第5章__无源逆变.ppt

1、第5章 直流/交流的变换-无源逆变电路,5.1 概述 5.2 换流方式 5.3 负载换流逆变电路 5.4 电压型逆变电路 5.5 电流型逆变电路 5.6 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结,逆变的概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变。 无源逆变主要应用 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、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。,在整流和有源逆变电路中，工作状态的晶闸管处于交流电压作用下，其关断是靠所承受的电压自动地降到零或靠别的晶闸管导通而引入电网的负电压来完成的。而在无源

2、逆变电路中，晶闸管处于直流电压作用下，若不采取措施是无法关断的。所以说，整流与有源逆变电路的主要矛盾是触发导通，而无源逆变电路的主要矛盾则是实现关断。,本章讲述无源逆变,逆变电路根据不同的分类方法主要有如下几种：,（1）根据逆变器所用电力电子器件和换流方式不同，可分为：器件换流，电网换流，负载换流和强迫换流四种。器件换流只适用于全控型器件，即有自关断能力的器件。如IGBT、电力MOSFET、GTR等。其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。,（2）根据逆变器的主电路结构的不同可分为半桥逆变器，全桥逆变器，二电平、三电平、多电平逆变器。,（3）根据逆变器直流侧电源的性质不同分为电压型和电流型两大类。

3、为了使直流电源的电压恒定，采用大电容作为储能和滤波元件的逆变器，称为电压型逆变器（Voltage Source Inverter, VSI）；为了使直流电源的电流恒定，采用大电感作为储能和滤波元件的逆变器，称为电流型逆变器（Current Source Inverter, CSI）。,如何实现逆变？,单相桥式整流,u2正半周， VT1和VT4通,u2负半周， VT2和VT3通,整流,如何实现逆变？,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理,逆变电路的基本工作原理,S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 S1、S4断开，

4、S2、S3闭合时，负载电压uo为负。,逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。,逆变电路及其波形举例,电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。,阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。,5.2 换流方式分类,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，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。,1) 器件换流（Device Commutation） 利用全控型器件的

5、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。,2) 电网换流（Line Commutation） 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。,3）负载换流（Load Commutation）,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。,负载电流相位超前于负载电压的场合 负载为电容性负载时 负载为同步电动机时,实现负载换流,图5-3 负载换流电路,如图是基本的负载换流电路，4

6、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 基本没有脉动。 负载两端电压经电容滤去高次谐波后，uo接近正弦波。,w,t,w,t,w,t,w,t,O,O,O,O,i,i,t,1,u,o,u,o,i,o,i,o,u,VT,i,VT,1,i,VT,4,i,VT,2,i,VT,3,u,VT,1,u,VT,4,T1时刻前：VT1、VT4为通态，VT2、VT3为断态，uo、io均为正，VT2、VT3上施加的电压即为uo t1时刻触发VT2、VT3使其开通，uo通过VT2、VT3本别加到VT4、VT1上使其承受反向电压而关断，电流从VT1、VT4换到

7、VT3、VT2 触发VT2、VT3时刻， t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成,电流超前电压一个角度，且,(w为逆变器工作角频率）,4)强迫换流（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。 分类,直接耦合式强迫换流,VT1导通，C充电左（）右（+），为换流做准备； VT2导通，C上电压反向加至VT1，换流，C反向充电。,也叫电压换流。,电感耦合式强迫换流,通过换流电路内电容和电感的耦合提供换流电压或换流电流,电感耦合式强迫换流原理图,图5-

8、4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断 图5-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断,图a中，接通S后，LC振荡电流将反向流过VT，与VT的负载电流相减，直到VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。,图b中，接通S后，LC振荡电流先正向流过VT并和VT中原有的负载电流叠加，经过半个振荡周期 振荡电流反向流过VT，直到VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。,给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流,电压换流,电流换流,先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加 反向电压的换流,器件换流 只适用于全控型器件 电网换流 负载换流 针对晶闸管 强迫换流,换流方式总结：,器件换流 强

9、迫换流,因器件或变流器自身原因引起换流,自换流,电网换流 负载换流,借助于外部手段（电网电压或负载电压）换流,外部换流,自换流逆变电路 采用自换流方式逆变的电路 外部换流逆变电路 采用外部换流方式逆变的电路 熄灭 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零,5.3 负载换流逆变电路,由于负载换流，通常是利用负载与换流电容构成RLC回路，当电路满足谐振条件时，这类逆变电路称为负载谐振式逆变电路，或简称谐振式逆变器。,根据换流电容和负载的连接方式不同可分为： 并联谐振式逆变器 串联谐振式逆变器两种。,5.3.1 并联谐振式逆变器,这种逆变器的换流电容和负载并联，构成并联式

