ch4 逆變電路電力電子

第四章逆變電路12023/2/12023/2/12逆變電路?

引言逆變：將直流電變成交流電DC-AC有源逆變：交流側(cè)連接電網(wǎng)無源逆變：交流側(cè)連接負載逆變與變頻變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。主要應(yīng)用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。交流電機調(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。本章學習無源逆變2023/2/13逆變電路?

內(nèi)容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2023/2/144.1換流方式4.1.1逆變電路的基本工作原理4.1.2換流方式分類2023/2/154.1.1逆變電路的基本工作原理單相橋式逆變電路a)b)tuoiot1t2S1、S4閉合，S2、S3斷開時：負載電壓uo為正。S1、S4斷開，S2、S3閉合時：負載電壓uo為負。逆變電路最基本的工作原理：

改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。2023/2/164.1.2換流方式分類換流：電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。開通：適當?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使器件開通。關(guān)斷：

全控型器件可通過門極關(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。換流方式：

器件換流、電網(wǎng)換流、負載換流、強迫換流2023/2/174.1.2換流方式分類1.器件換流(DeviceCommutation)

利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。在采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2.電網(wǎng)換流(LineCommutation)

電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。

將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。2023/2/184.1.2換流方式分類3.負載換流(LoadCommutation)由負載提供換流電壓的換流方式。

負載電流的相位超前于負載電壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流，如電容性負載和同步電動機。?t?t?t?tOOOOiit1uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4注意：觸發(fā)VT2、VT3的時刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。并聯(lián)諧振2023/2/194.1.2換流方式分類4.強迫換流(ForcedCommutation)

設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流。通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電容換流。分類：直接耦合式強迫換流；電感耦合式強迫換流2023/2/1104.1.2換流方式分類4.強迫換流(ForcedCommutation)直接耦合式強迫換流：由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓。當晶閘管VT處于通態(tài)時，預(yù)先給電容充電。當S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。也叫電壓換流。2023/2/1114.1.2換流方式分類4.強迫換流(ForcedCommutation)電感耦合式強迫換流：通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提

供換流電壓或換流電流圖a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷圖b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內(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關(guān)斷，二極管上的管壓降就是加在晶閘管上的反向電壓。也叫電流換流。2023/2/1124.1.2換流方式分類換流方式小結(jié)：(1)器件換流只適用于全控型器件，其余三種方式主要是針對晶閘管而言的。(2)器件換流和強迫換流屬于自換流，電網(wǎng)換流和負載換流屬于外部換流。當電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅。2023/2/1134.2電壓型逆變電路4.2.1單相電壓型逆變電路4.2.2三相電壓型逆變電路2023/2/1144.2電壓型逆變電路?

引言逆變電路的分類：根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同電壓型逆變電路VSI

——又稱為電壓源型逆變電路VoltageSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電壓源電流型逆變電路CSI——又稱為電流源型逆變電路CurrentSourceTypeInverter-CSTI直流側(cè)是電流源2023/2/1154.2電壓型逆變電路?

引言電壓型逆變電路的特點：◆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?！?/p>

由于直流電壓源的鉗位作用，輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同?！糇韪胸撦d時需提供無功功率，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。電壓型全橋逆變電路2023/2/1164.2.1單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形1.半橋逆變電路在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的聯(lián)結(jié)點便成為直流電源的中點，負載聯(lián)接在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)結(jié)點之間。工作原理?設(shè)開關(guān)器件V1和V2的柵極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補。?輸出電壓uo為矩形波，其幅值為Um=Ud/2。2023/2/1174.2.1單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形1.半橋逆變電路?電路帶阻感負載，t2時刻給V1關(guān)斷信號，給V2開通信號，則V1關(guān)斷，但感性負載中的電流io不能立即改變方向，于是VD2導通續(xù)流，當t3時刻io降零時，VD2截止，V2開通，io開始反向，由此得出如圖所示的電流波形。?V1或V2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負載提供能量；VD1或VD2通時，io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,它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。2023/2/1184.2.1單相電壓型逆變電路1.半橋逆變電路◆優(yōu)點：簡單，使用器件少；◆缺點：輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡。因此，半橋電路常用于幾kW以下的小功率逆變電源。2023/2/1194.2.1單相電壓型逆變電路2.全橋逆變電路共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導通180°。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)。單相全橋電壓型逆變電路2023/2/1204.2.1單相電壓型逆變電路2.全橋逆變電路◆

移相調(diào)壓方式a)單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式tOtOtOtOtOθb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo?V3的基極信號比V1落后(0＜θ＜180°)。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180°-θ。輸出電壓是正負各為θ的脈沖。2023/2/1214.2.1單相電壓型逆變電路◆

移相調(diào)壓方式工作過程a)單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式tOtOtOtOtOθb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo√t1時刻前V1和V4導通，uo=Ud?！蘴1時刻V4截止，而因負載電感中的電流io不能突變，V3不能立刻導通，VD3導通續(xù)流，uo=0。√t2時刻V1截止，而V2不能立刻導通，VD2導通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，uo=-Ud?！痰截撦d電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，V2和V3開始導通，uo仍為-Ud?！蘴3時刻V3截止，而V4不能立刻導通，VD4導通續(xù)流，uo再次為零。?改變θ就可調(diào)節(jié)輸出電壓。2023/2/1224.2.1單相電壓型逆變電路3.帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭變壓器的逆變電路◆交替驅(qū)動兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負載加上矩形波交流電壓?！魞蓚€二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道?！鬠d和負載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1時，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同?！襞c全橋電路相比較

