电力电子技术――第四章

逆变把直流电变成交流电有源逆变交流侧接电网逆变电路无源逆变交流侧直接和负载连接一般指无源逆变电路第4章无源逆变电路第4章无源逆变电路•无源逆变电路：将直流电转换为频率、幅值固定或可变的交流电并直接供给负载的逆变电路。•逆变电路应用广泛，在各种直流电池向交流负载供时，就需要逆变电路。•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其电路的核心部分都是逆变电路。4.1概述•逆变器的分类–按相数：单相、三相–按输入侧直流电源：电压型、电流型–按接线方式：半桥式、全桥式、推挽式–按换流方式：器件换流逆变器、负载谐振式换流逆变器、强迫换流逆变器4.1概述•换流方式1.器件换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流。2.电网换流：由电网提供换流电压。•相控整流电路和三相交流调压电路属于电网换流。•需要把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断，不适用于没有交流电网的无源逆变电路。4.1概述•换流方式3.负载换流：由负载谐振提供换流电压–负载换流的单相桥式逆变电路：•大电感滤波的晶闸管桥式逆变电路•负载工作在对基波电流接近并联谐振状态而略呈容性。RLCEdLdVT1VT2VT3VT4uoioid4.1概述•换流方式3.负载换流–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，对基波阻抗很大而对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦波。–换流必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。ttttOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4RLCEdLdVT1VT2VT3VT4uoioid4.1概述•换流方式4.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向电压或反向电流的换流方式。•晶闸管VT通态时，预先给电容C充电。合上开关S，可使晶闸管被施加反压而关断SVT负载+•换流方式–器件换流只适用于全控型器件–电网换流–负载换流针对晶闸管–强迫换流4.1概述4.2电压型逆变电路•电压型逆变电路的特点：1.直流侧为电压源，或并联有大电容滤波、相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2.由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3.当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联反馈二极管。4.2.1单相半桥型逆变电路•每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。•在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点是直流电源的中点。•负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。+-RLUdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud24.2.1单相半桥型逆变电路•输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2•输出电流io波形随负载情况而异。•t2-t3阶段，感性负载中io不能立即改变方向，于是VD2导通续流。•直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。ttOOONuoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2+-RLUdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2•半桥逆变电路特点–优点：简单，使用器件少–缺点：输出交流电压幅值Um仅为Ud/2，直流侧需两电容器串联，工作时要控制两个电容器电压均衡。•半桥逆变电路常用于几kW以下的小功率逆变电源4.2.1单相半桥型逆变电路由两个半桥电路组合而成桥臂(1和4)与桥臂(2和3)交替各导通180°4.2.2单相全桥型逆变电路+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoioabttOOuoUd-Udiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD24.2.2单相全桥型逆变电路•全桥逆变电路在单相逆变电路中应用最广泛•输出电压uo的波形是矩型波•输出电压、电流是半桥电路的一倍，Um=Ud•输出电压展开成傅里叶级数为•基波有效值为：tttUu5sin513sin31sin4dodd1o9.022UUU4.2.2单相全桥型逆变电路•移相调压+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoioabtttttuG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouotttttuG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo4.2.2单相全桥型逆变电路•各IGBT栅极驱动信号为180˚宽度的脉冲•V1和V2栅极信号互补，V3和V4栅极信号互补•V3的基极信号比V1落后θ(0θ180°)•输出电压uo是幅值为Ud、宽度为θ的正负交变的矩形波4.2.3三相电压型逆变电路•180°导电方式：每桥臂导电角度180°,任一时刻有三个管子导通•纵向换流：同一相上下两臂交替导电，相互换流N'N+-V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2N'N+-ABCV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAN'uANuABiAiduBN'uCN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3N'N+-V1V2V3V4V5V6Ud2Ud2N+-ABCV1V2V3V4V5V6Ud2Ud2负载线电压AN'CN'CACN'BN'BCBN'AN'ABuuuuuuuuu负载相电压'NNCN'CNNN'BN'BNNN'AN'ANuuuuuuuuu负载中点N和电源中点N′之间电压uNN’)(31)(31)(31CN'BN'AN'CNBNANCN'BN'AN'NN'uuuuuuuuuu4.2.3三相电压型逆变电路•各相开始导电的角度依次相差120°•在任一瞬间将有三个桥臂同时导通•相电压的波形是阶梯波•无功能量缓冲：–上桥臂1中的V1从通态转换到断态时，因负载电感中的电流不能突变，下桥臂4中的VD4先导通续流，待负载电流降为零，桥臂4中电流反向时，V4才开始导通。负载的阻抗角越大，VD4导通时间越长。tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAN'uANuABiAiduBN'uCN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3•uNN’的也是矩形波，但其频率为uAN’频率的3倍，幅值为其1/3，即为Ud/6。•负载参数已知时，可由uAN波形求出A相电流iA波形，负载的阻抗角不同，iA的波形形状和相位都有所不同•桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每隔60°脉动一次•逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的•三桥式逆变电路输出线电压uAB展开成傅里叶级数得•输出线电压的总有效值为•基波有效值为tttttUu13sin13111sin1117sin715sin51sin32dABd202ABAB816.0d21UtuU4.2.3三相电压型逆变电路ddAB1mAB178.062UUUU4.3电流型逆变电路•电流型逆变电路主要特点1.直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。2.交流侧输出电流波形为矩形波，电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。3.当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用，由于反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必给开关器件反并联二极管。4.3电流型逆变电路120°导电方式：每个臂一周期内导电120̊，按VT1-VT6的顺序每隔60°依次导通，任一时刻有两个管子导通。横向换流：在上下桥臂组内依次换流，每时刻上下桥臂组各有一个臂导通UVWidUdVT1VT2VT3VT4VT5VT6tOtOtOtOIdiBiCuABiA4.3电流型逆变电路•输出电流波形是正负各120°的矩形波。•与三相桥式可控整流电路在大电感负载下的交流输入电流波形相同。•输出线电压波形和负载性质有关。•输出交流电流的基波有效值IA1和直流电流Id的关系为ddAIII78.0614.3电流型逆变电路•电压型逆变器与电流型逆变器的比较–滤波环节•电压型变换器直流侧采用大电容滤波，电源阻抗小，相当于电压源；•电流型变换器直流环节应用大电感滤波，相当于电流源。–输出波形•电压型变换器输出电压是矩形波•电流型变换器输出电流是矩形波