第5章逆变电路

逆变电路引言5.1换流方式5.1.1逆变电路的基本工作原理5.1.2换流方式分类5.2电压型逆变电路5.2.1单相电压型逆变电路5.2.2三相电压型逆变电路5.3电流型逆变电路5.3.1单相电流型逆变电路5.3.2三相电流型逆变电路5.4多重逆变电路和多电平逆变电路5.4.1多重逆变电路5.4.2多电平逆变电路本章小结第5章逆变电路~引言逆变概念：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，为无源逆变本章讲述无源逆变逆变与变频第5章变频电路：交交变频和交直交变频两种交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变直流电源如蓄电池、干电池和太阳能电池逆变电路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。逆变电路的应用本章仅讲述逆变电路基本内容，第6章PWM控制技术和第8章组合变流电路中，有关逆变电路的内容会进一步展开•5.1节——换流方式•5.2节——电压型逆变电路•5.3节——电流型逆变电路•5.4节——逆变电路的多重化和多电平逆变电路。本章内容换流方式5.1.1逆变电路的基本工作原理以单相桥式逆变电路为例S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成图5-1逆变电路及其波形举例5.1负载a)b)图5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2逆变电路的基本工作原理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为负直流交流5.1.1改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同逆变电路的基本工作原理5.1.1t1前：S1、S4通，uo和io均为正t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大过程分析：负载a)b)图5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相开通：适当的门极驱动信号就可使其开通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本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此在本章讲述换流方式分类5.1.2换流方式分类总共有四种换流方式1.器件换流2.电网换流3.负载换流4.强迫换流1.器件换流2.电网换流利用全控型器件的自关断能力进行换流（DeviceCommutation）（LineCommutation）由电网提供换流电压称为电网换流可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件换流方式分类5.1.23.负载换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流，通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流4.强迫换流由负载提供换流电压称为负载换流负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流（ForcedCommutation）（LoadCommutation）负载换流逆变电路：采用晶闸管负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。电容为改善负载功率因数，使其略呈容性而接入。直流侧串入大电感Ld，id基本没有脉动。图5-2负载换流电路及其工作波形换流方式分类5.1.2讨论：ttttRLCOOOOiit1b)a)图5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4ttttRLCOOOOiit1b)a)图5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4图5-2负载换流电路及其工作波形工作过程:4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uot1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成换流方式分类5.1.2强迫换流图5-3直接耦合式强迫换流原理图换流方式分类5.1.2SVT负载+-图5-3设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流。直接耦合式强迫换流——由换流电路内电容提供换流电压VT通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断CL+VDSCVT负载+LSVT负载VDb)a)图5-4图5-4电感耦合式强迫换流原理图图5-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断图5-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图5-3）先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流（图5-4）电感耦合式强迫换流：通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流。两种电感耦合式强迫换流：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——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。换流方式分类5.1.2换流方式小结：电压型逆变电路逆变电路按其直流电源性质不同分为两种电压型逆变电路或电压源型逆变电路电流型逆变电路或电流源型逆变电路+-CRL图5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio电压型逆变电路举例: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。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。5.2图5-5电压型全桥逆变电路1．半桥逆变电路电路结构：+-RLa)ttOOONb)UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2图5-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形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工作原理：（感性负载时）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，又称续流二极管。单相电压型逆变电路5.2.1特点优点：简单，使用器件少缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡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单相电压型逆变电路5.2.12．全桥逆变电路+-CRL图5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio图5-5全桥逆变电路工作情况：1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°uo波形同图5-6b半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=UdtuoUm-Umio波形和图5-6b中的io相同，幅值增加一倍tiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2单相逆变电路中应用最多单相电压型逆变电路5.2.1输出电压定量分析uo成傅里叶级数基波幅值(5-2)基波有效值(5-3)uo为正负各180°时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现tttUu5sin513sin31sin4doddo1m27.14UUUdd1o9.022UUU(5-1)单相电压型逆变电路5.2.1+-CRLtOtOtOtOtOa)b)图5-7UdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo图5-7单相全桥逆变电路的移相调压方式阻感负载时还可采用移相调压：采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压各栅极信号为180°正偏，180°反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变V3的基极信号只比V1落后(0180°)V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°-uo成为正负各为的脉冲，改变即可调节输出电压有效值单相电压型逆变电路5.2.13．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io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同负载+-图5-8iouoUdV1V2VD1VD2图5-8带中心抽头变压器的逆变电路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必须有一个变压器单相电压型逆变电路5.2.1三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成图5-9三相电压型桥式逆变电路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每次换流都在同一相上下两臂之间进行，也称纵向换流三相电压型逆变电路5.2.2N'N+-UVW图5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2波形分析tOtOtOtOtOtOtOtO图5-10a)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形负载各相到电源中点N'的电压：U相，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2负载线电压UN'WN'WUWN'VN'VWVN'UN'UVuuuuuuuuu(5-4)负载相电压'NNWN'WNNN'VN'VNNN'UN'UNuuuuuuuuu(5-5)三相电压型逆变电路5.2.2负载中点和电源中点间电压)(31)(31WNVNUNWN'VN'UN'NN'uuuuuuu(5-6)利用式(5-5)和(5-7)可绘出uUN、uVN、uWN波形负载已知时，可由uUN波形求出iU波形一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似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)(31WN'VN'UN'NN'uuuu(5-7)负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是三相电压型逆变电路5.2.2定量分析1.输出线电压输出线电压有效值基波幅值基波有效值d202UVUV816.0d21UtuUddUV1m1.132UUUddUV1mUV178.062UUUU(5-9)(5-10)(5-11)三相电压型逆变电路5.2.216knuUV展开成傅里叶级数nktnntUtttttUusin)1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV式中：2.负载相电压uUN展开成傅里叶级数得