10、谐振逆变器。,图5.5 并联逆变器的主电路,单相电流型逆变电路（负载换流型）,1) 电路原理,图55 单相桥式电流型 （并联谐振式）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。 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。,并联逆变器的换流过程,5.3.2 串联谐振式逆变器,这种逆变器的换向电容和负载（电感线圈L）串联利用负载回路串联谐振的原理进行换流，故称之为串联谐振式逆变器（简称串联逆变器）,图5.7 串联逆变器的主电路,谐振式电路的主要特点：,（1）逆变电路输

11、出波形为方波。并联谐振式逆变器由恒流源供电，输出电流为方波；而串联谐振式逆变器由恒压源供电，输出电压为方波。 （2）将逆变频率调谐在负载谐振频率附近，可获得正弦的输出电压或电流。并联式逆变器，负载的电压波形接近正弦波；而串联式逆变器，负载的电流波形接近正弦波。因此都无需通过低通滤波器来消除低次谐波。 （3）因为利用了负载的谐振特点，电流中的元器件要承受很大的电压或电流，特别是功率开关器件会因此而承受很大的器件应力。这是谐振式逆变器的一大缺点。,5.4 电压型逆变电路,逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同,5.4 电压型逆变电路,电压型逆变电路的特点,图5-10 电压型全桥逆变电路,(1)直

12、流侧为电压源或并联有大电容，相当于一个电压源。直流侧电压恒定，基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。 (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，并且和负载阻抗角无关。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。 (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。逆变桥各桥臂反并联二极管为交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道。,5.4 电压型逆变电路,5.4.1 单相电压型逆变电路 5.4.2 三相电压型逆变电路,5.4.1 单相电压型逆变电路,1）半桥逆变电路,u,图510 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,a),b),半桥逆变电路有两个桥臂，

13、每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。 在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点是直流电源的中点。 负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。 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，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。 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。,u,图510 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,a),b),工作原理 t2时刻以前V1通，V2断 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io不能立即改变方向，于是VD2导通续流。 t3时刻io降为零时，VD2截止，V

14、2开通，io开始反向。 t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号，V2关断，VD1先导通续流，t5时刻V1才开通。,V1或V2通时，负载电流io和电压uo同方向，直流侧向负载提供能量。 VD1或VD2通时，io和uo反向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈。即负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧。直流侧电容起缓冲无功能量作用。,半桥逆变电路的优点： 电路简单，使用器件少。 缺点： 输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。 应用： 用于几kW以下的小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。,可控器件是不具有门极可关断能力的晶闸管时，须附加

15、强迫换流电路才能正常工作。,2) 全桥逆变电路,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。 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。,图5-11 单相全桥逆变电路的移相调压方式,2全桥逆变电路,图5-11 全桥逆变电路,单相逆变电路中应用最多,单相电压型逆变电路,两个半桥电路的组合,a,b,阻感负载时，还可采用移相得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的前移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。,

16、图5-11 单相全桥逆变电路的移相调压方式,3） 带中心抽头变压器的逆变电路,图5-13 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：时，uo和io波 形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 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。,5.4.2 三相电压型逆变电路,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,图5-14 三相电压型桥式逆变电路,180导电型： 开关元件

17、每隔60电角度按标号1、2、3、4、5、6的次序导通，每个元件导通180就关断，即同一支臂的两个元件一个导通，另一个关断，经过360完成输出电压波形的一个周期。,120导电型： 开关元件每隔60电角度按标号1、2、3、4、5、6的次序导通，每个元件导通120就关断，即上桥臂的一个元件导通，下桥臂也有一个导通，经过360完成输出电压波形的一个周期。,5.4.2 三相电压型方波逆变电路,基本工作方式180导电方式,图5-14 电压型三相桥式逆变电路的工作波形,每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差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行

18、，也称为纵向换流。,当负载为星型接法时，相电压波形为六阶梯波，所以又叫六阶梯波电压型逆变电路。,V1V6触发控制信号的波形,5.4.2 三相电压型逆变电路,波形分析,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 负载相电压,图5-14 电压型三相桥式逆变电路的工作波形,负载中点和电源中点间电压 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是 负载已知时，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，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧

