5第五章--逆變電路.ppt

1、5-1,第5章 逆變電路,引言 5.1 換流方式 5.2 電壓型逆變電路 5.3 電流型逆變電路 5.4 多重逆變電路和多電平逆變電路 本章小節(jié),5-2,第5章 逆變電路 引言,逆變的概念 逆變與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。 交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。 交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變。 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(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。,本章講述無源逆變,5-3,第5章 逆變電路 引言

2、,逆變電路分類,電能流向,功率器件,直流電源,電路結(jié)構(gòu),輸出相數(shù),控制方式,開關(guān)環(huán)境,有源逆變電路,無源逆變電路,半控型電路,全控型電路,電壓源電路,電流源電路,橋式電路,非橋式電路,單相電路,三相電路,相控電路,PWM電路（斬控）,方波電路,硬開關(guān)電路,軟開關(guān)電路,半橋電路,全橋電路,單極性電路,雙極性電路,其實(shí)地上本沒有路，走的人多了，也便成了路。 魯迅,本章采用的 控制方式,5-4,5.1 換流方式,5.1.1 逆變電路的基本工作原理 5.1.2 換流方式分類,5-5,以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理,5.1.1 逆變電路的基本工作原理,圖5-1 逆變電路及其波形舉例,S1S4

3、是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。,控制方式為 方波控制,方波控制方式的逆變器 也被稱為方波型逆變器,5-6,5.1.1 逆變電路的基本工作原理,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)，負(fù)載電壓uo為負(fù)。,5-7,5.1.1 逆變電路的基本工作原理,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。,圖5-1 逆變電路及其波形舉例,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。,5-8,5.1.2 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

4、為換相。,開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(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。,本章?lián)Q流及換流方式問題最為全面集中,因此安排在本章集中講述。,5-9,5.1.2 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。 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（Line Commutation） 電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。 將負(fù)

5、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。 3) 負(fù)載換流（Load Commutation） 4) 強(qiáng)迫換流（Forced Commutation）,5-10,5.1.2 換流方式分類,關(guān)于換流方式： 器件換流適用于全控型器件。 其余三種方式針對晶閘管。 器件換流和強(qiáng)迫換流屬于自換流。 電網(wǎng)換流和負(fù)載換流屬于外部換流。 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。,5-11,5.2 電壓型逆變電路,1）逆變電路的分類 根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同,5-12,5.2 電壓型逆變電路,2）電

6、壓型逆變電路的特點(diǎn),圖5-5 電壓型全橋逆變電路,(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。,5-13,5.2 電壓型逆變電路,5.2.1 單相電壓型逆變電路 5.2.2 三相電壓型逆變電路,5-14,5.2.1 單相電壓型逆變電路,1）半橋逆變電路,u,圖56 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形,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，兩者互補(bǔ)，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2。 V1或V2

7、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。VD1、VD2稱為反饋二極管,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。,5-15,5.2.1 單相電壓型逆變電路,優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，使用器件少。 缺點(diǎn)：輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。 應(yīng)用： 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。,5-16,5.2.1 單相電壓型逆變電路,2) 全橋逆變電路,共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。 兩對橋臂交替導(dǎo)通180。 輸出電壓和電流與半橋電路形狀相同，幅值

8、高出一倍。 改變輸出交流電壓的有效值Uo1=0.9Ud，因此只能通過改變直流電壓Ud來實(shí)現(xiàn)，如相控整流，或移相調(diào)壓。 對于阻感負(fù)載，存在能量回饋和能量輸出兩個(gè)階段,圖5-5 單相全橋電壓型逆變電路及其工作波形,5-17,5.2.1 單相電壓型逆變電路,阻感負(fù)載時(shí)，可采用移相得方式來調(diào)節(jié)輸出電壓移相調(diào)壓。,V3的基極信號(hào)比V1落后q （0 q 180 ）。V3、V4的柵極信號(hào)分別比V2、V1的前移180q。輸出電壓是正負(fù)各為q的脈沖。 改變q就可調(diào)節(jié)輸出電壓。,5-18,5.2.1 單相電壓型逆變電路,3） 帶中心抽頭變壓器的逆變電路 （很簡單的電路，請同學(xué)們自己分析）,圖5-8 帶中心抽頭變壓

9、器的逆變電路,Ud和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1時(shí)，uo和io波 形及幅值與全橋逆變電路完全相同。 與全橋電路的比較： 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(gè)變壓器 。,交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。 兩個(gè)二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。,5-19,5.2.2 三相電壓型逆變電路,典型的三相電壓型逆變電路（變壓變頻調(diào)速器）,5-20,5.2.2 三相電壓型逆變電路,三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路 應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路,圖5-9 三相電壓型橋式逆變電路,5-21,5.2.2 三相電壓型

10、逆變電路,基本工作方式180導(dǎo)電方式,圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形,每橋臂導(dǎo)電180，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(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。,5-22,三相電壓型全橋逆變器6路開關(guān)信號(hào)（ 180導(dǎo)電方式）,三相電壓型全橋逆變器橋臂輸出電壓波形,三相逆變器U和V相橋臂輸出電壓 （線電壓，為120o方波）,基波分量,M,N,5-23,三相電壓型全橋逆變器橋臂輸出電壓波形,三相電壓型全橋逆變器負(fù)載相電壓波形,負(fù)載中性點(diǎn)電壓波形,基波分量,M,三相橋臂 輸出狀態(tài),5-24,5.2.2 三相電壓型逆變電路

11、,波形分析,負(fù)載各相到電源中點(diǎn)N的電壓：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2。 負(fù)載線電壓 負(fù)載相電壓,圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形,5-25,5.2.2 三相電壓型逆變電路,負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓 (5-6) 負(fù)載三相對稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7) 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(dòng)一次，直流電壓基本無脈動(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，這是電壓型逆變電路的一個(gè)特點(diǎn)。 防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通

