逆變電路課件

1、第五章第五章逆變電路Inverters 第第5 5章章 逆變電路引言引言 5.1 5.1 換流方式換流方式 5.1.1 5.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理 5.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類5.2 5.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 5.2.1 5.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 5.2.2 5.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路5.3 5.3 電流型逆變電路電流型逆變電路 5.3.1 5.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路 5.3.2 5.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路5.4 5.4 多重逆變電路和多電平逆

2、變電路多重逆變電路和多電平逆變電路 5.4.1 5.4.1 多重逆變電路多重逆變電路 5.4.2 5.4.2 多電平逆變電路多電平逆變電路本章小結(jié)本章小結(jié)第第5 5章章 逆變電路逆變電路引言引言l 逆變的概念：逆變與整流相對(duì)應(yīng)，直流電變成交流電l交流側(cè)接電網(wǎng)，為l交流側(cè)接負(fù)載，為本章講述無(wú)源逆變l逆變與變頻l變頻電路：和兩種l交直交變頻由交直變換和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變第第5 5章章 逆變電路逆變電路引言引言l 逆變電路的應(yīng)用交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路第第5 5章章 逆變電路逆變電路引言引言 5.1節(jié)換流方式 5.2節(jié)電壓型

3、逆變電路 5.3節(jié)電流型逆變電路 5.4節(jié)逆變電路的多重化和多電平逆變電路。本章僅講述逆變電路基本內(nèi)容，第6章PWM控制技術(shù)和第8章組合變流電路中，有關(guān)逆變電路的內(nèi)容會(huì)進(jìn)一步展開(kāi)。l 本章內(nèi)容5.1 換流方式 l5.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理 以為例S1S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成圖5-1 逆變電路及其波形舉例5.1.15.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理S1、S4閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電 電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的

4、波形相同，相位也相同 阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同5.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理t1前：S1、S4通，uo和io均為正t1時(shí)刻斷開(kāi)S1、S4，合上S2、S3，uo變負(fù)，但io不能立刻反向 io從電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時(shí)刻降為零，之后io才反向并增大過(guò)程分析： load t S 1 S 2 S 3 S 4 i o u o U d u o i o t 1 t 2 l 換流換流電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱換相換相開(kāi)通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使其開(kāi)通關(guān)斷：全控型器件可通過(guò)門極關(guān)斷半控型器

5、件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷一般在晶閘管電流過(guò)零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷l(xiāng) 本章?lián)Q流及換流方式問(wèn)題最為全面集中,因此在本章講述5.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類總共有四種換流方式1. 器件換流器件換流 2. 電網(wǎng)換流電網(wǎng)換流 3. 負(fù)載換流負(fù)載換流 4. 強(qiáng)迫換流 5.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類5.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流可控整流電路、交流調(diào)壓電路和采用相控方式的交交變頻電路不需器件具有門極可關(guān)斷能力，

6、也不需要為換流附加元件利用全控型器件全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強(qiáng)迫強(qiáng)迫換流換流,通常利用附加電容上儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，也稱為電容換流。電容換流。負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，負(fù)載為同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流： 采用晶閘管電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作在接近 并聯(lián)諧振狀態(tài)而 電容為改善負(fù)載功率因數(shù)使其略呈容性而接入，直流側(cè)串入大電感Ld， 5.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類討論：圖5-2 負(fù)載換流電路及其工作波形 工作過(guò)程工作過(guò)程:l4個(gè)臂的切換僅使電流路徑改變，負(fù)載電流 基本呈

7、矩形波l負(fù)載工作在對(duì)基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對(duì)基波阻抗很大，對(duì)諧波阻抗很小，uo波形接近正弦lt1前：VT1、VT4通，VT2、VT3斷，uo、io均為正，VT2、VT3電壓即為uolt1時(shí)：觸發(fā)VT2、VT3使其開(kāi)通，uo加到VT4、VT1上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從VT1、VT4換到VT3、VT2lt1必須在uo過(guò)零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成5.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類Load current is leading load voltage 逆變電路直接耦合式強(qiáng)迫換流直接耦合式強(qiáng)迫換流電感耦合式強(qiáng)迫換流電感耦合式強(qiáng)迫換流由換流電路內(nèi)提供換流電壓5.1.2

