电力电子chapter5.ppt

逆变电路目录,引言5.1换流方式5.1.1逆变电路的基本工作原理5.1.2换流方式分类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5.3电流型逆变电路类同5.2节5.3.1单相电流型逆变电路5.3.2三相电流型逆变电路5.4多重逆变电路和多电平逆变电路不讲5.4.1多重逆变电路5.4.2多电平逆变电路本章小结,第5章,逆变电路引言,逆变概念,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。本章讲述无源逆变。,逆变与变频,变频电路交交变频和交直交变频两种；交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。,第5章,逆变电路引言,逆变电路的应用,直流电源如蓄电池、干电池和太阳能电池,,逆变电路,交流负载供电,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。,第5章,换流方式,5.1.1逆变电路的基本工作原理以单相桥式逆变电路为例S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。图5-1逆变电路及其波形举例,5.1,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。,,,直流,交流,5.1.1,,,改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率电阻负载时，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,逆变电路的基本工作原理,5.1.1,t1前S1、S4通，uo和io均为正,t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向,io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大.,过程分析,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相；开通适当的门极驱动信号就可使其开通。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,因此在本章讲述。,换流方式分类,5.1.2,1.器件换流,利用全控型器件的自关断能力进行换流。,（DeviceCommutation）,,总共有四种换流方式,1.器件换流,2.电网换流,3.负载换流,4.强迫换流,,换流方式分类,5.1.2,2.电网换流,（LineCommutation）,由电网提供换流电压称为电网换流；可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路；不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。,,换流方式分类,5.1.2,,3.负载换流,（LoadCommutation）,由负载提供换流电压称为负载换流；负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流；负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。,,4.强迫换流,（ForcedCommutation）,设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流,通常利用附加电容上储存的能量来现，也称为电容换流。,换流方式分类,5.1.2,负载换流逆变电路采用晶闸管负载电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性；电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入直流侧串入大电感Ld，id基本没有脉动。,图5-2负载换流电路及其工作波形,换流方式分类,5.1.2,讨论,图5-2负载换流电路及其工作波形,工作过程,t1前VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uo。,换流方式分类,5.1.2,4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波.,图5-2负载换流电路及其工作波形,工作过程,t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。,换流方式分类,5.1.2,t1时触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。,强迫换流逆变电路,直接耦合式强迫换流,电感耦合式强迫换流,,由换流电路内电容提供换流电压,图5-3直接耦合式强迫换流原理图,当VT通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断。,换流方式分类,5.1.2,直接耦合式强迫换流,通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流两种电感耦合式强迫换流,图5-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断图5-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断,图5-4电感耦合式强迫换流原理图,结论给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图5-3）；先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流（图5-4）。,换流方式分类,5.1.2,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。,换流方式分类,5.1.2,换流方式小结,电压型逆变电路,逆变电路按其直流电源性质不同分为两种,电压型逆变电路或电压源型逆变电路电流型逆变电路或电流源型逆变电路,电压型逆变电路举例,5.2,图5-5电压型全桥逆变电路,电压型逆变电路,电压型逆变电路的特点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。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。,5.2,1．半桥逆变电路电路结构,图5-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,1）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。,工作原理,（感性负载时）,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。,单相电压型逆变电路,5.2.1,特点优点简单，使用器件少；缺点交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡；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。,单相电压型逆变电路,5.2.1,2．全桥逆变电路,图5-5全桥逆变电路,工作情况,1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180；,uo波形同图5-6b半桥电路的uo，幅值高出一倍UmUd,io波形和图5-6b中的io相同，幅值增加一倍。,,单相逆变电路中应用最多,单相电压型逆变电路,5.2.1,输出电压定量分析uo成傅里叶级数基波幅值5-2基波有效值5-3uo为正负各180时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。,5-1,单相电压型逆变电路,5.2.1,图5-7单相全桥逆变电路的移相调压方式,3.阻感负载时还可采用移相调压,采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。,,单相电压型逆变电路,5.2.1,解释如下因为各栅极信号为180正偏，180反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变。但V3的基极信号只比V1落后θ0θ180，V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180-θ。,所以，uo成为正负各为q的脉冲，改变q即可调节输出电压有效值。,单相电压型逆变电路,5.2.1,3．带中心抽头变压器的逆变电路交替驱动两个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；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。,图5-8带中心抽头变压器的逆变电路,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,单相电压型逆变电路,5.2.1,三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；三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成。,图5-9三相电压型桥式逆变电路,三相电压型逆变电路,5.2.2,图5-9三相电压型桥式逆变电路,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。,三相电压型逆变电路,5.2.2,波形分析,图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形,负载各相到电源中点N的电压U相，1通，uUNUd/2，4通，uUN-Ud/2,负载线电压,5-4,负载相电压,5-5,三相电压型逆变电路,5.2.2,负载中点和电源中点间电压,5-6,利用式5-5和5-7可绘出uUN、uVN、uWN波形负载已知时，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,5-7,负载三相对称时有uUNuVNuWN0，于是,三相电压型逆变电路,5.2.2,定量分析,1.输出线电压,5-8）,三相电压型逆变电路,5.2.2,2.负载线电压,负载线电压有效值基波幅值基波有效值,5-9,5-10,5-11,三相电压型逆变电路,5.2.2,5-12,三相电压型逆变电路,5.2.2,3.输出相电压uUN展开成傅里叶级数,式中,负载相电压有效值基波幅值基波有效值,5-13,5-14,5-15,为防止同一相上下两桥臂开关器件直通采取“先断后通”的方法。,三相电压型逆变电路,5.2.2,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。,第5章,,逆变器的电压、电流会分析计算单相、三相逆变器的相关电压、电流值等。,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,第5章,