电力电子DC-AC逆变

1、 直流/交流变换器1电力电子技术DC-AC逆变4 4 直流直流/ /交流逆变器交流逆变器4.0 4.0 换流方式换流方式4.1 4.1 逆变器的类型和性能指标逆变器的类型和性能指标4.2 4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理电压型单相方波逆变电路工作原理4.4.3 3 三相逆变电路工作原理三相逆变电路工作原理电力电子技术DC-AC逆变4.0 换流方式换流方式电力电子技术DC-AC逆变4.0.0 引言引言q逆变的概念逆变的概念 逆变逆变与整流相对应，直流电变成交流电。与整流相对应，直流电变成交流电。交流侧接电网，为交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变。逆变与变频逆

2、变与变频变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。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。成，后一部分就是逆变。q主要应用主要应用q各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。q交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源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。等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。电力电子技术DC-AC逆变以以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

3、4.0.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理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路组成。电力电子技术DC-AC逆变S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载时，负载电压电压uo为为正。S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压时，负载电压uo为为负。直流电交流电电力电子技术DC-AC逆变逆变电路最基本的工作原理 改变两改变两组开关切换频率，可组开关切换频率，可改变输出交流电频率。改变输出交流电频率。 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

4、 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。电力电子技术DC-AC逆变4.0.2 换流方式分类换流方式分类换流电流从一个支路向另一个支路转移电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为的过程，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。本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在本章集中讲述。电力电子技术DC-AC逆变1) 器件换流器件换流（Device Commutat

5、ion）q利用全控型器件的自关断能力进行换流。利用全控型器件的自关断能力进行换流。q在采用在采用IGBT 、电力电力MOSFET 、GTO 、GTR等等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。全控型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）q电网提供换流电压的换流方式。电网提供换流电压的换流方式。q将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可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，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。但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。3) 负载换流

6、负载换流（Load Commutation）4) 强迫换流强迫换流（Forced Commutation）电力电子技术DC-AC逆变 负载换流电路 及其工作波形 q 由负载提供换流电压的换流方式。由负载提供换流电压的换流方式。q 负载电流的相位超前于负载电压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。的场合，都可实现负载换流。q 如图是基本的如图是基本的负载换流电路，电路，4个桥臂均由晶闸管组成。个桥臂均由晶闸管组成。q 整个负载工作在接近并联谐振状整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。态而略呈容性。q 直流侧串电感，工作过程可认为直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动。

7、基本没有脉动。q 负载对基波的阻抗大而对谐波的负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以阻抗小。所以uo接近正弦波。q 注意触发触发VT2、VT3的的时刻时刻t t1必须必须在在uo o过零前并留有足够的裕量，过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。才能使换流顺利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4电力电子技术DC-AC逆变4)强迫换流强迫换流（Forced Commutation）由换流电路内电容直接提供换流电压直接耦合式强迫换流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感耦合式强迫换流设置附加

8、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电容换流。分类电力电子技术DC-AC逆变直接耦合式强迫换流强迫换流 当晶闸管当晶闸管VTVT处于通态处于通态时，预先给电容充电。当时，预先给电容充电。当S S合上，就可使合上，就可使VTVT被施加被施加反压而关断。反压而关断。 也叫也叫电压换流。 直接耦合式强迫换流原理图 电感耦合式强迫换流原理图电感耦合式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。 也叫电流换流电流换流。电力电子技术DC-AC逆变4.0.3 PWM所谓P

9、WM就是在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲，以达到控制频率、电压、电流和抑制谐波的目的。电力电子技术DC-AC逆变q换流方式总结：换流方式总结：器件换流器件换流适用于全控型器件。适用于全控型器件。其余三种方式其余三种方式针对晶闸管。针对晶闸管。器件换流和强迫换流器件换流和强迫换流属于自换流。属于自换流。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。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。电力电子技术DC-AC逆变4.1 逆变器

10、的类型和性能指标逆变器的类型和性能指标4.1.1 4.1.1 逆变器的类型逆变器的类型4.1.2 4.1.2 逆变器输出波形性能指标逆变器输出波形性能指标4.1.3 4.1.3 其他指标其他指标电力电子技术DC-AC逆变4.1.1 逆变器的类型逆变器的类型 电压型逆变器电压型逆变器VSI VSI 单相半桥单相半桥 单相全桥单相全桥 推挽逆变推挽逆变 三相桥三相桥 电流型逆变器电流型逆变器CSI CSI 依据直流电源的特性不同可分为依据直流电源的特性不同可分为：按输出电压不同分为按输出电压不同分为CVCFCVCF、VVVFVVVF、脉冲型脉冲型按逆变器电路结构不同分为：按逆变器电路结构不同分为：

