第5章逆变电路.ppt

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1、1,第5章 逆变电路,引言 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小节,2,第5章 逆变电路 引言,逆变的概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变。 逆变与变频 变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。 主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。,本章讲述无源逆变,3,5.1 换流方式,5.1.1 逆变

2、电路的基本工作原理 5.1.2 换流方式分类,4,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理,5.1.1 逆变电路的基本工作原理,图5-1 逆变电路及其波形举例,S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,5,5.1.1 逆变电路的基本工作原理,S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。,6,5.1.1 逆变电路的基本工作原理,逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。,图5-1 逆变电路及其波形举例,电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。,阻感负载时，io相位滞后于uo

3、，波形也不同。,7,5.1.2 换流方式分类,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。,开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 关断： 全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。,本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在本章集中讲述。,8,5.1.2 换流方式分类,1) 器件换流（Device Commutation） 利用全控型器件的自关断能力进行换流。 在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。

4、 2) 电网换流（Line Commutation） 电网提供换流电压的换流方式。 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。 3) 负载换流（Load Commutation） 4) 强迫换流（Forced Commutation）,9,5.1.2 换流方式分类,图5-2 负载换流 电路及其工作波形,由负载提供换流电压的换流方式。 负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。 如图是基本的负载换流电路，4个桥臂均由晶闸管组成。 整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。 直流侧串电感，工作过程可认为id 基

5、本没有脉动。 负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以uo接近正弦波。 注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。,10,4)强迫换流（Forced Commutation）,5.1.2 换流方式分类,设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。 分类,11,5.1.2 换流方式分类,直接耦合式强迫换流 当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关断。 也叫电压换流。,图5-3直接耦合式强迫换流原理图,12,5.1.2 换流方

6、式分类,换流方式总结： 器件换流适用于全控型器件。 其余三种方式针对晶闸管。 器件换流和强迫换流属于自换流。 电网换流和负载换流属于外部换流。 当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。,13,5.2 电压型逆变电路,1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同,14,5.2 电压型逆变电路,2）电压型逆变电路的特点,图5-5 电压型全桥逆变电路,(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 (2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。 (3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二

7、极管。,15,5.2 电压型逆变电路,5.2.1 单相电压型逆变电路 5.2.2 三相电压型逆变电路,16,5.2.1 单相电压型逆变电路,1）半桥逆变电路,u,图56 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,工作原理 V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。 V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。,17,5.2.1 单相电压型逆变电路,优点：电路简单，使用器件少。 缺点：输出交流电

8、压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。 应用： 用于几kW以下的小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。,18,5.2.1 单相电压型逆变电路,2) 全桥逆变电路,共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180。 输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。 改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。,19,5.2.1 单相电压型逆变电路,阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压移相调压。,V3的基极信号比V1落后q （0 q 180 ）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180q。输出电

9、压是正负各为q的脉冲。 改变q就可调节输出电压。,20,5.2.1 单相电压型逆变电路,3） 带中心抽头变压器的逆变电路,图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路,Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：时，uo和io波 形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 与全桥电路的比较： 比全桥电路少用一半开关器件。 器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍。 必须有一个变压器 。,交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。 两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。,21,5.2.2 三相电压型逆变电路,三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路 应用最广的是三相桥式逆变电路,图5-9 三

10、相电压型桥式逆变电路,22,5.2.2 三相电压型逆变电路,基本工作方式180导电方式,图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形,每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 。 任一瞬间有三个桥臂同时导通。 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。,23,5.2.2 三相电压型逆变电路,波形分析,负载各相到电源中点N的电压：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2。 负载线电压 负载相电压,图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形,24,5.2.2 三相电压型逆变电路,负载中点和电源中点间电压 (5-6) 负载三相对称时有uUN+uVN

11、+uWN=0，于是 (5-7) 负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。 一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。 桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。 防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通” 数量分析见教材。,25,电流型逆变电路主要特点 (1) 直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源。,5.3 电流型逆变电路,直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。,图5-11 电流型三相桥式逆变电路,(2) 交流输出电流为矩

12、形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位 因负载不同而不同。 (3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。 换流方式有负载换流、强迫换流。,26,5.3 电流型逆变电路,5.3.1 单相电流型逆变电路 5.3.2 单相电流型逆变电路,27,5.3.1 单相电流型逆变电路,1) 电路原理,图512 单相桥式电流型 （并联谐振式）逆变电路,由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。 工作方式为负载换相。 电容C和L 、R构成并联谐振电路。 输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波

13、，且谐波幅值远小于基波。,28,5.3.1 单相电流型逆变电路,图513并联谐振式逆变 电路工作波形,2) 工作分析,一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段。,t1t2：VT1和VT4稳定导通阶段，i=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。 t2t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段。 LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程。VT2、VT3电流有一个增大过程。 4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。 LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。,29,5.3.1 单相电流型逆变电路,t=t4时，VT1、V

