第4章 直流-交流变换电路

第4章直流-交流变换电路电力电子技术第4章直流-交流变换电路4.1逆变电路的基本原理及换流方式4.2逆变电路的类型4.3电压型逆变电路4.4电流型逆变电路4.5多重逆变电路和多电平逆变电路4.6正弦脉宽调制（SPWM）逆变电路第4章直流-交流变换电路·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。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电路核心部分都是逆变电路。将直流电逆变成与电网同频率的恒频交流电，并输送回电网将直流电逆变成频率可变的交流电，并直接供给交流负载按换流方式分电网换流负载谐振换流强迫换流按输出相数分单相逆变电路三相逆变电路按直流的电源性质分电压源型逆变电路电流源型逆变电路逆变电路的分类第4章直流-交流变换电路·引言换流问题输出电能质量控制问题电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也常被称为换相，换流的过程伴随着器件的导通与关断过程。从断态向通态转移时，无论支路是由全控型还是由半控型电力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其开通。但从通态向断态转移的情况就不同，对于全控型器件而言，可以采用控制信号来控制器件的通断，而对于半控型器件的晶闸管就存在如何关断问题，特别是工作在电压极性不变的直流电源条件下的晶闸管逆变电路，必须利用外部条件或采用其他措施才能使其关断。DC-AC变换中关注的问题第4章直流-交流变换电路·引言4.1逆变电路的基本原理及换流方式以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理逆变电路及其波形举例4.1逆变电路的基本原理及换流方式S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u0为正。S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压u0为负。S1、S4闭合，S2、S3断开时电路和波形图S1、S4断开，S2、S3闭合时电路和波形图直流交流4.1逆变电路的基本原理及换流方式逆变电路最基本的工作原理——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和电压uO的波形相同，相位相同。阻感负载时，电流iO相位滞后于电压uO。波形不同4.1逆变电路的基本原理及换流方式VT1、VT4与VT2、VT3成对导通。VT1、VT4导通时，输出电压uO为左正右负；VT2、VT3导通时，输出电压uO为左负右正。这两对晶闸管轮流切换导通，就把直流电变成了交流电，则负载上便可得到交流电压uO，如图c所示。控制两对晶闸管的切换导通频率就可调节输出交流频率，改变直流电压E的大小就可调节输出电压的幅值。这就是逆变电路最基本的工作原理。单相桥式逆变电路4.1逆变电路的基本原理及换流方式换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相要使逆变电路稳定工作，必须解决导通晶闸管的关断问题，即换流问题。开通：适当的门极驱动信号就可以是器件开通关断：全控型器件可通过门极关断半控型器件(如晶闸管)必须利用外部条件才能关断关断已导通的晶闸管有两种方法：一是在晶闸管阳极电路中串入大电阻，使其阳极电流降至维持电流以下而关断；二是使晶闸管承受阳极反压并维持一定的时间t0，且t0应大于晶闸管的关断时间tq。在DC-AC变换器中，晶闸管工作在恒定不变的阳极电压下，因此，正确可靠换流的关键是解决如何施加反向阳极电压使功率器件关断的技术问题。研究换流方式主要是研究如何使器件关断4.1逆变电路的基本原理及换流方式电网提供换流电压的换流方式，利用电网交流电压自动过零变负的特点。在换流时，把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上，使晶闸管承受反向阳极电压而关断。不需要器件具有门极可关断能力，不适用于没有交流电网的无源逆变电路。此方法简单，无需附加换流电路，称为自然换流，常用于可控整流电路、有源逆变电路、交流调压和相控交-交变频电路。这种换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件，但是不适用于没有交流电网的无源逆变电路。常用的晶闸管换流方法有3种：4.1.1电网换流电网换流、负载谐振式换流、强迫换流。器件换流利用全控器件的自关断能力进行换流在采用IGBT、电力MOSFET、GTOGTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流4.1逆变电路的基本原理及换流方式4.1.2负载谐振式换流如图是基本的负载换流逆变电路，4个桥臂均由晶闸管组成。负载是电阻电感串联后再和电容并联，整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。在直流侧串入了一个很大的电感Ld，认为id基本没有脉动。直流电流近似为恒值，负载电流是交变矩形波。负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，故对基波的阻抗很大，而对谐波的阻抗很小，因此负载电压uO波形接近正弦波。由负载提供换流电压的换流方式。凡是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。4.1逆变电路的基本原理及换流方式4.1.2负载谐振式换流注意：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。从VT3、VT2到VT1、VT4的换流过程与上述情况类似。设在t1时刻前VT1、VT4为通态，VT2、VT3为断态，uO、iO均为正，VT2、VT3上施加的电压即为uO。在t1时刻触发VT2、VT3使其开通，负载电压uO就通过VT3、VT2分别加到VT1、VT4上，使VT1、VT4因承受反向电压而关断，电流从VT1、VT4转移到VT3、VT2。4.1逆变电路的基本原理及换流方式4.1.3强迫换流电网换流和负载谐振式换流不能使变流器在任意时刻进行换流，具有很大的局限性。在电路中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，这种换流方式称为强迫换流（ForcedCommutation）。通常利用附加电容上所储存的能量来实现，也称为电容换流。