電力電子技術(shù)第四章PPT

1、電力電子技術(shù)Power Electronics,蘇鷺梅 教3#，202室,第四章 直流交流變換器,直流交流功率變換稱為逆變。 逆變的概念 逆變與整流相對(duì)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(wú)源逆變。 主要應(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。 本章主要內(nèi)容： 逆變電路的結(jié)構(gòu)和工作原理（單相橋式、三相橋式逆變電路）,本章講述無(wú)源逆變。,4.1 逆變電路概述,1.逆變電路的基本工作原理 以單相橋式逆變電路為例說(shuō)明最基本的工作原理 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。,b),逆變電路及其波形舉例

2、,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)。,S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)電路和波形圖,S2、S3閉合，S1、S4斷開時(shí)電路和波形圖,直流電 交流電,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。 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。,b),逆變電路及其波形舉例,2. 逆變電路的分類,逆變電路的分類 1 根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同,直流側(cè)是電壓源 (并聯(lián)電容） 直流側(cè)是電流源 （串連電感）,電壓型逆變電路又稱為電壓源型逆變電路Voltage

3、Source Type Inverter-VSTI,電流型逆變電路又稱為電流源型逆變電路Current Source Type Inverter-VSTI,電壓型全橋逆變電路,電流型三相橋式逆變電路,逆變電路的分類 2 根據(jù)電路的結(jié)構(gòu),電壓型單相半橋逆變電路,電壓型全橋逆變電路,帶中心抽頭變壓器的逆變電路,三相電壓型橋式逆變電路,3. 換流方式 換流電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱為換流。 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(guò)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(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

4、究如何使器件關(guān)斷。 本章?lián)Q流及換流方式問(wèn)題最為全面集中,因此安排在本章集中講述。,換流方式： 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。 電網(wǎng)換流（Line Commutation） 電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。 將負(fù)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(méi)有交流電網(wǎng)的無(wú)源逆變電路。 負(fù)載換流（Load Commutation） 由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。 強(qiáng)迫換流（Forced Commutation

5、） 設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流 的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。,換流方式總結(jié)： 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。,4.2 電壓型逆變電路,電壓型逆變電路的特點(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 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

6、,4.2.1 單相電壓型逆變電路,1. 半橋逆變電路 2. 全橋逆變電路 3. 帶中心抽頭變壓器的逆變電路,1.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，兩者互 補(bǔ)，輸出電壓uo為矩形波，幅值 為Um=Ud/2。 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。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。,單相半橋電壓型逆變電路 及其工作波形,1.半橋逆變電路 優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)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

7、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。,單相半橋電壓型逆變電路 及其工作波形,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(duì)橋臂交替導(dǎo)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(guò)改變直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)。,單相全橋逆變電路的輸出電壓,V1,V4,V2,V3,V1,V4,阻感負(fù)載時(shí)，還可采用移相得方 式來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓移相調(diào)壓。 V3的基極信號(hào)比V1落后 （0 180 ）。V3、V4 的柵極信號(hào)分別比V2、V1的 前移180。輸出電壓是正 負(fù)

8、各為的脈沖。 改變就可調(diào)節(jié)輸出電壓。,a),b),單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式,3. 帶中心抽頭變壓器的逆變電路 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(wú) 功能量的反饋通道。 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 。,帶中心抽頭變壓器的逆變電路,4.2.1 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 三個(gè)相差120度的單相逆變器組成一個(gè)三相逆變器,a)

9、框圖,三個(gè)相差120度的單相逆變器組成一個(gè)三相逆變器 A相：T1、T4、T1、T4 B相：T3、T6、T3、T6 C相：T5、T2、T5、T2,b)電路圖,三相逆變電路中應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路,三相電壓型橋式逆變電路,假想中點(diǎn),基本工作方式180導(dǎo)電方式 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。,V1V6觸發(fā)控制信號(hào)的波形,三相電壓型橋式逆變電路,基本工作方式180導(dǎo)電方式,三相電壓型橋式逆變電路,V1V6觸發(fā)控制信號(hào)的波形,V1V6導(dǎo)通順序,基本工作方式180導(dǎo)電方式

10、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。,電壓型三相橋式逆變電路的工作波形,三相電壓型橋式逆變電路,V1V6導(dǎo)通順序,電壓型三相橋式逆變電路的工作波形,負(fù)載相電壓 負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓 負(fù)載三相對(duì)稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是,可畫出相電壓波形uUN 負(fù)載已知時(shí)，可由uUN波形求出iU 波形。 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(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)。

11、防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器 件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短 路，應(yīng)采取“先斷后通”,電壓型三相橋式逆變電路的工作波形,三相電壓型橋式逆變電路,V1V6導(dǎo)通順序,三相電壓型逆變電路負(fù)載等值電路,三相電壓型逆變電路負(fù)載等值電路,三相電壓型橋式逆變電路,三相電壓型橋式逆變電路 的工作波形,三相電壓型逆變電路負(fù)載等值電路,三相電壓型橋式逆變電路,三相電壓型橋式逆變電路 的工作波形,三相電壓型逆變電路負(fù)載等值電路,三相電壓型橋式逆變電路,V1V6導(dǎo)通順序,例：三相橋式電壓型逆變電路，180導(dǎo)電方式，Ud=200V。試求輸出相電壓的基波幅值UUN1m和有效值UUN1、輸出線電壓的基波幅值UUV1m和有效值