14、T4电流减至零而关断，换流阶段结束。 t4t2= tg 称为换流时间。 保证晶闸管的可靠关断 晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tb。 tb= t5- t4应大于晶闸管的关断时间tq。 。,io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点。,图513并联谐振式逆变 电路工作波形,30,为保证可靠换流应在uo过零前td= t5- t2时刻触发VT2、VT3 。. td 为触发引前时间 (5-16) io超前于uo的时间 (5-17) 表示为电角度 (5-18) w为电路工作角频率；g、b分别是tg、tb对应的电角度。

15、 忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数 (5-19) 基波电流有效值 (5-20) 负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损 耗，忽略晶闸管压降） (5-21),5.3.1 单相电流型逆变电路,31,5.3.1 单相电流型逆变电路,实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。 固定工作频率的控制方式称为他励方式。 自励方式存在起动问题，解决方法： 先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。 附加预充电起动电路。,32,5.3.2 三相电流型逆变电路,1) 电路分析 基本工作方式是120导电方式每个臂一周期

16、内导电120，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通，换流方式为横向换流。,i,2) 波形分析 输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各120的矩形波。 输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。 输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波。 输出交流电流的基波有效值。,33,5.3.2 三相电流型逆变电路,串联二极管式晶闸管逆变电路,图5-15 串联二极管式 晶闸管逆变电路,主要用于中大功率交流电动机调速系统。 是电流型三相桥式逆变电路。 各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。 120导电工作方式，输出波形和图5-14的波形大体相同。 强迫换流方式，电容C1C6为换流电容

17、。,34,5.3.2 三相电流型逆变电路,图5-16 换流过程各阶段的电流路径,换流过程分析 电容器所充电压的规律： 对于共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零。 等效换流电容概念： 分析从VT1向VT3换流时，图516中的C13就是图514中的C3与C5串联后再与C1并联的等效电容。,图5-15 串联二极管式晶闸管逆变电路,35,5.3.2 三相电流型逆变电路,分析从VT1向VT3换流的过程: 假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负。如图516a。 换流阶段分为恒流放电和二极管换流两个阶段。 t1时刻触发VT3导通，VT1被

18、施以反压而关断。 Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段。如图516b。 uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于tq就能保证关断。,图5-16 换流过程各阶段的电流路径 a) b）,36,5.3.2 三相电流型逆变电路,-,+,U,V,W,-,+,U,V,W,VT,1,VT,2,VT,3,VD,1,VD,2,VD,3,C,13,I,d,VT,1,VT,2,VT,3,VD,1,VD,2,VD,3,C,13,i,V,i,V,i,U,=,I,d,-,i,V,图5-16 换流过程各阶段的电流路径

19、 c) d）,t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。忽略负载电阻压降，则二极管VD3导通，电流为iV，VD1电流为iU=Id-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段。 随着C13电压增高，充电电流渐小，iV渐大，t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。 t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段。,37,5.3.2 三相电流型逆变电路,波形分析 电感负载时，uC13、iU、iV及uC1、uC3、uC5波形。 uC1的波形和uC13完全相同，从UC0降为UC0 。 C3和C5是串联后再和C1并联的，电压变化的幅度是C1的一半。 uC3从零变到-UC0，u

20、C5从UC0变到零。 这些电压恰好符合相隔120后从VT3到VT5换流时的要求。,图5-17 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形,38,5.3.2 三相电流型逆变电路,实例： 无换向器电动机 电流型三相桥式逆变器驱动同步电动机，负载换流。 工作特性和调速方式和直流电动机相似，但无换向器，因此称为无换向器电动机。,图518 无换相器电动机的基本电路,39,5.3.2 三相电流型逆变电路,w,t,u,u,u,u,BQ转子位置检测器，检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲。,图5-19 无换相器电动机电路工作波形,图518 无换相器电动机的基本电路,40,第5章 逆变电路 小结,讲述基

21、本的逆变电路的结构及其工作原理 四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电路更为基本、更为重要 换流方式 分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。 晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。,41,第5章 逆变电路 小结,逆变电路分类方法 可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类。 本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类。 电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深刻的认识。 负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路。 电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。,42,第5章 逆变电路 小结,与其它章的关系 本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整。 下一章的PWM控制技术在逆变电路中应用最多，绝大部分逆变电路都是PWM控制的，学完下一章才能对逆变电路有一个较为完整的认识。 逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二都结合构成间接交流变流电路。 此外，间接直流变流电路大量用于开关电源，其中的核心电路仍是逆变电路。 将在第8章介绍，学完第8章后，对逆变电路及其应用将有更完整的认识。,