π+π/4π+5π/122π-5π/122π-π/4(b)ttt＝π/6＝2π/3ad23(sin0.2sin5π0.143sin70.09sin11)iIttttd4(1.673)(sinπ0.0536sin50.0383sin7)oIittt两重叠加后的输出电流波形中不存在零序谐波（如3次、9次等），并且5次、7次谐波得到了显著衰减。4.4.2电流型阶梯波逆变器a)i1i2i3RF1INV1RF2INV2RF3INV3IdIdIdioRF—整流器INV—逆变器以下分析三相电流型逆变器的并联多重叠加结构b)9π_2_9π3π_94π_910IdIdIdIdIdIdi1i2i3i0oooo可将PAM方波相位互相错开60°/3=20°角4.4.2电流型阶梯波逆变器以下分析三相电流型逆变器的并联多重叠加结构b)9π_2_9π3π_94π_910IdIdIdIdIdIdi1i2i3i0ooood4(2.494)(sin0.0454sin50.0264sin7)πoIittt三重叠加后的输出电流波形中仍不存在零序谐波（如3次、9次等），并且5次、7次谐波得到了进一步衰减。显然，叠加重数越多，输出阶梯波电流波形的阶梯数也越多，电流的谐波含量就越小。本章小结•DC-AC变换器即无源逆变电路（简称为逆变器）作为在国民经济各领域有着广泛而重要应用的电能变换装置，多年来备受关注，其相关技术也得到了快速发展。•本章分别以电压型逆变器和电流型逆变器为研究对象，具体阐述了相应方波逆变器、阶梯波逆变器的基本原理、电路拓扑、波形调制以及谐波特征等。•在研究了基于脉冲幅值调制（PAM）的方波逆变器和阶梯波逆变器基础上，重点讨论了电压型正弦波逆变器及其脉宽调制（PWM）技术。•针对正弦波逆变器的正弦脉宽调制（SPWM），在详细论述了其基本问题之后，具体分析了单相、三相电压型正弦波逆变器的SPWM控制，并讨论了SPWM谐波及其特征.作业•4.4什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么特点？•4.5电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？•4.11正弦脉宽调制SPWM的基本原理是什么？载波比N、电压调制系数M的定义是什么？在载波电压幅值Vcm和频率fc很定不变时，改变调制参考波电压幅值…….•4.12SPWM控制逆变电路，若调制波频率为400Hz，载波比为50，….