4.2 无源逆变及其应用new

1、2-1,第4章 功率逆变电路,4.1 有源逆变及其应用 4.2 无源逆变及其应用 4.3 负载换流式逆变器,5-1,5-2,4.2 无源逆变及其应用,引言 4.2.1 逆变电路的换流问题与换流方式 4.2.2 电压型逆变电路 4.2.3 电流型逆变电路,5-3,4.2 无源逆变及其应用 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UPS、感应加热电源、开关电源、逆变电焊机等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。,本节讲述无源逆变,5-4,4.2 无源逆变及其应用 引言,1) 按换流方式分： 器件换流、电网换流、负载换流和强迫换流 2) 按直流电源分： 电压型、电流型 3) 按输出相数分： 单相、三相、多相 按电路的结构特点分： 半桥式、全桥式、推挽式 根据负载特点分类 谐振式、非谐振式逆变电路,逆变器的分类,5

2、-4,4.2 无源逆变及其应用 引言,现代逆变系统的基本结构,5-5,5-6,4.2.1 逆变电路的换流问题与换流方式,4.2.1.1 逆变电路的基本工作原理 4.2.1.2 换流方式分类,5-7,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理,4.2.1.1 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。,5-8,4.2.1.1 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。,5-9,4.2.1.1 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。改变直流电压Ud的大小就可调节输出电压幅值。 输出电流的波形、相位则决定于交流负载的性质。,图4-1 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，波形也不同。,5-10,4.2.1.2 换流方式分类,要使逆变电路稳定工作，必须解决导通晶闸管的关断问题，即换流问题。 换流电流从一个支路向

3、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。,本节换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在本节集中讲述。,5-11,4.2.1.2 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。 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）,5-12,4.2.1.2 换流方式分类,由负载提供换流电压的换流方式。 凡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。 整个负载工作在

4、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。 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。,3) 负载换流（Load Commutation）,5-13,4)强迫换流（Forced Commutation）,4.2.1.2 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,5-14,4.2.1.2 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4-3直接耦合式强迫换流原理图,图4-4 电感耦合式强迫换流原理图,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。,5-15,4.2.1.2 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

5、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。,5-16,4.2.2 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,5-17,4.2.2 电压型逆变电路,2）电压型逆变电路的特点,图4-？ 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。,5-18,4.2.2 电压型逆变电路,4.2.2.1 单相电压型逆变电路 4.2.2.2 三相电压型逆变电路,5-19,4.2.2.1 单相电压型逆变电路,1）半桥逆变电路,u,图4-？ 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

6、电流连续的作用，又称续流二极管。,+ C1 _,+ C2 _,i0=iC2-iL0,i0=iC2-iL0,i0=iC1-iL0,5-20,4.2.2.1 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。,5-21,4.2.2.1 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。,u0,i0,Ud,R,L,T1,T2,T3,T4,D1,D2,D3,D4,A,驱动 T1、T4,驱动 T2、T3,驱动 T1、T4,（b）负载电压,R 负载,（c）电阻负载电流波形,Ts/4,3Ts/4,Ts,T1 T4,T2 T3,Ts/2,D1,D4,T1,T4,D2,D3,T2,T3,（d）电感负载电流波形,（e）RL负载电流波形,（f）输入电流波形,L 负载,RL

7、 负载,T1 T4,T2 T3,D1,D4,D2,D3,（a）,电压型单相全桥逆变电路,5-22,5-23,4.2.2.1 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。输出电压是正负各为q的脉冲。 改变q就可调节输出电压。,5-24,4.2.2.2 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 三相电压型桥式逆变电路,5-25,4.2.2.2 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。 在一个周期内，6个开关管触发导通的次序为T1T2 T3 T4 T5T6 ，依次相隔60，任一时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组合工作60。,电压型三相桥式逆变电路,

8、N,Ud,T1,T3,T4,T6,T5,T2,D4,D6,D2,D1,D3,D5,A,B,C,N,ZA,ZB,ZC,逆变桥T1，T2，T3导通时的等效电路,1,2,3,4,5,6,5-26,将一个工作周期分成6个区域。在00,ug2 0, ug30，则有T1，T2，T3导通， 线电压： 相电压： 式中Ud为逆变器输入直流电压。根据同样的思路可得其余5个时域的值。,5-27,表 三相桥式逆变电路的工作状态表,4.2.2.2 三相电压型逆变电路,5-28,5-29,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。,4.2.3 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4- 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。,5-30,4.2.3 电流型逆变电路,4.2.3.1 单相电流型逆变电路 4.2.3.2 三相电流型逆变

9、电路,5-31,4.2.3.1 单相电流型逆变电路,无论电路负载性质如何，输出电流波形为矩形波；输出电压波形由负载性质决定。 主电路开关管采用自关断器件时，如果其反向不能承受高电压，则需在各开关器件支路串入二极管。,i,图4- 单相桥式电流型逆变电路及其工作波形,a),t,O,b),o,I,d,-,I,d,工作原理电流波形展开成傅立叶级数： 基波幅值： 基波有效值：,恒流大电感,防反相高压,5-31,5-32,4.2.3.2 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。,2) 波形分析 VT56-VT16-VT12-VT32-VT34-VT54 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。,1,2,3,4,5,6,5-33,4.3 负载换流式逆变器,4.3.1 并联谐振逆变器 4.3.2 串联谐振逆变器,5-34,4.3 负载换流式逆变器,即负载谐振式逆变电路，根据换流电容与负载电感的连接方式可分为并联和串联两种。换流电容与负载电感并联、利用电容与电感的并联谐振特性实现自然换流的逆变电路称为并联谐振逆变器。同理，换流电容与负载串联、利用电容与负载电感的串联谐振特性实现自然换流的逆变电路称为串联谐振逆变器；它们是构成中频感应加热电源的主要电路形式。,图4-12 谐振式逆变电路,5-35,5-36,4

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