1,電力電子技術PowerElectronics,蘇鷺梅sulumei教3#，202室,.,2,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應，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)接負載，為無源逆變。主要應用交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應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）,本章講述無源逆變。,.,3,4.1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明最基本的工作原理S1S4是橋式電路的4個臂，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,.,4,S1、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。,S1、S4閉合，S2、S3斷開時電路和波形圖,S2、S3閉合，S1、S4斷開時電路和波形圖,直流電交流電,.,5,逆變電路最基本的工作原理改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率。電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同。,b),逆變電路及其波形舉例,.,6,2.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VoltageSourceTypeInverter-VSTI,電流型逆變電路又稱為電流源型逆變電路CurrentSourceTypeInverter-VSTI,電壓型全橋逆變電路,電流型三相橋式逆變電路,.,7,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,.,8,3.換流方式換流電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換流。開通：適當?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使器件開通。關斷：全控型器件可通過門極關斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關斷。一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反壓，才能關斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關斷。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。,.,9,換流方式：器件換流（DeviceCommutation）利用全控型器件的自關斷能力進行換流。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。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)電壓施加在欲關斷的晶閘管上即可使其關斷。不需要器件具有門極可關斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。負載換流（LoadCommutation）由負載提供換流電壓的換流方式。強迫換流（ForcedCommutation）設置附加的換流電路，給欲關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。,.,10,換流方式總結(jié)：器件換流適用于全控型器件。其余三種方式針對晶閘管。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。,.,11,4.2電壓型逆變電路,電壓型逆變電路的特點(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。(2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同。(3)阻感負載時需提供無功功率。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,.,12,4.2.1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,.,13,1.半橋逆變電路工作原理V1和V2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2。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。,單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形,.,14,1.半橋逆變電路優(yōu)點：電路簡單，使用器件少。缺點：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,.,15,2.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)。,單相全橋逆變電路的輸出電壓,V1,V4,V2,V3,V1,V4,.,16,阻感負載時，還可采用移相得方式來調(diào)節(jié)輸出電壓移相調(diào)壓。V3的基極信號比V1落后（0180）。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180。輸出電壓是正負各為的脈沖。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,.,17,3.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。兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。Ud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。與全橋電路的比較：比全橋電路少用一半開關器件。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。,帶中心抽頭變壓器的逆變電路,.,18,4.2.1三相電壓型逆變電路,三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路三個相差120度的單相逆變器組成一個三相逆變器,a)框圖,.,19,三個相差120度的單相逆變器組成一個三相逆變器A相：T1、T4、T1、T4B相：T3、T6、T3、T6C相：T5、T2、T5、T2,b)電路圖,.,20,三相逆變電路中應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,.,21,基本工作方式180導電方式每橋臂導電180，同一相上下兩臂交替導電，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。,V1V6觸發(fā)控制信號的波形,三相電壓型橋式逆變電路,.,22,基本工作方式180導電方式,三相電壓型橋式逆變電路,V1V6觸發(fā)控制信號的波形,V1V6導通順序,.,23,基本工作方式180導電方式每橋臂導電180，同一相上下兩臂交替導電，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。,電壓型三相橋式逆變電路的工作波形,.,24,三相電壓型橋式逆變電路,V1V6導通順序,電壓型三相橋式逆變電路的工作波形,.,25,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,.,26,可畫出相電壓波形uUN負載已知時，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器件同時導通而引起直流側(cè)電源短路，應采取“先斷后通”,電壓型三相橋式逆變電路的工作波形,.,27,三相電壓型橋式逆變電路,V1V6導通順序,.,28,三相電壓型逆變電路負載等值電路,.,29,三相電壓型逆變電路負載等值電路,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,.,30,三相電壓型逆變電路負載等值電路,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,.,31,三相電壓型逆變電路負載等值電路,.,32,三相電壓型橋式逆變電路,V1V6導通順序,.,33,例：三相橋式電壓型逆變電路，180導電方式，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UUV1、輸出線電壓中7次諧波的有效值UUV7。解：,UUV7=2Ud/（3.147）=22.3（V）,0.4520090（V）,0.637200127.4（V）,1.1200=220（V）,0.78200=156（V）,.,34,4.3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直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動，相當于電流源。交流輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關，輸出電壓波形和相位因負載不同而不同。直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應用較多。換流方式有負載換流、強迫換流。,單相橋式電流型逆變電路,電流型三相橋式逆變電路,.,35,1)電路原理,單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路,由四個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用來限制晶閘管開通時的di/dt。工作方式為負載換流。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，且諧波幅值遠小于基波。,4.3.1單相電流型逆變電路,.,36,2)工作分析,一個周期內(nèi)有兩個導通階段和兩個換流階段。,t1t2：VT1和VT4穩(wěn)定導通階段，i=Id，t2時刻前在C上建立了左正右負的電壓。t2t4：t2時觸發(fā)VT2和VT3開通，進入換流階段。LT使VT1、VT4不能立刻關斷，電流有一個減小過程。VT2、VT3電流有一個增大過程。4個晶閘管全部導通，負載電容電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電。LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一個經(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,.,37,t=t4時，VT1、VT4電流減至零而關斷，換流階段結(jié)束。t4t2=t稱為換流時間。保證晶閘管的可靠關斷晶閘管需一段時間才能恢復正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時間t。t=t5-t4應大于晶閘管的關斷時間tq。,io在t3時刻，即iVT1=iVT2時刻過零，t3時刻大體位于t2和t4的中點。,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,.,38,為保證可靠換流應在uo過零前td=t5-t2時刻觸發(fā)VT2、VT3。.td為觸發(fā)引前時間io超前于uo的時間表示為電角度w為電路工作角頻率；g、b分別是tg、tb對應的電角度。忽略換流過程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級數(shù)基波電流有效值負載電壓有效值Uo和直流電壓Ud的關系（忽略Ld的損耗，忽略晶閘管壓降）,.,39,4.3.2三相電流型逆變電路,三相電流型逆變電路工作原理,(a)電路:星型負載,(b)波形（120導電類型）,L大，iD恒定120度導電模式，每一時刻僅兩個開關同時導電導通順序：12，23，34，45，56，61，12,.,40,三相電流型逆變電路的特點基本工作方式是120導電方式每個開關一周期內(nèi)只導電120。每個時刻上下橋臂組各有一個器件導通。換流方式為橫向換流。輸出電流波形和負載性質(zhì)無關，正負脈沖各120的矩形波。輸出線電壓波形和負載性質(zhì)有關，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,.,41,4.4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，使輸出接近正弦大容量逆變器中器件開關頻率較低，采用復合結(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，在開關器件單管耐壓有限的情況下，采用復合結(jié)構(gòu)可提高逆變器輸出電壓。,.,42,1.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。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,.,43,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)多重把幾個逆變電路的輸出并聯(lián)起來，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,.,44,2.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，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,.,45,三電平逆變電路也稱中點鉗位型逆變電路（NeutralPointClamped每橋臂由兩個全控器件串聯(lián)構(gòu)成，兩者中點通過鉗位二極管和直流側(cè)中點相連。以N為參考點，輸出相