電力電子技術(shù)：4 逆變電路

1、第4章 逆變電路2引言4.1 換流方式 4.2 電壓型逆變電路4.3 電流型逆變電路4.4 多重逆變電路和多電平逆變電路本章小結(jié) 目 錄3引 言逆變 與整流相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變（第三章）交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變（本章）逆變與變頻變頻電路：交交變頻和交直交變頻兩種交直交變頻由交直變換和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變逆變電路的應(yīng)用蓄電池、干電池、太陽能電池等直流電源向交流負(fù)載供電時(shí)，需要逆變電路交流電機(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44.1.1 逆變電路的基本工作原理以單相橋式逆變電路為例S1S4是橋式電路的4個(gè)臂，由

2、電力電子器件及輔助電路組成S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正；S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，uo為負(fù)，把直流電變成了交流電改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電的頻率改變直流輸入電壓Ud，可改變輸出交流電的有效值逆變電路及其波形54.1.1 逆變電路的基本工作原理電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同（如圖b）t1前：S1、S4通，uo和io均為正t1時(shí)刻斷開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

3、io才反向并增大逆變電路及其波形舉例64.1.2 換流方式分類換流 電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱換相，如S1S4 S2 S3開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使 全控型器件或半控型器件開通關(guān)斷：全控型器件可通過控制門極使其關(guān)斷半控型器件（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零后施加一定時(shí)間的反壓，才能使其關(guān)斷研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷74.1.2 換流方式分類1. 器件換流（Device Commutation）利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流如IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件2. 電網(wǎng)換流（Line Commutation）由電網(wǎng)提

4、供換流電壓相控整流電路、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，也不需要為換流附加元件不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路84.1.2 換流方式分類3. 負(fù)載換流（Load Commutation）由負(fù)載提供換流電壓用于負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合負(fù)載呈容性94.1.2 換流方式分類4. 強(qiáng)迫換流（Forced Commutation）設(shè)置附加的換流電路，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)迫換流通常利用附加電容上儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，也稱為電容換流直接耦合式強(qiáng)迫換流由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓VT處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容C充電。合上S就可使晶閘管

5、被施加反壓而關(guān)斷給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流叫電壓換流10強(qiáng)迫換流電感耦合式強(qiáng)迫換流 通過換流電路內(nèi)電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流圖a：晶閘管在LC振蕩第一個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷圖b：晶閘管在LC振蕩第二個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷晶閘管都是在正向電流減至零且二極管開始流過電流時(shí)關(guān)斷。二極管上的管壓降就是加在晶閘管上的反向電壓先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加上反壓的換流叫電流換流11器件換流 適用于全控型器件電網(wǎng)換流、負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流 針對(duì)晶閘管當(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?，則稱為熄滅換流方式小結(jié)12逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種直流側(cè)是

6、電壓源 - 電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路直流側(cè)是電流源 - 電流型逆變電路或電流源型逆變電路4.2 電壓型逆變電路13半橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)有兩個(gè)橋臂每個(gè)橋臂由一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的大電容兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)為直流電源的中點(diǎn)負(fù)載連接在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間14半橋逆變電路工作原理V1和V2柵極信號(hào)在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，互補(bǔ)uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2io波形隨負(fù)載而異t1t2：V1為通態(tài), uo= Ud/2t2t3：V1關(guān)斷, VD2續(xù)流, uo= -Ud/2t3t4：VD2截止, V2開通, uo= -Ud/2t4t5：V2關(guān)斷,

7、VD1續(xù)流, uo= Ud/2t5t6：VD1截止, V1開通, uo= Ud/215半橋逆變電路工作原理感性負(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)，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋，反饋回的能量暫時(shí)存儲(chǔ)在直流側(cè)電容器中VD1、VD2是負(fù)載向直流測(cè)反饋能量的通道，故稱為反饋二極管；同時(shí)起著使io連續(xù)的作用，又稱為續(xù)流二極管16半橋逆變電路特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，使用器件少缺點(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常用于幾kW以下的小功率逆變電源單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合17全橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)及工作情況兩

8、個(gè)半橋電路的組合1和4為一對(duì)橋臂，2和3為另一對(duì)橋臂，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通180uo、io的波形與半橋電路的相同，但幅值增加一倍，Um=Ud全橋逆變電路是單相逆變電路中應(yīng)用最多的全橋逆變電路18電壓型逆變電路的特點(diǎn)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同阻感負(fù)載時(shí)需提供無功，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)反饋二極管19 輸出電壓定量分析把幅值為Ud的矩形波uo展開成傅里葉級(jí)數(shù) 基波幅值 基波有效值全橋逆變電路uo為正負(fù)電壓各為180的脈沖時(shí)，要調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值只能通過

9、改變Ud來實(shí)現(xiàn)20移相調(diào)壓調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓有效值的另一種方法移相調(diào)壓實(shí)際上是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度各柵極信號(hào)為180o正偏，180o反偏，且V1和V2互補(bǔ)，V3和V4互補(bǔ)關(guān)系不變V3的柵極信號(hào)不是比V1的落后180o ，而是落后q (0q0時(shí)，V12和VD1導(dǎo)通，uUO0iU0時(shí)，V41和VD4導(dǎo)通，uUO0uUO具有Ud/2和0三種電平46中點(diǎn)鉗位型三電平逆變電路線電壓的電平相電壓相減得到線電壓，uUV=uUO-uVO三電平逆變電路的輸出線電壓有Ud、Ud/2和0五種電平三電平逆變電路的輸出電壓諧波大大少于兩電平逆變電路三電平逆變電路中，每個(gè)主開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)所承受電壓為直流側(cè)電壓的一半，

10、比兩電平逆變電路更適合于高壓大容量的場(chǎng)合47多電平逆變電路用與三電平電路類似的方法，還可構(gòu)成五電平、七電平等更多電平的電路電平數(shù)越多，越接近正弦波！但隨著電平數(shù)增加，所需的鉗位二極管的數(shù)目也急劇增加48飛跨電容型逆變電路要使用較多電容，而且要控制電容上的電壓電平數(shù)越多，需要的電容數(shù)目會(huì)急劇增加飛跨電容型三電平逆變電路 49單元串聯(lián)型逆變電路每相由多個(gè)單相電壓型全橋逆變單元串聯(lián)而成通過多個(gè)單元輸出電壓的疊加產(chǎn)生總的輸出電壓，通過不同單元輸出電壓之間錯(cuò)開一定的相位減少總輸出電壓的諧波每個(gè)逆變單元需要獨(dú)立的直流電源兩單元串聯(lián)型逆變電路 （五電平）50本章小結(jié)講述基本的逆變電路的結(jié)構(gòu)及其工作原理四大類基本變流電路中，AC/DC和DC/AC兩類電路更為基本、更為重要逆變電路的分類可按換流方式、輸出相數(shù)、直流電源的性質(zhì)或用途等分類本章主要采用按直流側(cè)電源性質(zhì)分類的方法，分為電壓型和電流型兩類51本章小結(jié)與其它章的關(guān)系第7章的PWM控制技術(shù)