11、 按开关器件不同及换流关断方式不同分类：按开关器件不同及换流关断方式不同分类：自关断、强迫关断、有源逆变、负载反电动势、负载自关断、强迫关断、有源逆变、负载反电动势、负载谐振换流逆变器。谐振换流逆变器。电力电子技术DC-AC逆变Z Z3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aaiC CDVDiZ Z3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aaiL LDVDit t负负载载电电压压1T驱驱动动4T1T驱驱动动4T2T驱驱动动3TabV0 0DVDVt t负负 载载 电电 流流1T驱驱 动动4T1T驱驱 动动4T2T驱驱 动动3Tabi0 0DIDI电压型逆变器电压型逆变器VSI电流型逆变器电

12、流型逆变器CSI电力电子技术DC-AC逆变Z1oC2oCDV1T2T1D2DaianZ ZDV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da adiai单相半桥单相半桥单相全桥单相全桥电力电子技术DC-AC逆变* * *a ab bA AB BO ODV1T2T1D2D负载负载* *推挽式单相逆变电路推挽式单相逆变电路2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2Taibicia ab bc cPQ0 0电压型三相桥式逆变电路电力电子技术DC-AC逆变4.1.2 逆变器输出波形性能指标逆变器输出波形性能指标1/)1(VVHFnn 谐波系数谐波系数 232221221212 , 12121

13、214 , 3 , 2211VV)11)2(VVVVVVVTHDVVTHDnnnn（总谐波系数总谐波系数DV180 方方波VVVVVD 33.0/133 VVHF2 .05 HF48.021212 VVVTHDDX-Axis0 0tt 方波 方波2To180DV)(1tv电力电子技术DC-AC逆变4.1.2 逆变器输出波形性能指标（续）逆变器输出波形性能指标（续）ABCDRLV VD DS1S2S3S4C( (a a) ) 基基本本逆逆变变电电路路0v1vX-Axis1vD DovV VD D0 0 t tC Cov2T畸变系数畸变系数DFDF逆变电路输出的逆变电路输

14、出的n n次谐波有效值次谐波有效值V Vn n经经LCLC滤波后在负载上的滤波后在负载上的n n次谐波电压次谐波电压V VLnLn为为: : 11122 LCnVcncnLnVVnnLn 2020222)( nVnVLCnVVnnnLn 21224 , 3, 212n122)(1:n nVVDFnHFVnVDFnnnnnn总畸变系数总畸变系数次谐波的畸变系数次谐波的畸变系数第第倍，倍，次谐波衰减了次谐波衰减了电力电子技术DC-AC逆变4.1.3 其他指标其他指标q逆变器的性能指标除输出波形性能指标外，还应包逆变器的性能指标除输出波形性能指标外，还应包 括：括：q逆变效率逆变效率q单位重量（或单

15、位体积）输出功率单位重量（或单位体积）输出功率q可靠性指标可靠性指标q逆变器输入直流电流中交流分量的数值和脉动频率逆变器输入直流电流中交流分量的数值和脉动频率q电磁干扰电磁干扰EMIEMI及电磁兼容性及电磁兼容性EMCEMC电力电子技术DC-AC逆变4.2 电压型单相方波逆电路工作原理电压型单相方波逆电路工作原理4.2.1 4.2.1 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路4.2.2 4.2.2 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路4.2.3 4.2.3 变压器中心抽头推挽式变压器中心抽头推挽式( (Push-Pull)Push-Pull)单相逆变电单相逆变电路路电力电子技术DC

16、-AC逆变4.2.1 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路(a)电路Z ZDV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aDiaittt(b)负 载 电 压(c)电 阻 负 载 电 流 波 形(d)电 感 负 载 电 流 波 形t(e)R-L负 载 电 流 波 形(f)输 入 电 流 波 形1T驱 动4T1T驱 动4T2T驱 动3TabVaiai000000T40T430T20T1T4T2T3T2D3D4D1D1T4T2T3T2T3T1T4TR负 载L负 载aiRL负 载2tDi2D3D1D4DT1T1、T4T4与与T2T2、T3T3 交替通、断交替通、断电力电子技术DC-AC逆变4.

