E第5章逆变电路

1、E第5章逆变电路Chapter 5 DC to AC Converters( Inverters )Definition: DCAC与整流相对应。Ac side-electric network, is called as active inversion;Ac side-loads, is called as passive inversion.Inversion and frequency conversionFrequency changing circuit：AC-AC and AC-DC-AC.AC-DC-AC frequency converter is composed of A

2、C-DC (Rectifier) and DC-AC (Inverter) .本章讲述无源逆变Applications of InvertersConversion of electric power from DC type energy sources to AC type load Battery Photovoltaic cell (Solar cell) Fuel cellAs a key part of power electronics devices AC-DC-AC frequency converter (for AC motor drive) AC-DC-AC const

3、ant-voltage constant-frequency converter (for uninterruptable power supplies) AC-DC-AC Converters for induction heating AC-DC-AC-DC switching power suppliesA classification of inverters Square-wave inverters (are discussed in this chapter) PWM inverters ( will be discussed in Chapter 6)5.1 Commutati

4、on typesS1S4是桥式电路的4个臂，它由电力电子器件及辅助电路组成，负载为阻感负载。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Basic operation principle of invertersDCAC5.1 Commutation typesBasic operation principle 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u o的波形一样，相位也一样。阻感负载时，i o相位滞后于u o，波形也不同(如图)。5.1 Commutation typesThe concept of

5、commutation: 电流从一个支路向另一个支路转移的过程。Turning-on：适当的门极驱动信号就可使器件开通。Turning-off：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。4 types of commutationDevice commutation: Fully-controlled devices: GTO, IGBT, MOSFET(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)Line commutatio

6、n由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。 For example: Phase-controlled rectifier, Phase-controlled AC controller Load commutation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。Forced commutation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向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Load c

7、ommutationCondition: Load current is leading load voltageApplication: capacitive load, synchronous motor?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4如图是根本的负载换流电路，4个桥臂均由晶闸管组成。整个负载工作在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 根本没有脉动。负载对基波的阻抗大(基波频率接近谐振频率)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

8、量，才能使换流顺利完成。Forced commutation (capacitance 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。当VT处于通态时，接通S使LC振荡电流流过VT，先使晶闸管电流减为零，然后流过反并联二极管VD使其加上反向电压。也叫电流换流。a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断Another classification of commutati

9、ons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，那么称为熄灭。2 classes of inverters根据直流侧电源性质的不同电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路Current Source Type Inverter-CSTI直流侧是电流源5.2 Voltage source inverter (VSI)FeaturesDC side

10、is constant voltage, low impedance (voltage source or capacity) (直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压根本无脉动。)AC side voltage is square wave or quasi-square wave. (交流侧输出电压为矩形波)AC side current is determined by the load. (输出电流和相位因负载阻抗不同而不同)Anti-parallel diodes are necessary to provide energy feedback path.(freewheeling

11、diodes , feedback diodes)(阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反响的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反响二极管。)ua)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2PrincipleV1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响。VD1、VD2称为feedback diodes,它又起着使负载电流连续的作用，又称freewheeling

12、diode。Single-phase half bridge VSISingle-phase half bridge VSIThe current conducting path is determined by the polarity of load voltage and load current. (This is true for analysis of many power electronics circuits.)The magnitude of output square-wave voltage is Ud/2.(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

13、者电压均衡)共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。1和4一对，2和3另一对,两对桥臂交替导通180The magnitude of output square wave voltage is Ud(输出电压和电流波形与半桥电路形状一样，幅值高出一倍)。The effective value of output voltage (or fundamental output voltage) can be hanged by changing Ud.(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)。tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoPrinc

14、ipleSingle-phase full bridge VSISingle-phase full bridge VSIFourier series extension of output voltageMagnitude of output voltage fundamental ComponentEffective value of output voltage fundamental componentQuantitative analysisSingle-phase full bridge VSIOutput voltage control by phase-shift (阻感负载时，

15、还可采用移相的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。故移相调压就是调节输出电压的脉宽。Inverter with center-tapped transformerpush-pull inverter带中心抽头变压器的逆变电路当Ud和负载参数一样，变压器匝比为1：1：1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全一样。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 ,但也实现了电气隔离。交替驱动两个