12、UUV1、輸出線電壓中7次諧波的有效值UUV7。 解：,UUV7 =2 Ud/（3.147 ）=22.3（V）,0.4520090（V）,0.637200127.4（V）, 1.1200=220（V）, 0.78200=156（V）,4.3 電流型逆變電路, 直流電源為電流源的逆變電路稱為 電流型逆變電路。 電流型逆變電路主要特點(diǎn) 直流側(cè)串大電感，電流基本無(wú)脈 動(dòng)，相當(dāng)于電流源。 交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載 阻抗角無(wú)關(guān)，輸出電壓波形和相位因 負(fù)載不同而不同。 直流側(cè)電感起緩沖無(wú)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(fù)載換流

13、、強(qiáng)迫換流。,單相橋式電流型逆變電路,電流型三相橋式逆變電路,1) 電路原理,單相橋式電流型 （并聯(lián)諧振式）逆變電路,由四個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器，用來(lái)限制晶閘管開通時(shí)的di/dt。 工作方式為負(fù)載換流。 電容C和L 、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。 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。,4.3.1 單相電流型逆變電路,2) 工作分析,一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)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，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開通，進(jìn)入換流階段。 LT使VT1、VT4不能立刻關(guān)斷，電

14、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C。,4.3.1 單相電流型逆變電路,單相橋式電流型 （并聯(lián)諧振式）逆變電路,t=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。 保證晶閘管的可靠關(guān)斷 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t。 t= t5- t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。 。,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

15、的中點(diǎn)。,4.3.1 單相電流型逆變電路,單相橋式電流型 （并聯(lián)諧振式）逆變電路,為保證可靠換流應(yīng)在uo過(guò)零前td= t5- t2時(shí)刻觸發(fā)VT2、VT3 。. td 為觸發(fā)引前時(shí)間 io超前于uo的時(shí)間 表示為電角度 w為電路工作角頻率；g、b分別是tg、tb對(duì)應(yīng)的電角度。 忽略換流過(guò)程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級(jí)數(shù) 基波電流有效值 負(fù)載電壓有效值Uo和直流電壓Ud的關(guān)系（忽略Ld的損 耗，忽略晶閘管壓降）,4.3.2 三相電流型逆變電路,三相電流型逆變電路工作原理,(a) 電 路 :星 型 負(fù) 載,(b)波 形（ 120導(dǎo)電類型）,L大，iD恒定 120度導(dǎo)電模式，每一時(shí)刻僅 兩個(gè)開

16、關(guān)同時(shí)導(dǎo)電 導(dǎo)通順序：12，23，34，45 ，56，61，12,三相電流型逆變電路的特點(diǎn) 基本工作方式是120導(dǎo)電方式 每個(gè)開關(guān)一周期內(nèi)只導(dǎo)電120。 每個(gè)時(shí)刻上下橋臂組各有一個(gè)器 件導(dǎo)通。 換流方式為橫向換流。 輸出電流波形和負(fù)載性質(zhì)無(wú)關(guān)， 正負(fù)脈沖各120的矩形波。 輸出線電壓波形和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)， 大體為正弦波。,i,t,O,t,O,t,O,t,O,I,d,i,V,i,W,u,UV,U,電流型三相橋式逆變電路,電流型三相橋式逆變電路的輸出波形,4.4 多重逆變電路和多電平逆變電路,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

17、合起來(lái)，接近正弦。 多電平逆變電路輸出較多電平，使輸出接近正弦 大容量逆變器中器件開關(guān)頻率較低，采用復(fù)合結(jié)構(gòu)可改善改 善輸出電壓的波形，降低諧波含量， 高壓大容量逆變器輸出輸出電壓高，在開關(guān)器件單管耐壓有 限的情況下，采用復(fù)合結(jié)構(gòu)可提高逆變器輸出電壓。,1. 多重逆變電路 多重逆變電路 電壓型、電流型都可多重化，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(guò)變壓器T1和T2串聯(lián)起來(lái)。 輸出波形：兩個(gè)單相的輸出u1和u2是180矩形波。 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)合成后，3次諧波互相抵消，總輸出電壓中不含3次諧波

18、。 uo波形是120矩形波，含6k1次諧波，3k次諧波都被抵消。,二重逆變電路的工作波形,二重單相逆變電路,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(lái)，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(lái)，多用于電流型。 三相電壓型二重逆變電路,三相電壓型二重逆變電路,三相電壓型二重 逆變電路波形圖,由下圖可看出uUN比uU1接近正弦波,2. 多電平逆變電路 回顧三相電壓型橋式逆變電路。 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。,電壓型三相橋式逆變電路的工作波形,三電平逆變電路 也稱中點(diǎn)鉗位型逆變電路（Neutral Point Clamped 每橋臂由兩個(gè)全控器件串聯(lián)構(gòu)成，兩者中點(diǎn)通過(guò)鉗位二極管和直流側(cè)中點(diǎn)相連 。 以N為參考點(diǎn)，輸出相電