强迫换流分类由换流电路内电容直接提供换流电压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直接耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流4.1逆变电路的基本原理及换流方式4.1.3强迫换流直接耦合式强迫换流通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容强迫换流。是由换流电容直接提供极性正确的反向电压使原来导通的晶闸管关断。晶闸管VT1触发导通后，电容C被充至uC=E，极性为左负右正，如图a所示。换流时，触发导通辅助晶闸管VT2，此时VT1、VT2都导通，两管进行换流，如图ｂ所示。在VT1-C-VT2回路中，由于VT2导通使左负右正的电容电压uC加于VT1上，使其承受反向阳极电压而关断。电源通过负载电阻R和导通的VT2对电容C反向充电，如图c所示。电容电压uC由-E上升过零直至+E，如图d所示，其中uC=-E至uC=0的时间t0即为VT1承受反压的时间，这段时间必须大于晶闸管关断时间tq，以确保原来导通的晶闸管VT1可靠关断。4.1逆变电路的基本原理及换流方式4.1.3强迫换流如果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，则称为电感耦合式强迫换流，如图4-4所示。图4-4a)和图4-4b)是两种不同的电感耦合式强迫换流原理图。图4-4电感耦合式强迫换流4.1逆变电路的基本原理及换流方式4.1.3强迫换流在晶闸管导通期间，图4-4a）和图4-4b）中换流电容上所充的电压uC极性不同，导致产生出两种不同的换流过程。图4-4a)中晶闸管在LC振荡前半个周期内关断；图4-4b)中晶闸管在LC振荡后半个周期内关断。在图4-4a）中，当接通开关S后，LC振荡电流将反向流过VT，促使其电流减小，在LC振荡的前半个周期内就可使VT中的阳极电流减小至零而关断，残余电流经VD继续流动，导通的VD管压降构成了对VT的反向偏压。在图4-4b）中，当接通开关S后，LC振荡电流先正向流经VT，并和VT中原有的负载电流叠加，经过半个振荡周期后，振荡电流反向流过VT，使VT中合成正向电流衰减至零而关断，残余电流经VD继续流动，VD上的管压降构成对VT的反向偏压，确保其可靠关断。电感耦合式强迫换流换流方式总结：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——属于自然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。4.1逆变电路的基本原理及换流方式4.2逆变电路的类型逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件，它们与外电路间存在着无功能量的交换。由于逆变器的直流输入与交流输出间有无功功率的流动，所以必须在直流输入端设置储能元件来缓冲无功功率。在直流-交流逆变电路中，直流环节的储能元件往往被当作滤波元件来看待，但它更有向交流负载提供无功功率的重要作用。由于直流环节储能元件的类型不同，因而逆变电路直流侧电源的性质也分为两种不同类型：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，也称电压源型逆变电路（VoltageSourceInverter——VSI）；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路，也称电流源型逆变电路（CurrentSourceInverter——CSI）。4.2逆变电路的类型电压源型逆变电路的特点：1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动，相当于电压源。2)交流侧输出电压波形为矩形波，输出电流波形和相位则与负载有关，因负载阻抗情况的不同而不同。3)当交流侧为阻感性负载时，需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。由于直流侧电压极性不允许改变，当无功功率从交流侧向直流侧回馈时，只能靠改变电流方向来实现，为此在各功率开关元件旁要反并联续流二极管，为感性负载电流提供回馈无功能量至直流侧的通路。电压源型单相桥式逆变电路4.2逆变电路的类型电压源型单相桥式逆变电路4.2逆变电路的类型电流源型逆变器采用电感作储能元件，图4-6为电流源型单相桥式逆变器原理图，图中未绘出晶闸管换流电路。4.2逆变电路的类型电流源型逆变器有如下特点：1)直流回路串一大电感Ld作为无功功率缓冲环节（滤波环节），直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗，相当于电流源。2)交流侧输出电流波形为矩形波，交流侧输出电压波形和相位则与负载有关，因负载阻抗情况的不同而不同。3)由于直流环节电流Id不能反向，当无功功率从交流侧向直流侧回馈时，只有改变逆变器两端直流电压的极性来改变能量流动方向。因为此电路直流侧电流不能反向，所以开关器件两端无需设置反并联续流二极管。4.2逆变电路的类型两类逆变器的比较1)电压源型逆变器采用大电容作为储能（滤波）元件，逆变器呈现低内阻特性，直流电压大小和极性不能改变，适合稳频稳压电源、不可逆电力拖动系统、多台电机协同调速和快速性要求不高的应用场合。电流源型逆变器电流方向不变，可通过逆变器和整流器的工作状态变化，实现能量流向改变，实现电力拖动系统的电动、制动运行，故可应用于快速频繁加、减速及正、反转的单机拖动系统。2)电流源型逆变器因采用大电感储能（滤波），主电路抗电流冲击能力强，能有效抑制电流突变、过电流保护容易。电压源型逆变器输出电压稳定，一旦出现短路，电流上升极快，过电流保护困难。3)采用晶闸管元件的电流源型逆变器依靠电容与负载电感的谐振来实现换流，负载构成换流回路的一部分，若不接入负载，则系统不能运行。4)电压源型逆变器必须设置反馈二极管为负载提供感性无功电流通路，主电路结构较电流源型逆变器复杂。电流源型逆变器的无功功率由滤波电感储存，无需二极管续流，主电路结构简单。4.3电压型逆变电路4.3.1电压型单相逆变电路4.3.2电压型三相逆变电路4.3电压型逆变电路4.3.1电压型单相逆变电路4.3.1.1电压型单相半桥逆变电路工作原理VT1和VT2的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补，输出电压uO为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。当VT1或VT2通时，负载iO和uO同方向，直流侧向负载提供能量；当VD1或VD2通时，负载iO和uO反向，负载电感中储存的能量向直