电力电子技术chapter4

1、2021年12月7日星期二1第第4章章 逆变电路逆变电路(DC/AC变换）变换）4.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路2021年12月7日星期二2把直流电变成交流电。把直流电变成交流电。交流侧接有电源。交流侧接有电源。交流侧直接和负载连接。交流侧直接和负载连接。一般指无源逆变电路。一般指无源逆变电路。逆变逆变:有源逆变有源逆变:无源逆变：无源逆变：逆变电路：逆变电路：逆变电路逆变电路 引言引言整流电路整流电路+逆变电路逆变电路（无源）构成交（无源）构成交-直直-交电路，交电路，实现实现交交-交变流交变流。DCACACDC AC 2021年12月

2、7日星期二34.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理负载负载a)S1S2S3S4iouoUd S1S4是桥式电路的是桥式电路的4 4个臂，个臂， 由电力电子器件及辅助电路由电力电子器件及辅助电路 组成。组成。 当开关当开关S1、S4 闭合，闭合，S2、 S3断开时，负载电压断开时，负载电压uo为正为正U Ud d； 当当S1、S4断开，断开，S2、S3闭合闭合 时，时，uo为负为负U Ud d。 直流电变成了交流电，改变直流电变成了交流电，改变 两组开关的切换频率，即可两组开关的切换频率，即可 改变输出交流电的频率。改变输出交流电的频率。1. 电路结构电路结构b)tuot1tT2.

3、 基本工作原理基本工作原理图图4-1 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例Ud-Ud2021年12月7日星期二4负载a)S1S2S3S4iouoUdb)tuot1iot2图图5-1 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例 当负载为电阻时，当负载为电阻时，io和和uo的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。 当负载为阻感时，当负载为阻感时，io相位滞后于相位滞后于uo，波形也不同，波形也不同，io连连 续变化。续变化。 Ud-Ud2021年12月7日星期二54.2 电压型逆变电路电压型逆变电路4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆

4、变电路2021年12月7日星期二64.2 电压型逆变电路电压型逆变电路电压型逆变电路电压型逆变电路 也称电压源型逆变电路：也称电压源型逆变电路：直流侧是电压源直流侧是电压源+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio图图4-5 电压型全桥逆变电路电压型全桥逆变电路 (全桥逆变电路）全桥逆变电路）2021年12月7日星期二7电压型逆变电路的特点：电压型逆变电路的特点：1）直流侧为电压源或并联有大电容，）直流侧为电压源或并联有大电容， 相当于电压源。直流侧电压基本无脉动。相当于电压源。直流侧电压基本无脉动。2）输出电压为矩形波，与负载阻抗角无关，交流侧输）输出电压为矩形波，与

5、负载阻抗角无关，交流侧输 出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧 电容起缓冲无功能量作用。为了给交流侧向直流侧电容起缓冲无功能量作用。为了给交流侧向直流侧 反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联反馈反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联反馈 二极管。二极管。 2021年12月7日星期二84.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路1半桥逆变电路半桥逆变电路图图4-6 a) 单相半桥电压型逆变电路单相半桥电压型逆变电路半桥逆变电路有两个桥臂，半桥

6、逆变电路有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的的足够大的电容，两个电容的联结点是直流电源的中点。联结点是直流电源的中点。负载联结在直流电源中点和负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。两个桥臂联结点之间。1）电路结构）电路结构上桥臂上桥臂下桥臂下桥臂2021年12月7日星期二9开关器件开关器件V1和和V2栅极信号栅极信号uG1、uG2：u 在一周期内各半周正偏、半周反偏。在一周期内各半周正偏、半周反偏。u 两者互补。两者互补。2）工作原理）工作原理单相