8、5.1.2 換流方式分類換流方式分類SVT負(fù)載負(fù)載+- -圖5-3 直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖VT通態(tài)時(shí)，先給電容通態(tài)時(shí)，先給電容C充電。合上充電。合上S就可使晶就可使晶閘管被施加反壓而關(guān)斷閘管被施加反壓而關(guān)斷 電壓換流電壓換流給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流也叫電壓換流電壓換流圖5-4a中晶閘管在LC振蕩第一個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷圖5-4b中晶閘管在LC振蕩第二個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷CL+VDSCVT負(fù)載負(fù)載+LSVT負(fù)載負(fù)載VDb)a)圖圖5-45-4圖5-4 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖通過(guò)換流電路內(nèi)電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流兩種。先使晶閘管電流減為零，然后通過(guò)反并聯(lián)二極管使其加 反壓的換流叫電

9、電流換流流換流 電流換流電流換流器件換流適用于全控型器件其余三種方式針對(duì)晶閘管器件換流和強(qiáng)迫換流屬于自換流電網(wǎng)換流和負(fù)載換流外部換流當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅熄滅5.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類換流方式小結(jié)：5.25.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路Voltage source inverter (VSI) l逆變電路按其逆變電路按其直流電源性質(zhì)直流電源性質(zhì)不同分為兩種：不同分為兩種：直流側(cè)是電壓源直流側(cè)是電流源電壓型逆變電路舉例: load S 1 S 2 S 3 S 4 i o u o U d 為什么要加二極管？為什么要

10、加二極管？l電壓型逆變電路的電壓型逆變電路的特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1) 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)； (2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同； (3) 阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管反饋二極管。5.25.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路Voltage source inverter (VSI)電路結(jié)構(gòu)：V1和V2柵極信號(hào)在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補(bǔ)，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2工作原理：（感性負(fù)載時(shí)）V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時(shí)，i

11、o和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管反饋二極管,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。續(xù)流二極管。5.25.2.1.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路l 特點(diǎn)特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，使用器件少 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：交流電壓幅值Ud/2，直流側(cè)需兩電容器 串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡用于幾kW以下的小功率逆變電源l 單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合5.25.2.1.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路兩個(gè)半橋電路的組合工作情況：1和4一對(duì)，2和3另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì) 交替各導(dǎo)通180uo波形同圖5-6b半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=

12、Udio波形和圖5-6b中的io相同，幅值增加一倍單相逆變電路中應(yīng)用最多5.25.2.1.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路Single-phase full bridge VSI VD 1 VD 2 VD 3 VD 4 u o L R C i o V1 V2 V3 V4 Ud + - 輸出電壓定量分析輸出電壓定量分析 Quantitative analysis uo成傅里葉級(jí)數(shù) Fourier series extension of output voltage (5-2) (5-3) uo為正負(fù)各180時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)tttUu5sin513sin31sin

13、4doddo1m27. 14UUUdd1o9 . 022UUU(5-1)5.25.2.1.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路l 三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路l 應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路l 可看成由三個(gè)半橋逆變電路組成l180導(dǎo)電方式導(dǎo)電方式(180 conduction) 每橋臂導(dǎo)電180，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度差120 任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流縱向換流5.25.2.2 .2 三三相電壓型逆變電路相電壓型逆變電路 Three-phase VSI tOuG1tOuG3tOuG4tOuG5tOuG6t

14、OuG2NN+- -UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2idl 波形分析波形分析圖5-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形負(fù)載各相到電源中點(diǎn)負(fù)載各相到電源中點(diǎn)N的電的電壓壓：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu(5-4)NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu(5-5)5.25.2.2 .2 三三相電壓型逆變電路相電壓型逆變電路 Three-phase VSI 負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓 )(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu(

15、5-6) 利用式(5-5)和(5-7)可繪出uUN、uVN、uWN波形 負(fù)載已知時(shí)，可由uUN波形求出iU波形 一相上下兩橋臂間的換流過(guò)程和半橋電路相似 橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每每60脈動(dòng)一次，直流電壓基本無(wú)脈動(dòng)脈動(dòng)一次，直流電壓基本無(wú)脈動(dòng)，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的，電壓型逆變電路的一個(gè)特點(diǎn) )(31 WN VN UNNNuuuu(5-7)負(fù)載三相對(duì)稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是 5.25.2.2 .2 三三相電壓型逆變電路相電壓型逆變電路 Three-phase VSI 圖5-11 電流型三相橋式逆變電路電流型逆變電路直流電源為電流