19、传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。 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短路，应采取“先断后通” 数量分析见教材。,180 导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形 线电压波形,180 导通型三相逆变器的参数 相电压表达式 线电压表达式,180 导通型三相逆变器的参数（续） 相电压有效值 线电压有效值,120 导通型三相逆变器,由于逆变是整流的逆过程，因此也可模仿整流的控制规律控制开关元件的开断来实现逆变。 三相桥的6个元件按照三相桥式整流的规律，每个时刻有2个元件导通，上桥臂和下桥臂各一个。,120 导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形 线电压波形,180 导通

20、方式和120导通方式的比较： 120方式上下两管间有60的间隙，对换流有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，则始终有一相断开，在换流时会引起较高的感应电势，而180方式无论在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，故180方式应用较为普遍。,电流型逆变电路主要特点 (1)直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。,5.5 电流型逆变电路,直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。,图5-16 电流型三相桥式逆变电路,(2)交流输出电流为矩形波，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。,5.5 电流型逆变电路,图5-16 电流型三相桥式逆变电路,(3)直流侧电

21、感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。 （Ud一般由桥式整流电路提供，电流是不能反向的。） 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。 换流方式有负载换流、强迫换流。,5.5.1 单相电流型逆变电路,1) 电路原理,图512 单相桥式电流型 （并联谐振式）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。 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。,图513并联谐振式逆变 电路工作波形,2) 工作分析,一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段。,t1

22、t2：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。 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。 LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。,t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。 t4t2= tg 称为换流时间。 保证晶闸管的可靠关断 晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tb。 tb= t5-

23、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。,图513并联谐振式逆变 电路工作波形,为保证可靠换流应在uo过零前td= t5- t2时刻触发VT2、VT3 。. td 为触发引前时间 (5-16) io超前于uo的时间 (5-17) 表示为电角度 (5-18) w为电路工作角频率；g、b分别是tg、tb对应的电角度。 忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数 (5-19) 基波电流有效值 (5-20) 负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损 耗，忽略晶闸管压降） (5-21),实际工作过程中，感应

24、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。 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，解决方法： 先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。 附加预充电起动电路。,5.5.2 三相电流型逆变电路,1) 电路分析 基本工作方式是120导电方式每个臂一周期内导电120，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通，换流方式为横向换流。,2) 波形分析 输出电流波形和负载性质无关，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相同，谐波分析表达式也相同。 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

25、有效值。,串联二极管式晶闸管逆变电路,图5-15 串联二极管式 晶闸管逆变电路,主要用于中大功率交流电动机调速系统。 是电流型三相桥式逆变电路。 各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。 120导电工作方式，输出波形和图5-14的波形大体相同。 强迫换流方式，电容C1C6为换流电容。,图5-16 换流过程各阶段的电流路径,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。 等效换流电容概念： 分析从VT1向VT3换流时，图516中的C13就是图514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

26、式晶闸管逆变电路,分析从VT1向VT3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，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）,-,+,U,V,W,-,+,U,V,W,VT,1,VT,2,VT,3,VD,1,VD,2,VD,3,C,13,I

27、,d,VT,1,VT,2,VT,3,VD,1,VD,2,VD,3,C,13,i,V,i,V,i,U,=,I,d,-,i,V,图5-16 换流过程各阶段的电流路径 c) d）,t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。忽略负载电阻压降，则二极管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，二极管换流阶段结束。 t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段。,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

28、全相同，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。,实例： 无换向器电动机 电流型三相桥式逆变器驱动同步电动机，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。,图518 无换相器电动机的基本电路,BQ转子位置检测器，检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲。,图5-19 无换相器电动机电路工作波形,图518 无换相器电动机的基本电路,5.6 多重逆变电路和多电平逆变电路,电压型逆变电路输出电压是矩

29、形波， 电流型逆变电路输出电流是矩形波，含有较多谐波。 多重逆变电路把几个矩形波组合起来，接近正弦。 多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近正弦。,5.6.1 多重逆变电路,多重逆变电路 电压型、电流型都可多重化，以电压型为例。,多重逆变电路有串联多重和并联多重两种 串联多重把几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。,5.6.1 多重逆变电路,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是180矩形波。,图5-21 二重逆变电路的工作波形,图5-20 二重单相逆变

30、电路,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。,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)。 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的基波相位就相同。,由图524可看出uUN比uU1接近正弦波。 具体数量关系见教材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。,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,5