17、2.1 电压型单相全桥逆变电路（续）电压型单相全桥逆变电路（续）(a)电路Z ZDV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aDiai不同负载时，不同负载时，D D、T T导电情况不同导电情况不同T T导电供电，导电供电，D D导电导电续流（反回）续流（反回）t t( (b b) )负负 载载 电电 压压1T驱驱 动动4T1T驱驱 动动4T2T驱驱 动动3T0 0v va ab b图图 4 4. .3 3 D202D0, 5 , 3, 102)sin(4VdtVTVtnnVtvTabDnab 总有效值总有效值 DDD19 . 02224VVVV 基波有效值基波有效值电阻负载电阻负载 电感电感

18、负载负载 阻感负载阻感负载电力电子技术DC-AC逆变4.2.2 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路 电容分压，半桥电路电容分压，半桥电路 T1T1、T2T2交替通、断交替通、断 二级管二级管D D的功用的功用 R R、L L负载时，负载时，T T、D D交替交替导电导电(a)电路(a)电路Z1oC2oCDV1T2T1D2Daian电力电子技术DC-AC逆变4.2.2 电压型单相半桥逆变电路（续）电压型单相半桥逆变电路（续）( (a a) )电电路路Z1oC2oCDV1T2T1D2Daiant t0DV21anv( (b b) )电电压压波波形形1T2T驱动驱动20T0T230Ttnn

19、VvDnan sin2,5,3, 1 DD1D145. 022sin2VVVtVva 基波基波)sin()(2)(221tLRVtia电力电子技术DC-AC逆变4.2.3 q 仅二个开关仅二个开关T1、T2轮流导电轮流导电180度度q 开关管断态电压高一开关管断态电压高一倍倍 2VDq 要输出变压器要输出变压器q 适用于低压小功率、适用于低压小功率、须隔离的应用须隔离的应用* * *a ab bA AB BO ODV1T2T1D2D负载负载* *变压器中心抽头推挽式单相逆变电路变压器中心抽头推挽式单相逆变电路电力电子技术DC-AC逆变4.3 三相逆变电路工作原理三相逆变电路工作原理4.4.3.

20、1 3.1 电压型三相逆变工作原理电压型三相逆变工作原理 3.2 电流型三相逆变工作原理电流型三相逆变工作原理电力电子技术DC-AC逆变4.3.1 电压型三相逆变工作原理电压型三相逆变工作原理逆变器1逆变器2逆变器3+-ADBECFCFVcnVbnVBEVanVADVabcn（a）框图三个相差三个相差120120度的单相逆变器组成一个三相逆变器度的单相逆变器组成一个三相逆变器电力电子技术DC-AC逆变2dV2dVABCFED1T1D3D3T5T5D2D2T6T6D4D4T5D5T 3T 3D1D1T 4T 4D6T 6D2D2T （b）电路图三个相差三个相差120120度的单相逆

21、变器组成一个三相逆变器度的单相逆变器组成一个三相逆变器 A A相相：T1T1、T4T4、T1T1、T4T4 B B相相：T3T3、T6T6、T3T3、T6 T6 C C相：相：T5T5、T2T2、T5T5、T2T2电力电子技术DC-AC逆变2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2Taibicia ab bc cP PQ Q0 0（a）电路t0abv 2t0bcv 22tcav06Tt06gVdV332 34 35 t021gV1Tt02gV2Tt03gV3Tt04gV4Tt05gV5T3Ty（b b） 导导电电波波形形o180（2 2）三相桥式逆变器）三相桥式逆变器12361

22、2561456345234123180 开开关关导导电电顺顺序序为为：上上、下下开开关关互互补补导导电电，时时导导电电。任任何何时时候候有有三三个个开开关关同同，每每个个开开关关导导电电电力电子技术DC-AC逆变2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2Taibicia ab bc cP PQ Q0 0电路电路aibiciabibcicaia ab bc cca aaibiciabibcicai三角形负载三角形负载a ab bc caVain ncibic ccaV.abV.bcV.anV.a abbnV.cnV.n1.531 1caV. 星形负载星形负载电力电子技术DC-AC逆变t0 0abv2t0 0bcv22tcav0 0tanv0 0t0 0tbnv0 0cnvdVMdV32dV313 32 34 35 o180 导导电电波波形形电力电子技术DC-AC逆变t0 0abv2tanv0 0dVM MdV32dV31ddmVVV636. 021 tttttVtvdan 13cos13111cos