7、半桥电压型逆变电路单相半桥电压型逆变电路uG1uG2T/2TIGBT的通断状态由栅的通断状态由栅极信号控制：极信号控制：1. 栅极信号正偏，同栅极信号正偏，同时时uce承受正压时承受正压时V导导通；通；2. 栅极信号反偏，栅极信号反偏，V关断。关断。2021年12月7日星期二10图图4-6 b)半桥电压型逆变电路工作波形半桥电压型逆变电路工作波形uG1uG2 t2时刻以前时刻以前V1通，通，V2断。断。uo=Ud/2， io 与与uo方向一致并逐渐增大。方向一致并逐渐增大。 t2时刻给时刻给V1关断信号，给关断信号，给V2 开开 通信号，则通信号，则V1关断，但感性负关断，但感性负 载中载中

8、io 不能立即改变方向，不能立即改变方向，V2 不能导通，于是不能导通，于是VD2导通续流导通续流 ，io逐渐减小。逐渐减小。 uo= -Ud/22021年12月7日星期二11 t3时刻时刻io降为零时，降为零时，VD2截止，截止， V2 开通，开通，io 开始反向。开始反向。uo=-Ud/2 t4时刻给时刻给 V2 关断信号，给关断信号，给 V1开开 通信号，通信号，V2 关断，关断， 由于由于io 不能不能 立即改变方向，立即改变方向， V1不能导通。不能导通。 VD1 先导通续流，先导通续流，t5时刻时刻 V1 才才 开通。开通。 uo=Ud/2uG1uG22021年12月7日星期二12

9、 V1或或V2通时，负载电流通时，负载电流io和电压和电压uo同方向，直流侧向同方向，直流侧向负载提供能量。负载提供能量。 VD1或或VD2通时，通时，io和和uo反反向，负载电感中贮藏的能量向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈。向直流侧反馈。 二极管是负载向直流侧反二极管是负载向直流侧反馈能量的通道，使负载电流馈能量的通道，使负载电流连续连续-反馈二极管，续流二反馈二极管，续流二极管。极管。输出电压输出电压 uo 为矩形波，幅为矩形波，幅值为值为 Um=Ud/2。带感性负载：带感性负载：V1VD2 V2 VD1 V1带阻性负载：带阻性负载：V1V2V1，io与与uo波形一致。波形一致。202

10、1年12月7日星期二13 对电压波形进行定量分析对电压波形进行定量分析. 将幅值为将幅值为 Ud /2的矩形波的矩形波 uo 展开成傅里叶级数，得：展开成傅里叶级数，得： 基波幅值基波幅值Uo1m和基波有效值和基波有效值Uo1分别为分别为tttUu5sin513sin31sin2doddo1m635. 02UUUdd1o45.02UUU3）定量计算）定量计算T/2Ud/2-Ud/2T基波基波2021年12月7日星期二142全桥逆变电路全桥逆变电路+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio 电压型全桥逆变电电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路可看成由两个半桥电路组合而成

11、，共路组合而成，共4个桥臂，个桥臂，桥臂桥臂1和和4为一对，桥臂为一对，桥臂2和和3为另一对，成对桥臂为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各同时导通，两对交替各导通导通1801）电路结构）电路结构uG1、4uG2、3-180O导电导电 方式方式 2021年12月7日星期二152）工作原理）工作原理 电压型全桥逆变电路输出电压电压型全桥逆变电路输出电压uo的波形和半桥电路的波形和半桥电路的波形的波形uo形状相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，形状相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，Um=Ud图4-6 b)单相全桥电压型逆变电路工作波形+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio

12、ab0ua0ub0Ud/2Ud/2Udu02021年12月7日星期二16 输出电流输出电流io波形和半桥电波形和半桥电 路的路的io形状相同，幅值增形状相同，幅值增 加一倍。加一倍。 VD1 、V1、VD2、V2 （半桥电路）相继导通的（半桥电路）相继导通的 区间，分别对应全桥电区间，分别对应全桥电 路路VD1 和和 VD4 、V1 和和 V4 、VD2和和VD3、 V2和和V3 相继导通的区间。相继导通的区间。图4-6 b)单相半桥电压型逆 变电路工作波形2021年12月7日星期二17 全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，对电压波全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，对电压波 形进行定

