电力电子第4章.ppt

4-1,第4章逆变电路,引言4.1换流方式4.2电压型逆变电路4.3电流型逆变电路4.4多重逆变电路和多电平逆变电路不讲本章小节,4-2,第4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（AC-AC）和交直交变频（AC-DC-AC）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（UPS）、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,4-3,4.1换流方式,4.1.1逆变电路的基本工作原理4.1.2换流方式分类,4-4,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理,4.1.1逆变电路的基本工作原理,图4-1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。,4-5,4.1.1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。,4-6,4.1.1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。,a,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，波形也不同。,4-7,4.1.2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。,4-8,4.1.2换流方式分类,1器件换流（DeviceCommutation）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。2电网换流（LineCommutation）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（LoadCommutation）4强迫换流（ForcedCommutation）,4-9,4.1.2换流方式分类----负载换流,图4-2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。右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。,4-10,4.1.2换流方式分类----负载换流,图4-2负载换流电路及其工作波形,设t1前VT1、VT4为通态，Vt2、VT3为断态。uo、io为正；t1时刻触发VT2、VT3使其开通，负载电压uo使Vt1、VT4关断。触发VT2、VT3的t1时刻必须在uo过零前，并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。,4-11,强迫换流（ForcedCommutation）,4.1.2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,4-12,4.1.2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。,图4-3直接耦合式强迫换流原理图,前半周内关断,后半周内关断,也叫电流换流。,也叫电压换流。,4-13,4.1.2换流方式分类,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。,4-14,4.2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,4-15,4.2电压型逆变电路,2）电压型逆变电路的特点,图4-5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极管。,4-16,4.2电压型逆变电路,4.2.1单相电压型逆变电路4.2.2三相电压型逆变电路,4-17,4.2.1单相电压型逆变电路,1）半桥逆变电路,图4－6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,a,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UmUd/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。,4-18,4.2.1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。,半桥逆变电路,4-19,4.2.1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。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。工作过程分析,,4-20,4.2.1单相电压型逆变电路,阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压-----移相调压。,输出电压,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。,还可采用脉宽调制方式来调节输出电压-----PWM控制第7章讲述,4-21,4.2.1单相电压型逆变电路,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180－q。工作过程分析输出电压是正负各为q的脉冲。改变q就可调节输出电压。,4-22,4.2.1单相电压型逆变电路,3）带中心抽头变压器的逆变电路,图4-8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111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。,4-23,4.2.2三相电压型逆变电路,三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路三相桥式逆变电路应用最广,图4-9三相电压型桥式逆变电路,4-24,4.2.2三相电压型逆变电路,基本工作方式180导电方式,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。负载各相到电源中点N的电压U相，V1导通，uUNUd/2，V4导通，uUN-Ud/2。V、W相类似，相位依次相差120。,4-25,4.2.2三相电压型逆变电路,波形分析,负载线电压,图4-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形,负载相电压,4-26,4.2.2三相电压型逆变电路,由此可得uUN、uVN、uWN波形。负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。,负载三相对称时有uUNuVNuWN0，于是,同一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。,4-27,4.2.2三相电压型逆变电路,图4-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形,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。,防止同一相的开关器件同时导通而引起电源短路，应采取“先断后通”,4-28,4.2.2三相电压型逆变电路,输出电压数量分析,输出线电压,n6K1k为自然数,输出线电压有效值,4-29,4.2.2三相电压型逆变电路,负载相电压,n6K1k为自然数,负载相电压有效值,4-30,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。,4.3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。,4-31,4.3电流型逆变电路,4.3.1单相电流型逆变电路4.3.2三相电流型逆变电路,4-32,4.3.1单相电流型逆变电路,1电路原理,图4－12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，且谐波幅值远小于基波。,4-33,4.3.1单相电流型逆变电路,图4－13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。,t1t2VT1和VT4稳定导通阶段，iｏId，在C上（负载）建立了左正右负的电压。t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段（t2t4）。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；LT2、VT2、VT4、LT4到C。,4-34,4.3.1单相电流型逆变电路,t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。t4－t2tg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。tbt5-t4应大于晶闸管的关断时间tq。,在t3时刻，io0，即iVT1iVT2，t3时刻大体位于t2和t4的中点。,图4－13并联谐振式逆变电路工作波形,4-35,为保证可靠换流应在uo过零前tdt5-t2时刻触发VT2、VT3。.td为触发引前时间io超前于uo的时间表示为电角度w为电路工作角频率；g、b分别是tg、tb对应的电角度。忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数基波电流有效值,4.3.1单相电流型逆变电路,4-36,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）uAB的平均值应等于Ud,4.3.1单相电流型逆变电路,4-37,4.3.1单相电流型逆变电路,实际工作过程中，感应线圈参数（负载）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。,4-38,4.3.2三相电流型逆变电路,电路分析基本工作方式是120导电方式每个臂一周期内导电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。,图4-11电流型三相桥式逆变电路,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。输出电流和三相桥式整流带大电感负载时的交流输入电流（二次侧）波形相同。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,4-39,4.3.2三相电流型逆变电路,串联二极管式晶闸管逆变电路,图4-15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。,4-40,4.3.2三相电流型逆变电路,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4－16中的C13就是图4－15中的C3与C5串联后再与C1并联的等效电容。,图4-15串联二极管式晶闸管逆变电路,4-41,恒流放电,4.3.2三相电流型逆变电路,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4－16a。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4－16b。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4-16换流过程各阶段的电流路径ab）,4-42,4.3.2三相电流型逆变电路,图4-16换流过程各阶段的电流路径cd）,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iUId-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段。,t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段。,随着C13电压增高，充电电流渐小，iV渐大，t3时刻iU减到零，iVId，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。,二极管换流,二极管换流,4-43,4.3.2三相电流型逆变电路,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，uC5从UC0变到零。,t,O,u,i,,,,,,,,,,,,,,U,C0,u,C13,u,C5,u,C3,-,U,,图4-17串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形,图4-15串联二极管式晶闸管逆变电路,4-44,4.4多重逆变电路和多电平逆变电路,电压型逆变电路输出电压是矩形波，电流型逆变电路输出电流是矩形波，含有较多谐波。多重逆变电路把几个矩形波组合起来，接近正弦。多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近正弦。,4-45,第4章逆变电路小结,讲述基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。,4-46,第4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。,4-47,第4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。第7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，学完第7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。,4-48,第4章逆变电路,作业P1181、2、34、5、6,