电力电子技术4章 逆变电路

1、1 第第4章章 逆变电路逆变电路2引言引言 逆变的概念逆变的概念 与整流相对应，与整流相对应，直流电直流电变成变成交流电交流电。 交流侧接电网，为交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。 交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变无源逆变，本章主要讲述无源逆变。，本章主要讲述无源逆变。 逆变与变频逆变与变频 变频电路：分为变频电路：分为交交变频交交变频和和交直交变频交直交变频两种。两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，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。后一部分就是逆变。 逆变电路的主要应用逆变电路的主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电

2、池等。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、感应加热电源等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。电力电子装置的核心部分都是逆变电路。34.1 换流方式换流方式 4.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 4.1.2 换流方式分类换流方式分类4l以以单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路为例说明最基本的工为例说明最基本的工作原理作原理图图4-1 4-1 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电

3、路组成。5S1、S4闭合闭合，S2、S3断开断开时，负载电压uo为正正。S1、S4断开断开，S2、S3闭合闭合时，负载电压uo为负负。直流电交流电6逆变电路最基本的工逆变电路最基本的工作原理作原理 改变改变两两组开关切换频率组开关切换频率，可，可改变改变输出交流电频率输出交流电频率。图4-1 逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电阻负载电阻负载时，负载电流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感负载阻感负载时，i io o相位滞后于u uo o，波形也不同。74.1.2 换流方式分类换流方式分类换流换流 电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为电流从一个支路向另一个

4、支路转移的过程，也称为换相换相。 研究换流方式主要是研究研究换流方式主要是研究如何使器件关断如何使器件关断。换流方式分为以下几种换流方式分为以下几种 (1)器件换流（器件换流（Device Commutation） 利用利用全控型器件的自关断能力全控型器件的自关断能力进行换流。进行换流。 在采用在采用IGBT 、电力、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。器件的电路中的换流方式是器件换流。 (2)电网换流（电网换流（Line Commutation） 电网电网提供提供换流电压换流电压的换流方式。的换流方式。 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即

5、可使其关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，断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。流电网的无源逆变电路。84.1.2 换流方式分类换流方式分类a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4图图4-2 单相桥式并联谐振式的逆变单相桥式并联谐振式的逆变电路及其工作波形电路及其工作波形 (3)负载换流（负载换流（Load Commutation） 由由负载负载提供提供换流电压换流电压的换流方式。的换流方式。 负载负载电流电流的的相位超前相位超前

6、于负载于负载电压电压的场合，的场合，都可实现负载换流，如都可实现负载换流，如电容性电容性负载和同步电负载和同步电动机。动机。 图图4-2a是是单相桥式并联谐振式单相桥式并联谐振式负载换流逆负载换流逆变电路，整个负载工作在接近变电路，整个负载工作在接近并联谐振状态并联谐振状态而略呈而略呈容性容性，主要是为了，主要是为了改善功率因数改善功率因数。直。直流侧串大电感，工作过程可认为流侧串大电感，工作过程可认为id基本没有基本没有脉动脉动。负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以小，所以uo接近接近正弦波正弦波。 如何实现负载换流？如何实现负载换流？ 注意触发注意触发V

7、T2、VT3的时刻的时刻t1必须在必须在uo过过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。成。94.1.2 换流方式分类换流方式分类强迫换流（强迫换流（Forced Commutation） 设置设置附加的换流电路附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强，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。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，通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为因此也称为电容换流电容换流。 分类分类 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流：由换流电路内电容：由换流电路内电容直接提供换

8、流电压。直接提供换流电压。 电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的：通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流 如图如图4-3，当晶闸管，当晶闸管VT处于通态时，预先给处于通态时，预先给电容充电。当电容充电。当S合上，就可使合上，就可使VT被施加反压而关被施加反压而关断。断。 也叫电压换流。也叫电压换流。 缺点：电路复杂，可靠性受影响，换流能力取决缺点：电路复杂，可靠性受影响，换流能力取决于于C储能的大小。储能的大小。图图4-3 直接耦合式直接耦合式强迫换流原理图强迫换流原理图 10

9、4.1.2 换流方式分类换流方式分类器件换流器件换流适用于全控型器件（适用于全控型器件（IGBT、MOSFET等）。等）。其余三种方式其余三种方式针对晶闸管（针对晶闸管（SCR）。）。器件换流和强迫换流器件换流和强迫换流属于自换流（器件、属于自换流（器件、变流器自身）。变流器自身）。电网换流和负载换流电网换流和负载换流属于外部换流属于外部换流(电网、电网、负载电压负载电压)。当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而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，则称为是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭熄灭。114.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 4.2.1 单相电