16、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响通道。Three-phase VSI180o conduction每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开场导电的角度差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展，也称为纵向换流。Dead time (blanking time) to avoid “shoot through(为了防止同一相上下两桥臂开关器件直通，采取“先断后通的方法。即在两者之间参加死区时间)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 (N是假想电源中点)tOtOtOtOt

17、OtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3Three-phase VSIBasic equations to obtain voltage waveformstOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3负载各相到电源中点N的电压：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2。负载线电压(For line voltage)负载相电压(For phase voltage)负载中点和电源中点间电压 (5-6)负载三相对称

18、时有uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7)负载时，可由uUN波形求出iU波形。一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，直流电压根本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，这是电压型逆变电路的一个特点。Three-phase VSIThree-phase VSIFourier series extension of output line-to-line voltageMagnitude of output voltage (line-to-line) fundamental componentEffec

19、tive value of output voltage (line-to-line) fundamental componentQuantitative analysisHomeworksTranslate the following questions and answer.1.无源逆变和有源逆变电路有何不同?2.换流方式有哪几种,各有什么特点?3.三相桥式电压型逆变电路,180o导电方式，Ud=100V, 试求输出相电压的基波幅值UUN1m和有效值UUN1，输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值UUV1,输出线电压中次谐波的有效值UUV55.3 Current source invert

20、er (CSI)FeaturesDC side is constant current, high impedance (current source, or large inductor)(直流侧串大电感，电流根本无脉动，相当于电流源。)AC side current is quasisquare wave. AC side voltage is determined by the load.(交流侧输出电流为矩形波。输出电压波形和相位因负载不同而不同。)No anti-parallel diodes are needed. sometimes series diodes are neede

21、d to block reverse voltage for other power semiconductor devices.(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。)直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。换流方式有负载换流、强迫换流。Single-phase bridge CSISwitching frequency is a little higher than the resonant frequency so that the load becomes capacitive and load current is leading voltage to

22、realize load commutation.Parallel Resonant Inverter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。负载电路对基波呈现高阻抗而对谐波呈现低阻抗，故负载电压波形接近正弦波。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4图513并联谐振式逆变电路工作波形一个周期内有两个导通阶

23、段和两个换流阶段。t1t2：VT1和VT4稳定导通阶段，i=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。t2t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段。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。此时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:一个经LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。Single-phase bridge CSIt=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段完毕。t4-t2= tg 称为换流时间。VT2和VT3稳定导通阶段及换流阶段与此类似保证晶闸管的可靠关断

24、晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流完毕后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tb。tb= 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。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4图513并联谐振式逆变电路工作波形Single-phase bridge CSI1) Analysis of circuit 根本工作方式: 120conduction 每个臂一周期内导电120,每个时刻上下

25、桥臂组各有一个臂导通，换流方式为组内横向换流。itOtOtOtOIdiViWuUVU图5-14 电流型三相桥式逆变电路的输出波形 图5-11 电流型三相桥式逆变电路2) Analysis of waveforms输出电流波形和负载性质无关，是正负脉冲各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一样，谐波分析表达式也一样。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为d 。Three-phase self-commutated CSI串联二极管式晶闸管逆变电路: 各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。图5-15 串联二极管式晶闸管逆变电路 主要用于中大功率

26、交流电动机调速系统。是电流型三相桥式逆变电路。120导电工作方式，输出波形和图5-14的波形大体一样。强迫换流方式，电容C1C6为换流电容。Three-phase force-commutated CSI换流过程分析电容器所充电压的规律： 对于共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零。(共阴极晶闸管情况类似)等效换流电容概念： 分析从VT1向VT3换流时，图中的C13就是图515中的C3与C5串联后再与C1并联的等效电容。图5-15 串联二极管式晶闸管逆变电路 Three-phase force-commutated CSI分析从VT1向VT

