《新能源变换技术》课件-项目四 逆变电路

新能源变换技术

1.逆变电路基础逆变电路基础二、逆变电路的基本工作原理一、什么是逆变电路三、换流方式的分类一、什么是逆变电路逆变电路的概念逆变电路就是把直流电变成交流电，当交流侧接在电网上，即交流侧接入电源时，称为有源逆变；一、什么是逆变电路逆变电路的概念当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变，在不加说明时，逆变电路一般多指无源逆变电路。蓄电池蓄电池、干电池、太阳能电池干电池太阳能电池蓄电池干电池太阳能电池负载供电逆变电路一、什么是逆变电路交流电机调速变频器不间断电源感应加热电源逆变电路一、什么是逆变电路逆变电路直流电交流电二、逆变电路的基本工作原理电路组成图中S1到S4是桥式电路的4个桥臂，它们由电力电子器件及辅助电路组成。基本工作原理分析（1）当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u0为正；（2）当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压u0为负。一、三相半波可控整流电路大电感负载电路u0i0tb)基本工作原理分析一、三相半波可控整流电路大电感负载电路u0i0tb)改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。电阻负载时，负载电流i0和u0的波形相同，相位也相同。阻感负载时，i0相位滞后于u0，波形也不同。三、换流方式的分类门极控制关断通态转移到断态全控型器件换流过程中给门极适当的驱动信号电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也称为换向。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。断态转移到通态半控型器件外部条件/其他措施三、换流方式的分类器件换流换流方式电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也称为换向。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。电网换流负载换流强迫换流器件换流(DeviceCommutation)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。三、换流方式的分类电网换流(LineCommutation)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。三、换流方式的分类负载换流(LoadCommutation)由负载提供换流电压的换流方式。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，如电容性负载和同步电动机。a)三、换流方式的分类负载换流(LoadCommutation)图a是基本的负载换流逆变电路，整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性，直流侧串大电感，工作过程可认为id基本没有脉动。a)三、换流方式的分类负载换流(LoadCommutation)负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以u0接近正弦波。注意触发VT2

、VT3的时刻t必须在u0过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。三、换流方式的分类强迫换流(ForcedCommutation)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。三、换流方式的分类直接耦合式强迫换流由换流电路内电容直接提供换流电压。电感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。电感耦合式直接耦合式三、换流方式的分类直接耦合式强迫换流在此处添加您的文本内容在此处添加您的文本内容在此处添加您的文本内容如图，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。三、换流方式的分类直接耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流在此处添加您的文本内容在此处添加您的文本内容在此处添加您的文本内容图a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断。三、换流方式的分类a)

b)电感耦合式强迫换流原理图图b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。电感耦合式强迫换流在此处添加您的文本内容在此处添加您的文本内容在此处添加您的文本内容在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压，也叫电流换流。三、换流方式的分类a)

b)电感耦合式强迫换流原理图（1）器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。三、换流方式的分类-换流方式总结（2）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。（3）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。

2.1单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路一、全桥逆变电路单相全桥逆变电路的原理图电路带阻感负载。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°一对桥臂另一对桥臂单相全桥逆变电路的工作分析等效电路总结两对桥臂交替导通180°。二、单相全桥逆变电路的工作分析输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。在这种情况下，要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。电路分析（1）假设t2时刻以前V1和V4为通态。（2）t2时刻给V1和V4关断信号，给V2

和V3开通信号，则V1和V4关断，但感性负载中的电流i0不能立即改变方向，于是VD2和VD3导通续流。二、单相全桥逆变电路的工作分析电路分析（3）在t3时刻i0降为0时，VD2和VD3截止，V2和V3开通。i0开始反向。二、单相全桥逆变电路的工作分析（4）同样t4时刻给V2和V3关断信号。给V1和V4开通信号，则V2和V3开通。电路分析（5）当t5时刻i0降零时，VD1和VD4截止，V1和V4开通，i0开始正向。二、单相全桥逆变电路的工作分析

2.2单相全桥逆变电路（移相调压）单相全桥逆变电路（移相调压）单相全桥逆变电路两对桥臂交替导通180度时，输出电压u0为正负各为180度的脉冲，幅值等于ud。上节回顾如果要改变输出交流电压的有效值u0，只能通过改变直流电压ud来实现。单相全桥逆变电路能否通过其他方式调节逆变电路的输出电压?上节回顾答案：移相调压移相调压方式移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。一、什么是移项调压方式在单相全桥逆变电路中，各IGBT的栅极信号仍为180°正偏，180°反偏，并且V1和V2的栅极信号互补，V3和V4的栅极信号互补。移相调压方式但是V3的基极信号比V1落后θ(0<θ<180°)。V3

、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°-θ。输出电压是正负各为θ的脉冲。一、什么是移项调压方式t2时刻前V1和V4导通，U0=Ud。（1）

t1时刻V4截止，而因负载电感中的电流i0不能突变，V3不能立刻导通，VD₃导通续流，u。=0。二、工作过程进行具体分析电路分析（1）t2时刻前V1和V4导通，U0=Ud。（2）t2时刻V4截止，而因负载电感中的电流i0不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流，u0=0。二、工作过程进行具体分析电路分析（2）t2时刻V4截止，而因负载电感中的电流i0不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流，u0=0。二、工作过程进行具体分析电路分析（3）t3时刻，V1截止，而V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，u0=-Ud。二、工作过程进行具体分析（4）到t4时刻，负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，u0仍为-Ud电路分析（5）t5时刻V3截止，而V4不能立刻导通，VD4导通续流，u0再次为零。二、工作过程进行具体分析（6）t6时刻，V2截止，而V1不能立刻导通，VD1导通续流，和VD4构成电流通道，U0=Ud电路分析（7）到t7时刻，负载电流过零并开始正向时，VD1和VD4截止，V1和V4开始导通，u0仍为Ud。二、工作过程进行具体分析改变θ就可调节输出电压。三、课后思考单相全桥逆变电路带纯电阻负载时，采用移相调压方式，电路的输出电压和电流的波形。尝试画出