10、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变电路124.2 电压型逆变电路电压型逆变电路引言引言1）逆变电路的分类）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质根据直流侧电源性质的不同的不同电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Inverter-VSI直流侧是电压源电压源电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路Current Source Inverter-CSI直流侧是电流源电流源134.2 电压型逆变电路电压型逆变电路引言引言2）电压型逆变电路的特点）电压型逆变电路的特点图图4-5 电压型全桥逆变电路电压型全桥逆变电路 (1)直流侧为电压源或并

11、联大电容，直流侧电压基本无脉动无脉动。 (2)由于直流电压源的钳位作用/滤波作用，输出电压为矩矩形波形波，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并联反馈二极管。14u图图4 46 6 单相半桥电压型逆变单相半桥电压型逆变电路及其工作波形电路及其工作波形a)a)t tt tO OO OONONb)b)o oU Umm- -U Ummi io ot t1 1t t2 2t t3 3t t4 4t t5 5t t6 6V V1 1V V2 2V V1 1V V2 2VDVD1 1VDVD2 2VDVD1 1

12、VDVD2 21、拓扑结构2、工作原理（180 方波控制） V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补通断，输出电压uo o为正负对称的180方波，幅值为Um=Ud/2。 通过改变直流侧的电压Ud来调节交流侧输出电压的有效值。 V1或V2通时，io和uo o同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，i io o和u uo o反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管反馈二极管, ,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管续流二极管。1516优缺点：结构简单，使用器件较少。输出交流电压的幅值Um=Ud/2。 ，且直流侧需要两个电容器并联，工作时需要考虑

13、两个电容电压的均衡，因而仅使用于小功率逆变电路。171、拓扑结构：共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。2、控制方式、输出电压波形及输出交流电压有效值的改变。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。tOtOuG1，4uG2，3ut tt tO OO Oo oU Umm- -U Ummi io ot t1 1t t2 2t t3 3t t4 4t t5 5t t6 6V V2 2V V1 1V V2 2VDVD2 2VDVD1 1VDVD2 2VDVD3 3VDVD4 4VDVD3 3V V1 1V V

14、4 4V V3 3V V4 4V V3 318College of Electrical Engineering and Automation18/53 阻感负载时，还可采用阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出移相的方式来调节输出电压电压移相调压移相调压。a)tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouot4t5t6导通状态：导通状态：（V1，V4）（）（V1，VD3）(VD2,VD3)（V2，V3）(V2，VD4)（VD1，VD4） V3的基极信号比的基极信号比V1 1落后落后q q （0 q q 180 ）。）。V3、V4的栅极信号分别比的栅极信号分别比V

15、2、V1的前移的前移180180q q。输出电输出电压是正负各为压是正负各为q q的脉冲。的脉冲。 改变改变q q就可调节输出电压。就可调节输出电压。t019图4-8 带中心抽头变压器的逆变电路 Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，uo和io o波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。l 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 。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。20图图4-9 4-9 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路21每桥臂导电每桥

16、臂导电180，同一相上下两臂交替导电，同一相上下两臂交替导电，各相各相开始导电的角度差开始导电的角度差120 。（。（波形波形）任一瞬间有任一瞬间有三个桥臂同时导通三个桥臂同时导通。每次换流都是在每次换流都是在同一相上下两臂同一相上下两臂之间进行，也称为之间进行，也称为纵纵向换流向换流。总结：总结：三相电压型逆变电路工作方式既结合单相半桥三相电压型逆变电路工作方式既结合单相半桥的的180180 方波控制，同时又结合全桥的移相控制方波控制，同时又结合全桥的移相控制（ =120 ）tOtOtOa)b)c)uUNuVNuWNUd222负载各相到电源中点N的电压：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，u

17、UN=-Ud/2。负载线电压负载相电压 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu图图4-10电压型三相桥式逆电压型三相桥式逆变电路的电压工作波形变电路的电压工作波形tOtOtOtOa)b)c)d)uUNuUVuVNuWNUdUd223)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu)(31 WN VN UNNNuuuutOtOg)h)iUidtOtOe)f)uUNuNNUd3Ud62 Ud3244.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路基本的数量关系基本的数量关系 把输出线电压把输出线电压u

18、UV展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得 nktnntUtttttUusin)1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV式中，式中， ，k为自然数。为自然数。16 kn输出线电压有效值输出线电压有效值UUV为为 d202UVUV816.0d21UtuU其中基波幅值其中基波幅值UUV1m和基波有效值和基波有效值UUV1分别为分别为 ddUV1m1 .132UUUddUV1mUV178. 062UUUU(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)254.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路 把把uUN展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得 nt

19、nntUtttttUusin1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2ddUN 式中，式中， ，k为自然数。为自然数。16 kn 负载相电压有效值负载相电压有效值UUN为为d202UNUN471.0d21UtuU 其中基波幅值其中基波幅值UUN1m和基波有效值和基波有效值UUN1分别为分别为ddUN1m637.02UUUdUN1mUN145.02UUU为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取要采取“先断后通先断后通”的方法。的方法。 (4-12)(4-13)(4-1