27、3换流的过程: 假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负。如图516a。 换流阶段分为恒流放电和二极管换流 两个阶段。t1时刻触发VT3导通， 因C13电压作用VT1被施以反压而关断。Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段。如图516b。uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于tq就能保证关断。图5-16 换流过程各阶段的电流路径 a) b+-UVW+-UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdThree-phase fo

28、rce-commutated CSI-+UVW-+UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13iViViU=Id-iV图5-16 换流过程各阶段的电流路径c) dt2时刻uC13降到零，之后在U相负载电感的作用下C13反向充电。同时，二极管VD3导通，电流为iV，VD1电流为iU=Id-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段。随着C13电压增高，充电电流渐小，iV渐大，t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段完毕。 t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段。Three-phase force-commutated

29、 CSI波形分析: 电感负载时，uC13、iU、iV及uC1、uC3、uC5波形。uC1的波形和uC13完全一样，从UC0降为UC0 。C3和C5是串联后再和C1并联的，电压变化的幅度是C1的一半。uC3从零变到-UC0，uC5从UC0变到零。这些电压恰好符合相隔120后从VT3到VT5换流时的要求,为下次换流做好了准备。ttOuOiUCOuC13uC5uC3-UCOIdiUiVt1t2t3图5-17 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形Three-phase force-commutated CSIThree-phase load-commutated CSI电流型三相桥式逆变器驱动同步电动

30、机，利用电动机反电势实现换流(负载换流)。工作特性和调速方式和直流电动机相似，但无换向器，因此称为无换向器电动机。电压型逆变电路输出电压是矩形波电流型逆变电路输出电流是矩形波 矩形波中含有较多谐波，对负载会产生不利影响，需要采取措施。多重逆变电路把几个矩形波组合起来，使之接近正弦波。多电平逆变电路能输出较多电平，从而使输出接近正弦波。5.4 Multiple-inverter connectionsand multi-level inverters单相电压型二重逆变电路两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器T1和T2串联起来。输出波形：两个单相的输出u1和u2都是导通180的矩形波。图5-2

31、1 二重逆变电路的工作波形12060180tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo图5-20 二重单相逆变电路5.4 Multiple-inverter connectionsand multi-level invertersSeries connection of 2 single-phase VSIs多重逆变电路 电压型、电流型都可多重化，以电压型为例。u1和u2相位错开j =60,其中的3次谐波就错开了 360=180。变压器串联合成后，3次谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波。uo波形是120矩形波，含6k1次谐波，3k次谐波都被抵消。多重逆变电路有串联多重和并联多重两种串联多重把几

32、个逆变电路的输出串联起来，多用于电压型。并联多重把几个逆变电路的输出并联起来，多用于电流型。12060180tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo图5-21 二重逆变电路的工作波形图5-20 二重单相逆变电路Series connection of 2 single-phase VSIsSeries connection of 2 3-phase VSIs三相电压型二重逆变电路的工作原理图5-22 三相电压型二重逆变电路由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过变压器串联合成。两个逆变电路均为180导通方式。逆变桥II的相位比逆变桥I滞后30。T1为/ Y联结，线电压变比为 一次和二次绕组匝数相等

33、)。T2一次侧联结，二次侧两绕组曲折星形接法，其二次电压相对于一次电压而言，比T1的接法超前30，以抵消逆变桥II比逆变桥I滞后的30。这样，uU2和uU1的基波相位就一样。由图524可看出uUN比uU1接近正弦波。具体数量关系见中文参考教材P147。直流侧电流每周期脉动12次，称为12脉波逆变电路。使m个三相桥逆变电路的相位依次错开p/(3m)，连同合成输出电压并抵消上述相位差的变压器，就可构成6m的脉波逆变电路。UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud

34、图5-23 二次侧基波电压合成相量图 图5-24 三相电压型二重逆变电路波形图 Series connection of 2 3-phase VSIs回忆图三相电压型桥式逆变电路和其波形。以N为参考点，输出相电压有Ud/2和-Ud/2两种电平，称为两电平逆变电路。图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3Multi-level Inverters 3-level inverter也称中点钳位型Neutral Point Clamped 逆变电路每桥臂由两个全控器件串联构成，两者中点通过钳位二极管和直流侧中点相连。Multi-lev