?比全橋電路少用一半開關(guān)器件。

?器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高一倍。

?必須有一個變壓器。2023/2/1234.2.2三相電壓型逆變電路三相橋式逆變電路◆基本工作方式是180°導電方式?！敉幌啵赐话霕颍┥舷聝杀劢惶鎸щ?，各相開始導電的角度差120°，任一瞬間有三個橋臂同時導通。◆每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流。2023/2/1244.2.2三相電壓型逆變電路波形分析：負載各相到電源中點N'的電壓：U相，V1通，uUN‘=Ud/2；V4通，uUN'=-Ud/2。V相，V3通，uVN‘=Ud/2；V6通，uVN'=-Ud/2。

W相，V5通，uWN‘=Ud/2；V2通，uWN'=-Ud/2。負載線電壓負載相電壓負載中點和電源中點間電壓負載三相對稱時有uUN+uVN+uWN=0，于是：2023/2/1254.2.2三相電壓型逆變電路電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3負載已知時，可由uUN波形求出iU波形。一相上下兩橋臂間的換流過程和半橋電路相似。橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60°脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個特點。防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導通而引起直流側(cè)電源短路，應(yīng)采取“先斷后通”。2023/2/1264.3電流型逆變器直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。電流型三相橋式逆變電路電流型逆變電路主要特點：(1)

直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動，相當于電流源；(2)

交流輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關(guān)。輸出電壓波形和相位因負載不同而不同。(3)直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。換流方式有負載換流、強迫換流。2023/2/1274.3電流型逆變器4.3.1單相電流型逆變電路4.3.2三相電流型逆變電路電流型逆變器應(yīng)用較少，該部分內(nèi)容自學！2023/2/1284.4多重逆變電路和多電平逆變電路■電壓型逆變電路的輸出電壓是矩形波，電流型逆變電路的輸出電流是矩形波，矩形波中含有較多的諧波，對負載會產(chǎn)生不利影響?！龀３２捎枚嘀啬孀冸娐钒褞讉€矩形波組合起來，使之成為接近正弦波的波形。■也可以改變電路結(jié)構(gòu)，構(gòu)成多電平逆變電路，它能夠輸出較多的電平，從而使輸出電壓向正弦波靠近。引言2023/2/1294.4多重逆變電路和多電平逆變電路4.4.1多重逆變電路4.4.2多電平逆變電路2023/2/1304.4.1多重逆變電路120°60°180°tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo二重逆變電路及工作波形■二重單相電壓型逆變電路◆兩個單相全橋逆變電路組成，輸出通過變壓器T1和T2串聯(lián)起來?！糨敵霾ㄐ?兩個單相的輸出u1和u2是180°矩形波。?u1和u2相位錯開j

=60°,其中的3次諧波就錯開了3×60°=180，變壓器串聯(lián)合成后，3次諧波互相抵消，總輸出電壓中不含3次諧波。?uo波形是120°矩形波，含6k±1次諧波，3k次諧波都被抵消?！鼋Y(jié)論◆把若干個逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。◆多重逆變電路有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種方式，電壓型逆變電路多用串聯(lián)多重方式，電流型逆變電路多用并聯(lián)多重方式。2023/2/1314.4.1多重逆變電路三相電壓型二重逆變電路◆電路分析?由兩個三相橋式逆變電路構(gòu)成，輸出通過變壓器串聯(lián)合成。?兩個逆變電路均為180°導通方式。?工作時，逆變橋II的相位比逆變橋I滯后30°。T1為Δ/Y聯(lián)結(jié)，線電壓變比為，T2一次側(cè)Δ聯(lián)結(jié)，二次側(cè)兩繞組曲折星形接法，其二次電壓相對于一次電壓而言，比T1的接法超前30°，以抵消逆變橋II比逆變橋I滯后的30°，這樣uU2和uU1的基波相位就相同。?如果T2和T1一次側(cè)匝數(shù)相同，為了使uU2和uU1基波幅值相同，T2和T1二次側(cè)間的匝比就應(yīng)為?！?/p>

三相電壓型二重逆變電路2023/2/1324.4.1多重逆變電路uUN比uU1接近正弦波。直流側(cè)電流每周期脈動12次，稱為12脈波逆變電路。使m個三相橋逆變電路的相位依次錯開p/(3m)，連同合成輸出電壓并抵消上述相位差的變壓器，就可構(gòu)成6m的脈波逆變電路。UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud二次側(cè)基波電壓合成相量圖三相電壓型二重逆變電路波形圖2023/2/1334.4.2多電平逆變電路電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3以N’為參考點，輸出相電壓有Ud/2和-Ud/2兩種電平，稱為兩電平逆變電路。三相電壓型橋式逆變電路2023/2/1344.4.2多電平逆變電路■多電平逆變電路◆逆變器能承受更高的電壓，而且相電壓的波形更接近正弦波?！舫Ｓ玫亩嚯娖侥孀冸娐酚兄悬c鉗位型逆變電路，飛跨電容型逆變電路，以及單元串聯(lián)多電平逆變電路。

◆飛跨電容型逆變電路由于要使用較多的電容，而且要控制電容上的電壓，因此使用較少。2023/2/1354.4.2多電平逆變電路三電平逆變電路■中點鉗位型（NeutralPointClamped）逆變電路◆電路分析?每橋臂由兩個全控器件串聯(lián)構(gòu)成，兩者都反并聯(lián)了二極管，且中點通過鉗位二極管和直流側(cè)中點相連?！粢訳相為例分析工作情況?V11和V12（或VD11和VD12）通，V41和V42斷，UO'間電位差為Ud/2。?V41和V42（或VD41和VD42）通，V11和V12斷，UO’間電位差為-Ud/2。?V12和V41導通，V11和V42關(guān)斷時，UO‘間電位差為0。?V12和V41不能同時導通