16、源直流電源為電流源的逆變電路一般在直流側(cè)串聯(lián)大電感，電流脈動(dòng)很小，可近似 看成直流電流源直流電流源實(shí)例之一：圖5-11電流型三相橋式逆變電路5.35.3 電流型逆變電路電流型逆變電路Current source inverter (CSI) 吸收換流時(shí)負(fù)載電感中存貯的能量電流型逆變電路主要特點(diǎn)電流型逆變電路主要特點(diǎn) (1) 直流側(cè)串大電感，相當(dāng)于電流源 (2) 交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因 負(fù)載不同而不同電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍 應(yīng)用較多換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流5.35.3 電流型逆變電路電流型逆變電路 Current source inverter (CSI

17、) 圖5-12 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路 l4橋臂，每橋臂晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器LT，用來(lái)限制晶閘管開(kāi)通時(shí)的di/dtl1、4和2、3以10002500Hz的中頻輪流導(dǎo)通，可得到中頻 交流電l采用負(fù)載換相方式，要求負(fù)載電流略超前于負(fù)載電壓負(fù)載一般是電磁感應(yīng)線圈，加熱線圈內(nèi)的鋼料，R和L串聯(lián)為其等效電路因功率因數(shù)很低，故并聯(lián)CC和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振式逆并聯(lián)諧振式逆變電路變電路l輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波l因基波頻率接近負(fù)載電路諧振頻率，故負(fù)載對(duì)基波呈高阻抗，對(duì)諧波呈低阻抗，諧波在負(fù)載上產(chǎn)生的壓降很小，因此負(fù)載電壓波形接近

18、正弦5.3.15.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路Single-phase bridge CSI中頻加熱電源l工作波形分析：tOtO圖5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖5-13 并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形 5.3.15.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路l 一周期內(nèi)，兩個(gè)穩(wěn)定導(dǎo)通 階段和兩個(gè)換流階段t1t2：VT1和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段穩(wěn)定導(dǎo)通階段，i=Id，t2時(shí)刻前在C上建立了左正右負(fù)的電壓t2t4：t2時(shí)觸發(fā)VT2和VT3開(kāi)通，進(jìn)入換流階段

19、換流階段LT使VT1、VT4不能立刻關(guān)斷，電流有一個(gè)減小過(guò)程VT2、VT3電流有一個(gè)增大過(guò)程4個(gè)晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電容電壓經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一個(gè)經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4到Ct=t4時(shí)，VT1、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束t4t2= t 稱為換流時(shí)間換流時(shí)間io在t3時(shí)刻，即iVT1=iVT2時(shí)刻過(guò)零，t3時(shí)刻大體位于t2和t4的中點(diǎn)保證晶閘管的可靠保證晶閘管的可靠關(guān)斷關(guān)斷（圖5-13）晶閘管需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時(shí)間tt = t5- t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tqtOtO圖5-

20、13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖5-13 并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形 5.3.15.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路5.3.25.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路Three- phase CSI圖5-14 電流型三相橋式逆變電路的輸出波形 l電流型三相橋式逆變電路電流型三相橋式逆變電路（采用全控型器件）基本工作方式是120導(dǎo)電方式導(dǎo)電方式每個(gè)臂一周期內(nèi)導(dǎo)電120每時(shí)刻上下橋臂組各有一個(gè)臂導(dǎo)通，橫向換流iUiViWl串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路串聯(lián)

21、二極管式晶閘管逆變電路主要用于中大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)電流型三相橋式逆變電路各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用120導(dǎo)電工作方式，輸出波形和圖5-14的波形大體相同強(qiáng)迫換流方式，電容C1C6為換流電容圖5-15 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 5.3.25.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路電容器充電規(guī)律電容器充電規(guī)律：等效換流電容概念等效換流電容概念：分析從VT1向VT3換流時(shí)，C13就是C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容，（見(jiàn)圖5-15）圖5-16 換流過(guò)程各階段的電流路徑l換流過(guò)程分析換流過(guò)程分析對(duì)共陽(yáng)極晶閘管，它與導(dǎo)通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負(fù)，不與導(dǎo)通晶閘管相連的電容器電壓為零5.3.25.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路5.3.25.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路從VT1向VT3換流的過(guò)程:假設(shè)換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負(fù)恒流放電階段