13、量分析形进行定量分析将幅值为将幅值为 Ud 的矩形波的矩形波 uo 展开成傅里叶展开成傅里叶 级数，得：级数，得： 基波幅值基波幅值Uo1m和基波有效值和基波有效值Uo1分别为分别为tttUu5sin513sin31sin4do(4-1)ddo1m27. 14UUUdd1o9.022UUU(4-3)(4-2)3）定量计算）定量计算T/2Ud-UdTuo2021年12月7日星期二18 改变输出电压有效值的方法：改变输出电压有效值的方法：（1） uo为正负电压各为为正负电压各为180180的脉冲时，要改变输出电的脉冲时，要改变输出电 压有效值只能通过改变输出直流电压压有效值只能通过改变输出直流电压

14、Ud来实现。来实现。dd1o9 . 022UUU（2）采用移相方式调节逆变电路的输出电压。）采用移相方式调节逆变电路的输出电压。2021年12月7日星期二19 采用移相方式调节逆变电路的输出电压，采用移相方式调节逆变电路的输出电压，实际就是调实际就是调节输出电压脉冲的宽度。节输出电压脉冲的宽度。4）移相调压）移相调压图图4-7 单相全桥逆变电路的移相单相全桥逆变电路的移相调压方式调压方式+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiotb)uouo 所谓移相：即改变所谓移相：即改变的大小。的大小。2021年12月7日星期二20 各各 IGBT 栅极信号为栅极信号为 180正正

15、 偏，偏，180反偏，且反偏，且V1和和V2 栅栅 极信号互补，极信号互补，V3 和和 V4 栅极信栅极信 号互补。号互补。 V3 的基极信号不是比的基极信号不是比 V1 落后落后 180，而是只落后，而是只落后 ( 0 180)。 V3、V4 的栅极信号分别比的栅极信号分别比 V2 、V1 的前移的前移180- 。 输出电压输出电压 uo 是正负各为是正负各为 的的 脉冲脉冲 。tOtOtOtOtO b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo 各各IGBT栅极信号栅极信号uG1uG4及输出电压及输出电压uo、输出电流、输出电流io的波形见图的波形见图4-7b2021年12月7日

16、星期二21tOtOtOtOtO uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo移相调压方式工作原理移相调压方式工作原理 t1时刻前时刻前V1和和V4导通，导通， uo=Ud。 t1时刻时刻V4截止，而因负载电感中的电截止，而因负载电感中的电 流流io不能突变，不能突变，V3不能立刻导通，不能立刻导通， VD3导通续流，导通续流，uo=0。 t2时刻时刻V1截止，而截止，而V2不能立刻导通，不能立刻导通， VD2导通续流，和导通续流，和VD3构成电流通构成电流通 道，道，uo=-Ud。 到负载电流过零并开始反向时，到负载电流过零并开始反向时，VD2 和和VD3截止，截止，V2和和V3开始导

17、通，开始导通，uo仍仍 为为-Ud。 t3时刻时刻V3截止，而截止，而V4不能立刻导通，不能立刻导通， VD4导通续流，导通续流，uo再次为零再次为零。改变改变 就可调节输出电压。就可调节输出电压。2021年12月7日星期二22 在纯电阻负载时，在纯电阻负载时，VD1VD4不再导通，不起续流作不再导通，不起续流作 用，用，uo 为零的期间，为零的期间，4 个桥臂均不能导通，负载没个桥臂均不能导通，负载没 有电流。有电流。 io与与uo波形一致。波形一致。在阻感负载时，在阻感负载时，VD1VD4将导通起续流作用。将导通起续流作用。V1、V4V2、V3V1、VD3V2、VD4VD1、VD4VD2、

18、VD3V1、V42021年12月7日星期二234.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路图4-9 三相电压型桥式逆变电路 三个单相逆变三个单相逆变电路可组合成一个电路可组合成一个三相逆变电路，采三相逆变电路，采用用IGBT作为开关作为开关器件的电压型三相器件的电压型三相桥式逆变电路可看桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变成由三个半桥逆变电路组成。电路组成。NN+- -UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud21）电路结构）电路结构负载中点负载中点直流电源直流电源中点中点2021年12月7日星期二24每桥臂导电角度每桥臂导电角度180同同 一相上下两臂交替导

