电力电子技术chapter5

Chapter5DCtoACConverters(Inverters)Power2ApplicationsofInvertersConversionofelectricpowerfromDCtypeenergysourcestoACtypeload–Battery–Photovoltaiccell(Solarcell)–FuelcellAsapartofcompositeconverter–AC-DC-ACfrequencyconverter(forACmotordrive)–AC-DC-ACconstant-voltageconstant-frequencyconverter(foruninterruptablepowersupplies)–AC-DC-ACConvertersforinductionheating–AC-DC-AC-DCswitchingpowersuppliesPower3第5章逆变电路•引言逆变的概念逆变——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。逆变与变频变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。主要应用–各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等，给交流负载供电。–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。本章讲述无源逆变Power4Outline5.1Commutation5.2Voltagesourceinverters5.3Currentsourceinverters5.4Multiple-inverterconnectionsandmulti-levelinvertersPower5第5章逆变电路5.1换流方式5.2电压型逆变电路5.3电流型逆变电路5.4多重逆变电路和多电平逆变电路Power65.1CommutationtypesAclassificationofinverters–Square-waveinverters(arediscussedinthischapter)–PWMinverters(willbediscussedinChapter6)TheconceptofcommutationBasicoperationprincipleofinvertersLoadS1S2S3S4iouoUdtuoiot1t2Power7以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理5.1.1逆变电路的基本工作原理图5-1逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1~S4是桥式电路的4个臂，它由电力电子器件及辅助电路组成，负载为阻感负载。Power85.1.1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。直流电交流电Power94typesofcommutationDevicecommutation:Fully-controlleddevices:GTO,IGBT,MOSFETLinecommutationPhase-controlledrectifierPhase-controlledACcontrollerThyristorcycloconverterLoadcommutationForcedcommutationPower105.1.2换流方式分类1)器件换流（DeviceCommutation）–利用全控型器件的自关断能力进行换流。–在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。2)电网换流（LineCommutation）–由电网提供换流电压的换流方式。–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。3)负载换流（LoadCommutation）–由负载提供换流电压的换流方式。–凡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。Power11LoadcommutationCondition:LoadcurrentisleadingloadvoltageApplication:capacitiveload,synchronousmotorPower125.1.2换流方式分类图5-2负载换流电路及其工作波形如图是基本的负载换流电路，4个桥臂均由晶闸管组成。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。负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以uo接近正弦波。注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4Power13Forcedcommutation(capacitancecommutation)Direct-CoupledWithCoupling-InductorPower144)强迫换流5.1.2换流方式分类由换流电路内电容直接提供换流电压直接耦合式强迫换流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感耦合式强迫换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反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所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。分类Power155.1.2换流方式分类直接耦合式强迫换流当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关断。也叫电压换流。图5-3直接耦合式强迫换流原理图图5-4电感耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流当VT处于通态时，接通S使LC振荡电流流过VT，先使晶闸管电流减为零，然后流过反并联二极管VD使其加上反向电压。也叫电流换流。Power16AnotherclassificationofcommutationsSelf-commutationDevicecommutationForcedcommutationLinecommutationLoadcommutation4typesofCommutationsExternalcommutationForfully-controlleddevicesForthyristorsPower175.1.2换流方式分类换流方式总结：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——属于外部换流。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。Power182classesofinvertersVoltageSourceInverter(VSI)CurrentSourceInverter(CSI)Power195.2Voltagesourceinverter(VSI)DCsideisconstantvoltage,lowimpedance(voltagesource,orbulkcap)ACsidevoltageissquarewaveorquasi-squarewave.ACsidecurrentisdeterminedbytheload.Anti-paralleldiodesarenecessarytoprovideenergyfeedbackpath.(freewheelingdiodes,feedbackdiodes)+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoioFeaturesPower205.2电压型逆变电路2）电压型逆变电路的特点图5-5电压型全桥逆变电路(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)交流侧输出电压为矩形波，输出电流和相位因负载阻抗不同而不同。(3)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，逆变桥各臂并联反馈二极管。Power21Single-phasehalfbridgeVSIThecurrentconductingpathisdeterminedbythepolarityofloadvoltageandloadcurrent.(Thisistrueforanalysisofmanypowerelectronicscircuits.)Themagnitudeofoutputsquare-wavevoltageisUd/2.-RLUdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2uoUmiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2UG1UG2Power225.2.1单相电压型逆变电路1）半桥逆变电路u图5－6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理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。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。Power23Single-phasefullbridgeVSIOperationprinciple+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoioThemagnitudeofoutputsquare-wavevoltageisUd.Theeffectivevalueofoutputvoltage(orfundamentaloutputvoltage)canbechangedbychangingUd.uoUmiot1t2t3t4t5t6V1,V4V2,V3V1,V4V2,V3VD1VD2VD1VD2UG1,4UG2,3VD4VD3VD4VD3Power24工作原理+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiouoUmiot1t2t3t4t5t6V1,V4V2,V3V1,V4V2,V3VD1VD2VD1VD2UG1,4UG2,3VD4VD3VD4VD35.2.1单相电压型逆变电路2)全桥逆变电路共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。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，幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。Power25Single-phasefullbridgeVSIOutputvoltagecontrolbyphase-shifttOtOtOtOtOuG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoioPower265.2.1单相电压型逆变电路阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压－移相调压。a)图5-7单相全桥逆变电路的移相调压方式b)utOtOtOtOtO?G1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoV3的基极信号比V1落后q（0＜q＜180°）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1前移180°－q。输出电压是正负各为q的脉冲。改变q就可调节输出电压。故移相调压就是调节输出电压的脉宽。Power27Inverterwithcenter-tappedtransformer—push-pullinverterLoad+-iouoUdV1V2VD1VD2Power285.2.1单相电压型逆变电路3）带中心抽头变压器的逆变电路图5-8带中心抽头变压器的逆变电路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。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。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。Power29