2.3单相半桥电压型逆变电路单相半桥电压型逆变电路一、电压型逆变电路的特点二、单相半桥电压型逆变电路分析一、电压型逆变电路的特点直流侧是电压源电压型逆变电路直流侧电源性质直流侧是电流源电流型逆变电路单相全桥逆变电路(1)直流侧为电压源或并列有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。一、电压型逆变电路的特点单相全桥逆变电路一、电压型逆变电路的特点(2)由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而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。单相全桥逆变电路一、电压型逆变电路的特点(3)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的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。半桥逆变电路它有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。二、单相半桥电压型逆变电路的分析在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点便成为直流电源的中点，负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。半桥逆变电路二、单相半桥电压型逆变电路的分析工作原理设开关器件V1和V2的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。输出电压u0为矩形波，其幅值为Um=Ud/2

。电路带阻感负载。电路分析（1）假设t2时刻以前V1为通态。（2）t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，则V1关断，但感性负载中的电流i0不能立即改变方向，于是VD2导通续流。二、工作过程进行具体分析电路分析（3）当t3时刻i0降零时，VD2截止，V2开通，i0开始反向。二、工作过程进行具体分析（4）同样，t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号，则V2关断，但感性负载中的电流i0不能立即改变方向，于是VD1导通续流。电路分析（5）当t5时刻i0降零时，VD1截止，V1开通，i0开始正向。二、工作过程进行具体分析电路分析V1或V2通时，i0和u0同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，i0和u0反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管，它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。二、工作过程进行具体分析循环工作V1或V2通时，i0和u0同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，i0和u0反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管，它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。二、工作原理三、课程总结优点是简单，使用器件少。单相半桥电压型逆变电路的优缺点缺点是输出交流电压的幅值U,仅为Ud/2,且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡；因此，半桥电路常用于几kW以下的小功率逆变电源。

2.4单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路一、电流型逆变电路的特点二、单相电流型逆变电路的分析单相桥式电流型(并联谐振式)逆变电路(1)直流侧串联大电感，相当于电流源，直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。一、电流型逆变电路的特点单相桥式电流型(并联谐振式)逆变电路(2)电路中开关器件，仅改变直流电流的流通路径，直流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位，因负载不同而不同。一、电流型逆变电路的特点单相桥式电流型(并联谐振式)逆变电路(3)交流侧为阻感负载时，需提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用，反馈无功能量时，直流电流并不反向，不必给开关器件并联二极管。一、电流型逆变电路的特点一、电流型逆变电路的特点直流侧串大电感直流侧电流基本无脉动单向桥式、电流型逆变电路相当于电流源电流型逆变电路单相全桥逆变电路一、电压型逆变电路的特点(2)由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而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。单相全桥逆变电路一、电压型逆变电路的特点(3)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的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。单相桥式、电流型逆变电路由四个桥臂构成，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。二、单相电流型逆变电路的分析二、单相电流型逆变电路的分析单相桥式、电流型逆变电路要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。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。工作波形分析在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。t1~t2:VT1和VT4稳定导通阶段，i0=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。二、单相电流型逆变电路的分析电路工作波形单相桥式电流型(并联谐振式)逆变电路工作波形分析在t2时刻触发VT2和VT3开通，开始进入换流阶段。二、单相电流型逆变电路的分析电路工作波形单相桥式电流型(并联谐振式)逆变电路由于换流电抗器L7的作用，VT1和VT4不能立刻关断，其电流有一个减小过程，VT2和VT3的电流也有一个增大过程。工作波形分析二、单相电流型逆变电路的分析电路工作波形单相桥式电流型(并联谐振式)逆变电路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。一个回路是经LT1、VT1、VT3、LT3回到电容C。另一个回路是经LT2、VT2、VT4、LT4回到电容C。工作波形分析二、单相电流型逆变电路的分析电路工作波形单相桥式电流型(并联谐振式)逆变电路当t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，直流侧电流Id全部从VT1、VT4转移到VT2、VT3，换流阶段结束。晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，t4时刻换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tβ，tβ=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq。三、课程总结实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。与自立相对应固定工作频率的控制方式，称为他励方式。自励方式存在起动问题他励方式解决方法自励方式系统工作后附加预充电启动电路

3.变频器逆变电路变频器逆变电路一、二、变频器是利用电力电子器件的通断作用将工频交流电变换为另一频率的交流电的装置。任务一认识变频器变频器的应用和基本结构自上世纪80年代以来，其应用已逐步成为当代电机调速的主流。这种装置有什么用途？有哪些类型？它的基本结构又是怎样的？任务一认识变频器体积小变频调速器主要用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节重量轻精度高功能丰富保护齐全可靠性高操作简便通用性强公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了卓越的调速性能外，还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速方式。任务一认识变频器1.变频调速的节能变频器产生的最初用途是速度控制，据分析，在中国带变动负载、具有节能潜力的电机通过变频调速技术。可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运