19、电，一相上下两臂交替导电， 各相开始导电的角度依次各相开始导电的角度依次 相差相差120 。 在任一瞬间将有三个桥臂在任一瞬间将有三个桥臂 同时导通。同时导通。 每次换流都是在同一相上每次换流都是在同一相上 下两臂之间进行，也称为下两臂之间进行，也称为 纵向换流纵向换流。NN+- -UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2180导电方式导电方式2）工作原理）工作原理纵向换流：纵向换流：V1V4V3V6V5V22021年12月7日星期二25图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 U 相电源输出电压相电源输出电压 1）当桥臂）当桥臂1导通时，导通时， u

20、UN =Ud /2 。 2）当桥臂）当桥臂4导通时，导通时， uUN=Ud /2。 3）uUN的波形幅值是为的波形幅值是为 Ud/2 的矩形波的矩形波 。 V、W两相情况和两相情况和U相类似相类似 uVN 、 uWN的波形形状与的波形形状与 uUN相同，只是依次相差相同，只是依次相差 120tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3(1) 三相电源输出电压三相电源输出电压2021年12月7日星期二26 将上两式整理得将上两式整理得负载中点负载中点N和电源中点和电源中点N之之间电压间电压uNN UNW

21、NWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu(4-4)NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu(4-5)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu(4-6)(2) 三相负载相电压三相负载相电压 电源输出线电压电源输出线电压2021年12月7日星期二27(4-7)负载为三相对称负载，则有负载为三相对称负载，则有 uUN+uVN+uWN=0，可得，可得 uNN的的 也是矩形波，但其频也是矩形波，但其频 率为率为uUN频率的频率的3倍，幅值为倍，幅值为 其其1/3,即为即为Ud / 6。负载参数已知时，可由负载参数已知时，可由uUN波波 形求出形求出

22、U相电流相电流iU波形，负载波形，负载 的阻抗角的阻抗角不同，不同，iu的波形形的波形形 状和相位都有所不同。状和相位都有所不同。)(31 WN VN UNNNuuuu2021年12月7日星期二28 三桥式逆变电路输出线电压三桥式逆变电路输出线电压uUV展开成傅里叶级数得：展开成傅里叶级数得： 式中，式中， n = 6k1, k 为自然数为自然数 输出线电压有效值输出线电压有效值UUV为：为：nktnntUtttttUusin) 1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV(4-8)(4-9)3）定量计算）定量计算d202UVUV816. 0d21

23、UtuU基波基波7次谐次谐波波2021年12月7日星期二29输出线电压基波幅值为输出线电压基波幅值为ddUV1m1 . 132UUU(4-10)输出线电压基波有效值为输出线电压基波有效值为ddUV1mUV178. 062UUUU(4-11)2021年12月7日星期二30 三桥式逆变电路电源相电压三桥式逆变电路电源相电压uUN 展开成傅里叶级数得：展开成傅里叶级数得： 电源相电压基波幅值电源相电压基波幅值UUN1m为：为：tttUuNU5sin513sin31sin2ddd1mNU635. 02UUUdd1U45.02UUUN 电源相电压基波有效值电源相电压基波有效值UUN1为：为：2021年1

24、2月7日星期二31三桥式逆变电路负载相电压三桥式逆变电路负载相电压uUN展开成傅里叶级数得：展开成傅里叶级数得： 式中，式中，n = 6k1, k 为自然数。为自然数。负载相电压有效值负载相电压有效值 UUN 为：为：ntnntUtttttUusin1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2ddUN(4-12)d202UNUN471. 0d21UtuU(4-13)2021年12月7日星期二32负载相电压负载相电压基波幅值为基波幅值为负载相电压负载相电压基波有效值为基波有效值为ddUN1m637. 02UUU(4-14)dUN1mUN145.02UUU(4-15)2021年12月7日星期二33180o导电方式总结：导电方式总结：1、每个桥臂导电、每个桥臂导电180o；2、同一半桥上下桥臂交替导电；、同一半桥上下桥臂交替导电；3、换流是在同一