北京交通大学电力电子技术第六章：无源逆变

无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-1第6章无源逆变电路无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-2概述•无源逆变直流交流（向负载直接供电）•无源逆变电路简称逆变电路•逆变与变频逆变电路经常与变频的概念联系在一起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，后一部分就是逆变无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-3•无源逆变技术的应用直流电源如蓄电池、干电池和太阳能电池逆变电路交流负载供电无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-4交流电源：如列车照明、感应加热电源、电解电镀电源、不停电电源（UPS）、高频焊机、高频电子镇流器和航空电源等。•无源逆变技术的应用交流调速系统：如铁道牵引、大型工矿机车、城市有轨交通（地铁和轻轨车）、重型电传动汽车和矿井提升设备等。RO1BrakeControl+24VBrakeResistor无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-5逆变器的基本类型•按电路结构分类桥式零式•按输出相数分类单相多相•按器件分类半控型全控型•按调制方法分类PWMPAM方波、阶梯波•按导通的角度分类180120•按强迫换流的特点谐振型并联电容型等无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-6逆变器的基本类型（续）•按直流侧电源的性质分类（常用此分类）电压型逆变器电流型逆变器直流侧电源为准恒压源直流侧电源为准恒流源无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-7本章内容6.1无源逆变电路的原理6.3三相逆变器工作原理6.4PWM技术6.5其它PWM控制方法6.6多重化技术6.7三电平逆变器的原理无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-86.1无源逆变电路的原理一、单相半桥逆变电路1、电路结构2、工作原理/波形分析T1导通、T2截止：Uan=Ud/2T1截止、T2导通：Uan=-Ud/2Z++nC01C02T1T2iZD1D2(a)电路OO驱动T1驱动T1驱动T2T023T02T0驱动T23T04T04T0OvanD1T1D2T2iZmiZm=18VDf0L12VDiZiZOD1T1D2T2iZR-L(b)电压波形(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形(e)R-L负载电流波形图6.1　单相半桥逆变电路及电压电流波形aVDT1、T2轮流导通，使直流交流改变T1、T2的切换频率，便可改变输出交流电的频率。无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-9一、单相半桥逆变电路（续）3、基本关系输出电压有效值输出电压表达式基波电压有效值电感负载电流峰值R-L负载电流基波分量5,3,1sin2ndantnnUuddUUU45.0221)sin()(2)(12211tLRUtioLfUidom08/2422/12/02dTodoanUdtUTU无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-10二、单相全桥逆变电路1、电路结构2、工作原理/波形分析与全桥逆变电路相同T1、T4导通、T2、T3截止：Uan=UdT1、T4截止、T2、T3导通：Uan=-UdZT3T4iZD3D4(a)电路O驱动T2van图6.2　单相全桥逆变电路及电压、电流波形bT1T2D1D2aVD驱动T1、T4O、T3驱动T1、T4(b)负载电压(c)电阻负载电流波形iZO(d)电感负载电流波形iZT0/4T/20T0/43T0L负载R负载D1D4T1T4D2T2D3T3OiZθT1T4πD1D4D2D3T2T3π2RL负载(e)R-L负载电流波形无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-11二、单相全桥逆变电路（续）3、基本关系输出电压表达式基波电压有效值电感负载电流峰值R-L负载电流其中5,3,1sin4)(nDabtnnUtuDDUUU9.0241LfUiDom04/5,3,11)sin(nnnmotnnZUi22)(LnRZnRLnnarctan无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-12三、单相推挽式逆变电路1、电路结构2、工作原理T1导通、T2截止：Uo=-Ud/KT1截止、T2导通：Uo=Ud/K3、基本关系与桥式电路相同Z+-R+-OVT1OVT2OVT2(b)(a)图6.3推挽式单相逆变电路及其波形（a）简化原理图；（b）波形图6.4带感性负载的推挽式单相逆变电路T1T2VD2VD2VDVD/KT2D2D1T1VDωtωtωt无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-13四、三种单相逆变电路比较1、单相全桥逆变电路在单相逆变电路中，全桥逆变电路应用最多。2、单相半桥逆变电路结构简单，所用器件比全桥电路少一半。但输出交流电压幅值低，且直流侧需要两个电容串联，工作时需要控制两个电容器电压的均衡。应用场合：常用于几KW以下的小功率逆变电源。3、单相推挽式逆变电路所用器件比全桥电路少一半，但器件承受的电压比全桥电路高出一倍，而且必须有变压器，低频使用受限制。无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-14本章内容6.1无源逆变电路的原理6.3三相逆变器工作原理6.4PWM技术6.5其它PWM控制方法6.6多重化技术6.7三电平逆变器的原理无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-156.3三相逆变器工作原理一、三相电压型逆变器工作原理•电路结构图6.7　