20、4)(4-15)26UUV7 =2 Ud/（3.147 ）=22.3（V） 4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路例：三相桥式电压型逆变电路，例：三相桥式电压型逆变电路，180导电方式，导电方式，Ud=200V。试求输出相电压。试求输出相电压的基波幅值的基波幅值UUN1m和有效值和有效值UUN1、输出线电压的基波幅值、输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值和有效值UUV1、输出线电压中、输出线电压中7次谐波的有效值次谐波的有效值UUV7。 解：解： 2dUN1mUN145. 02UUUddUN1m637. 02UUUddUV1m1.132UUUddUV1mUV178. 062UUUU

21、0.4520090（V） 0.637200127.4（V） 1.1200=220（V） 0.78200=156（V） 327引言引言多电平逆变器多电平逆变器(Multilevel Inverter)，就是，就是通过对直流侧的分压和通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合，实现多电平阶梯波电压的输出，从而使波开关动作的不同组合，实现多电平阶梯波电压的输出，从而使波形更加正弦化形更加正弦化。分类：分类：二极管中点钳位型、飞跨电容型、单元串联型二极管中点钳位型、飞跨电容型、单元串联型多电平逆变多电平逆变电路等。其中，二极管中点钳位型三电平逆变器又称电路等。其中，二极管中点钳位型三电平逆变器又称NPC（

22、Neutral Point Clamped）三电平逆变器。）三电平逆变器。这种逆变拓扑在开关器件承受相对两电平结构二分之一压降和更这种逆变拓扑在开关器件承受相对两电平结构二分之一压降和更低的开关频率情况下，得到与两电平相同或者更好的输出波形。低的开关频率情况下，得到与两电平相同或者更好的输出波形。三电平拓扑在高压大功率场合中应用时，一方面降低了器件承受三电平拓扑在高压大功率场合中应用时，一方面降低了器件承受的开关应力，减小器件的开关损耗；另一方面降低了电路运行中的开关应力，减小器件的开关损耗；另一方面降低了电路运行中的的du/dt 、di/dt和输出波形谐波含量等。因此，三电平变换器已和输出波

23、形谐波含量等。因此，三电平变换器已经在高压大功率变频调速系统、电力系统有源滤波和动态无功补经在高压大功率变频调速系统、电力系统有源滤波和动态无功补偿等领域得到了高泛的研究与应用。偿等领域得到了高泛的研究与应用。4.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路284.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-9 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路 图图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形电压型三相桥式逆变电路的工作波形 回顾图回顾图4-9三相电压型

24、桥式三相电压型桥式逆变电路和图逆变电路和图4-10的波形，的波形，以以N为参考点，输出相电压为参考点，输出相电压有有Ud/2和和-Ud/2两种电平，称两种电平，称为为两电平逆变电路两电平逆变电路。294.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路图图4-25 三电平逆变电路三电平逆变电路 NPC三电平逆变电路三电平逆变电路 电路分析电路分析 每桥臂由两个全控器件串每桥臂由两个全控器件串联构成，两者都联构成，两者都反并联了二极管反并联了二极管，且且中点通过钳位二极管和直流侧中中点通过钳位二极管和直流侧中点相连点相连 。 以以U相相为例分析工作情况为例分析工作情况 V11和和V12（或（或VD11和和V

25、D12）导通，）导通，V41和和V42关断时，关断时，UO间电位差为间电位差为Ud/2。 V41和和V42（或（或VD41和和VD42）导通，）导通，V11和和V12关断时，关断时，UO间电位差为间电位差为-Ud/2。 V12和和V41导通，导通，V11和和V42关断时，关断时，UO间电位差为间电位差为0。 V12和和V41不能同时导通，不能同时导通，iU0时，时，V12和和VD1导通，导通，iU0时，时，V41和和VD4导通。导通。304.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路 线电压的电平线电压的电平 相电压相减得到线电压。相电压相减得到线电压。 两电平逆变电路的输出线电压有两电平逆变电路的

26、输出线电压有Ud和和0三种电平，三种电平，三电平逆变电路的输出线电压有三电平逆变电路的输出线电压有Ud、Ud/2和和0五种电五种电平。平。 相对于两电平逆变电路，三电平逆变电路输出更多相对于两电平逆变电路，三电平逆变电路输出更多电平的阶梯波电压从而使波形更加正弦化，因而其电平的阶梯波电压从而使波形更加正弦化，因而其电压电压谐波谐波可大大减少。可大大减少。 三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半。受电压为直流侧电压的一半。用与三电平电路类似的方法，还可构成五电平、七电平用与三电平电路类似的方法，还可构成五电平、七电平等更多电平的电路，三电平及更多电平的逆变电路统称等更多电平的电路，三电平及更多电平的