12、而引起直流側(cè)電源短路，應(yīng)采取“先斷后通”。在兩者之間預(yù)留一定的時(shí)間裕量，即所謂的“死區(qū)時(shí)間”，數(shù)值大小視功率器件開關(guān)速度而定。,5-26,5.2.2 三相電壓型逆變電路,數(shù)量分析 輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù):,其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分別為:,5-27,電流型逆變電路主要特點(diǎn) (1)直流側(cè)串大電感，電流基 本無脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源。,5.3 電流型逆變電路,直流電為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。,圖5-11 電流型三相橋式逆變電路,(2)交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)。輸出電壓波形和相位 因負(fù)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

13、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(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。,5-28,5.3 電流型逆變電路（了解）,5.3.1 單相電流型逆變電路 5.3.2 三相電流型逆變電路,5-29,5.3 電流型逆變電路（了解）,電流型逆變電路主要特點(diǎn)： （1）直流側(cè)串聯(lián)大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。 （2）電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因?yàn)樨?fù)載阻抗情況的不同而不同。 （3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。由于反

14、饋無功能量時(shí)直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。,5-30,5.4 多重逆變電路和多電平逆變電路 （一般性了解）,電壓型逆變電路輸出電壓是矩形波， 電流型逆變電路輸出電流是矩形波，含有較多諧波。 多重逆變電路把幾個(gè)矩形波組合起來，接近正弦。 多電平逆變電路輸出較多電平，使輸出接近正弦。 多重逆變電路，也簡稱為多重化電路，和多電平電路一樣，被應(yīng)用于高電壓、大容量的場合。,5-31,5.4 多重逆變電路和多電平逆變電路 （一般性了解）,5.4.1 多重逆變電路 5.4.2 多電平逆變電路,5-32,5.4.1 多重逆變電路,多重逆變電路 電壓型、電流型都可多重化，

15、以電壓型為例。 單相電壓型二重逆變電路 兩個(gè)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。 輸出波形：兩個(gè)單相的輸出u1和u2是180矩形波。,圖5-21 二重逆變電路的工作波形,圖5-20 二重單相逆變電路,5-33,5.4.1 多重逆變電路,u1和u2相位錯(cuò)開j =60,其中的3次諧波就錯(cuò)開了 360=180。 變壓器串聯(lián)合成，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6k1次諧波，3k次諧波都被抵消。,多重逆變電路有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種 串聯(lián)多重把幾個(gè)逆變電路的輸出串聯(lián)起來，多用于電壓型。 并聯(lián)多重把幾個(gè)逆變電路的輸出并聯(lián)起來，多用于電流型。,圖

16、5-21 二重逆變電路的工作波形,圖5-20 二重單相逆變電路,5-34,5.4.2 多電平逆變電路,回顧圖5-9三相電壓型橋式逆變電路和圖5-10的波形。 以N為參考點(diǎn)，輸出相電壓有Ud/2和-Ud/2兩種電平，稱為兩電平逆變電路。,圖5-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形,5-35,5.4.2 多電平逆變電路,三電平逆變電路 也稱中點(diǎn)箝位型 （NPC, Neutral Point Clamped） 逆變電路 每橋臂由兩個(gè)全控器件串聯(lián)構(gòu)成，兩者中點(diǎn)通過箝位二極管和直流側(cè)中點(diǎn)相連 。,圖5-25 三電平逆變電路,5-36,5.4.2 多電平逆變電路,以A相為例分析工作情況（三種電平狀態(tài)輸出

17、） S1和S2通，S3和S4斷，則A與參考地之間電位差為Ud/2； S3和S4通，S1和S2斷，則A與參考地之間電位差為-Ud/2； S2和S3通，S1和S4斷，則A與參考地之間電位差為 0；,5-37,5.4.2 多電平逆變電路,線電壓的電平 相電壓相減得到線電壓。 兩電平逆變電路的輸出線電壓有Vdc和0三種電平。 三電平逆變電路的輸出線電壓有 Vdc 、 Vdc /2和0五種電平。 三電平逆變電路輸出電壓諧波可大大少于兩電平逆變電路。 三電平逆變電路另一突出優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)主開關(guān)器件承受電壓為直流側(cè)電壓的一半。 與兩電平逆變電路的特點(diǎn)相比較。,5-38,5.4.2 多電平逆變電路,圖5-27 三

18、相PWM電壓Ua/Ub/Uc波形,5-39,5.4.2 多電平逆變電路,(a) 輸出線電壓Uab (b) A相相電壓Uan 圖5-28 系統(tǒng)輸出相關(guān)電壓波形（PWM控制模式下）,5-40,5.4.2 多電平逆變電路,圖5-29 系統(tǒng)輸出三相電流波形,5-41,5.4.2 多電平逆變電路,圖5-30 二極管箝位型逆變器主電路 (a)三電平 (b)五電平,5-42,5.4.2 多電平逆變電路,圖5-31 飛跨電容箝位型逆變器主電路 (a)三電平 (b)五電平,5-43,5.4.2 多電平逆變電路,圖5-32 九電平級聯(lián)型逆變器主電路及其輸出波形,5-44,第5章 逆變電路 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 換流方式 分為外部換流和自換流兩大類，外部換流包括電網(wǎng)換流和負(fù)載換流兩種，自換流包括器件換流和強(qiáng)迫換流兩種。 對晶閘管電路，換流十分重要；對全控型器件，其重要性有所下降。,5-45,第5章 逆變電路 小結(jié),逆變電路分類方法 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