电压型三相桥式逆变器电路原理图ZaZbZcD1D3D5D4D6D2T1T3T5T4T6T2nVDabc•根据各管导通时间分：180导通型120导通型•负载连接方式Δ型连接Y型连接无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-16（一）1800导电型工作原理分析1、电压波形相电压波形线电压波形无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-17（一）1800导电型工作原理分析（续）2、各阶段的等值电路及电压值无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-18（一）1800导电型工作原理分析（续）3、电压表达式相电压表达式线电压表达式...)11sin1117sin715sin51(sin2ttttUudan...)11sin1117sin715sin51(sin32ttttUudab无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-19（一）1800导电型工作原理分析（续）3、电压表达式（续）相电压有效值线电压有效值dddanUUUU471.033223342122ddabUUU816.0)3(242无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-20（一）1800导电型工作原理分析（续）4、感性负载电流负载电流滞后角小于60（a）A相电压波形Uan（b）A相电流波形ia（c）T1的电流波形iT1（d）D4的电流波形iD4（e）直流输入电流id无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-21（一）1800导电型工作原理分析（续）4、感性负载情况（续）负载电流滞后角大于60无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-22（一）1800导电型工作原理分析（续）•感性负载下逆变器中可能有三种电流：功率电流它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载。环路电流它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源。反馈电流它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去。无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-23（二）1200导电型工作原理分析1、电压波形相电压波形线电压波形无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-24（三）电压型逆变器有功功率的反馈•电动机负载工作在发电机状态时，其发出的电能通过逆变器电路中的反馈二极管D1~D6回馈到直流侧，使直流侧电压Ud升高•为限制Ud，必需将回馈的电能消耗掉或回馈到电网，具体方案有：通过制动单元消耗掉通过有源逆变桥回馈到电网（见再生方案1）通过脉冲整流器回馈到电网（见再生方案2）无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-25（三）逆变器有功功率的反馈（续）•再生方案1功率因数低谐波电流大α90°～LALBLCABCα90°图6.12　逆变器/电机系统的再生方案一+-T1T3D1T4T6D4T2D6D3T5D2D5ABCM～通过有源逆变器将再生能量反馈给电网无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-26（三）逆变器有功功率的反馈（续）•再生方案2功率因数高（接近于1）谐波电流小LALBLCABC三相脉冲整流器平波电容无源逆变电机图6.13　逆变器/电机系统的再生运行方案二M～通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-27二、三相电流型逆变器工作原理1、电路结构：逆变器的供电电源为电流源无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-28二、三相电流型逆变器工作原理（续）2、工作原理及主要波形1200导电方式线电流波形(a)负载Δ型连接时的相电流波形(b)无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-29二、三相电流型逆变器工作原理（续）3、线电流表达式...)11sin1117sin715sin51(sin32ttttIidA基波电流的幅值为基波电流有效值为线电流的有效值为ddmAIII1.1321ddAIII78.061ddAIII816.043212无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-30二、三相电流型逆变器工作原理（续）•负载Δ型连接时的相电流表达式...)11sin1117sin715sin51(sin2ttttIidAB无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-314、电流型逆变器有功功率的反馈：•再生方案1将交流电源端的相控整流器控制角后移到90，使整流器成为有源逆变器，工作在再生状态。无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-32•再生方案2通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网图6.14　由电流型脉冲整流器供电的电流型交直交系统M～C4C5C6T1T3T5T4T6T2Ldabc脉冲整流器直流滤波电流型逆变器滤波电机C1C2C3ABC滤波储能电容无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-33二、三相电流型逆变器工作原理（续）5、特点：由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多。电路对功率器件关断时间（即功率器件快速性）的要求比电压型逆变器的要求低，电路相对电压型也比较简单，造价略低。不需要增设反并联的再生变流装置。电感重量、体积都很大，实际使用不如电压型逆变器广泛。无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-34本章内容6.1无源逆变电路的原理6.3三相逆变器工作原理6.4PWM技术6.5其它PWM控制方法6.6多重化技术6.7三电平逆变器的原理无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-356.4PWM技术•方波控制逆变器的问题本身不能调节输出量幅值输出量中含有大量的5、7、11、13次谐波•解决方法采用PWM控制技术•本课程主要讨论电压型PWM逆变器的控制方法无源逆变2020/1/28北京交通大学电气工程学院6-36•PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。•PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。•PWM控制技术正是有