电力电子技术第1版教学课件作者赵莉华CH5无源逆变电路课件幻灯片

第5章 逆变电路 DC to AC Converters ( Inverters ),换流方式types of commutation 电压型逆变电路Voltage source inverter (VSI) 电流型逆变电路Current source inverter (CSI) SPWM逆变电路,本章主要内容,逆变的概念 逆变是与整流相对应的，指直流电变成交流电。 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。,逆变电路,Applications of Inverters,Conversion of electric power from DC type energy sources to AC type load Battery Photovoltaic cell (Solar cell) Fuel cell As a part of composite converter AC-DC-AC frequency converter (for AC motor drive) AC-DC-AC constant-voltage constant- frequency converter (for uninterruptable power supplies-UPS) AC-DC-AC Converters for induction heating AC-DC-AC-DC switching power supplies,按输入电源特点 电压源逆变电路 电流源逆变电路 按电路结构特点 半桥、全桥、推挽和单管式逆变电路,5.1.1 无源逆变电路的分类,按负载特点 谐振式、非谐振式 按输出波形特点 正弦式、非正弦式逆变电路,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。,器件开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 器件关断： 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。,5.1.2 换流方式,控制极关断方式（又称器件换流方式） 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。 阳极关断方式 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。 负载换流（Load Commutation） 强迫换流（Forced Commutation）,5.1.2 换流方式,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，负载为电容性或同步电机（可控制励磁电流使其呈容性）时可实现负载换流。 基本负载换流电路：4个桥臂均由晶闸管组成。 直流侧串大电感，可认为id 基本无脉动。 整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性，电容的接入是为改善负载的功率因数。,5.1.2 换流方式负载换流,负载电流波形为矩形波。 负载对基波电流接近并联谐振，所以对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，负载电压波形接近正弦波。 t1时刻前，管子1、4导通，2、3截止，输出电压和电流均为正 t1时刻，触发2、3，则管子1、4承受反压关断。 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。,5.1.2 换流方式负载换流,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,5.1.2 换流方式强迫换流,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。,电感耦合式强迫换流 先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压，也叫电流换流。,5.1.2 换流方式强迫换流,电感耦合式强迫换流 图a）：合上开关S，LC振荡电流反向流过晶闸管，与其上的正向负载电流相减，直到合成电流降为零，二极管开始流过电流，晶闸管在振荡第一个半周期关断。,图b）：合上开关S， LC振荡电流正向流过晶闸管，与其上的正向负载电流相加，半周期后，振荡电流才反向流过晶闸管，使其上合成电流减小，直到为零，晶闸管关断，二极管开始导通。所以关断时间是在振荡的第二个半周期。,5.1.2 换流方式强迫换流,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。,换流方式总结,以单相桥式逆变电路为例,S1-S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,5.1.3 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。,5.1.3 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。,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。 注意电路的功率流向,5.1.3 逆变电路的基本工作原理,根据直流侧电源性质的不同,5.2 电压型逆变电路,特点,直流侧为电压源或并联 大电容，直流侧电压基 本无脉动。 输出电压为矩形波，输 出电流因负载阻抗不同 而不同。,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。因为输出电压极性不可改变，交流侧要向直 流侧反馈无功，只能通过改变电流的方向实现，所 以需并联反馈二极管以提供反向电流通路。,5.2 电压型逆变电路,电路结构特点 由两个桥臂组成，每个桥臂为一个可控器件和一个反并联二极管并联。 直流侧有两个串联的大电容，两个电容的联结点为直流电源的中点。 负载连接在直流电源中点和两个桥臂的联结点之间。 C容量较大，O点电位基本不变，A点电位取决于器件导通情况。,5.2.1 Single-phase half bridge VSI,工作原理 VT1和VT2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。,5.2.1 Single-phase half bridge VSI,工作原理 VT1或VT2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。 VT1，VT2不能同时导通。,5.2.1 Single-phase half bridge VSI,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。,5.2.1 Single-phase half bridge VSI,共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成，直流侧只有一个电容。 两对桥臂交替导通180°。,5.2.2 Single-phase full bridge VSI,输出电压和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。,5.2.2 Single-phase full bridge VSI,数量关系 输出电压,5.2.2 Single-phase full bridge VSI,输出电压基波幅值,输出电压基波有效值,输出电压连续可调的方法,5.2.2 Single-phase full bridge VSI,采用可调直流电源。如不可控整流电路加DC/DC变换电路等方式，缺点是变换级数多，系统效率低。 采用移相方式调节。,移相调压是调节输出电压脉冲的宽度。,无移相调压全桥电路中，V1和V2，V3和V4栅极信号互补，V3比V1落后180°。,5.2.2 Single-phase full bridge VSI,三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路 应用最广泛,5.2.3三相电压型逆变电路Three-phase VSI,5.2.3三相电压型逆变电路Three-phase VSI,控制特点：各相开始导电的角度相差120 °，每个桥臂导通180º。同一相上下桥臂相位互补，即换流是在上下桥臂之间进行，称为纵向换流。这种工作方式称为180 º导电方式。 和这种换流方式相区别的是120 º导电方式的横向换流。,5.2.3三相电压型逆变电路Three-phase VSI,注意：为防止同一相上下桥臂开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，通常采取“先断后通”的方法。即在器件关断后留一定裕量，也称为死区时间，然后再给出应导通的器件的开通信号。,5.2.3三相电压型逆变电路Three-phase VSI,5.2.3三相电压型逆变电路Three-phase VSI,数量关系 输出线电压,输出电压基波幅值,输出电压有效值,输出电压基波有效值,5.2.3三相电压型逆变电路Three-phase VSI,数量关系 负载相电压,负载相电压基波幅值,负载相电压有效值,负载相电压基波有效值,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。,直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。,(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。,5.3 电流型逆变电路,单相电流型逆变电路 三相电流型逆变电路,5.3 电流型逆变电路,并联谐振单相全桥电流型逆变电路,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。 多用于中频加热电源。,5.3.1 单相电流型逆变电路,工作过程分析,四个工作阶段：两个导通阶段和两个换流阶段。,t1-t2：VT1和VT4稳定导通阶段，i=Id，t2时刻前在C上建立左正右负的电压。 t2-t4：t2时触发VT2和VT3开通，因为两管承受正向电压，所以能够导通，电路进入换流阶段。,5.3.1 单相电流型逆变电路,工作过程分析,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。,5.3.1 单相电流型逆变电路,t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。 t4t2= t 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 = 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,5.3.1 单相电流型逆变电路,工作过程分析,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 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）,5.3.1 单相电流型逆变电路,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12