5第五章--逆变电路.ppt

1、5-1,第5章 逆变电路,引言 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小节,5-2,第5章 逆变电路 引言,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。 逆变与变频 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成，后一部分就是逆变。 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。,本章讲述无源逆变,5-3,第5章 逆变电路 引言

2、,逆变电路分类,电能流向,功率器件,直流电源,电路结构,输出相数,控制方式,开关环境,有源逆变电路,无源逆变电路,半控型电路,全控型电路,电压源电路,电流源电路,桥式电路,非桥式电路,单相电路,三相电路,相控电路,PWM电路（斩控）,方波电路,硬开关电路,软开关电路,半桥电路,全桥电路,单极性电路,双极性电路,其实地上本没有路，走的人多了，也便成了路。 鲁迅,本章采用的 控制方式,5-4,5.1 换流方式,5.1.1 逆变电路的基本工作原理 5.1.2 换流方式分类,5-5,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理,5.1.1 逆变电路的基本工作原理,图5-1 逆变电路及其波形举例,S1S4

3、是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,控制方式为 方波控制,方波控制方式的逆变器 也被称为方波型逆变器,5-6,5.1.1 逆变电路的基本工作原理,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。,5-7,5.1.1 逆变电路的基本工作原理,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。,图5-1 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。,5-8,5.1.2 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

4、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。,5-9,5.1.2 换流方式分类,1) 器件换流（Device Commutation） 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。 2) 电网换流（Line Commutation） 电网提供换流电压的换流方式。 将负

5、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） 4) 强迫换流（Forced Commutation）,5-10,5.1.2 换流方式分类,关于换流方式： 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，则称为熄灭。,5-11,5.2 电压型逆变电路,1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同,5-12,5.2 电压型逆变电路,2）电

6、压型逆变电路的特点,图5-5 电压型全桥逆变电路,(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 (2)输出电压为矩形波，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。,5-13,5.2 电压型逆变电路,5.2.1 单相电压型逆变电路 5.2.2 三相电压型逆变电路,5-14,5.2.1 单相电压型逆变电路,1）半桥逆变电路,u,图56 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,工作原理 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。 V1或V2

7、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。,5-15,5.2.1 单相电压型逆变电路,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。,5-16,5.2.1 单相电压型逆变电路,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。 输出电压和电流与半桥电路形状相同，幅值

8、高出一倍。 改变输出交流电压的有效值Uo1=0.9Ud，因此只能通过改变直流电压Ud来实现，如相控整流，或移相调压。 对于阻感负载，存在能量回馈和能量输出两个阶段,图5-5 单相全桥电压型逆变电路及其工作波形,5-17,5.2.1 单相电压型逆变电路,阻感负载时，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。,5-18,5.2.1 单相电压型逆变电路,3） 带中心抽头变压器的逆变电路 （很简单的电路，请同学们自己分析）,图5-8 带中心抽头变压

9、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。,5-19,5.2.2 三相电压型逆变电路,典型的三相电压型逆变电路（变压变频调速器）,5-20,5.2.2 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5-9 三相电压型桥式逆变电路,5-21,5.2.2 三相电压型

10、逆变电路,基本工作方式180导电方式,图5-10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，也称为纵向换流。,5-22,三相电压型全桥逆变器6路开关信号（ 180导电方式）,三相电压型全桥逆变器桥臂输出电压波形,三相逆变器U和V相桥臂输出电压 （线电压，为120o方波）,基波分量,M,N,5-23,三相电压型全桥逆变器桥臂输出电压波形,三相电压型全桥逆变器负载相电压波形,负载中性点电压波形,基波分量,M,三相桥臂 输出状态,5-24,5.2.2 三相电压型逆变电路

11、,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5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形,5-25,5.2.2 三相电压型逆变电路,负载中点和电源中点间电压 (5-6) 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7) 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传送的功率是脉动的，这是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

12、而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通”。在两者之间预留一定的时间裕量，即所谓的“死区时间”，数值大小视功率器件开关速度而定。,5-26,5.2.2 三相电压型逆变电路,数量分析 输出线电压uUV展开成傅里叶级数:,其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分别为:,5-27,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。,5.3 电流型逆变电路,直流电为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。,图5-11 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。 (3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器

13、件反并联二极管。 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。,5-28,5.3 电流型逆变电路（了解）,5.3.1 单相电流型逆变电路 5.3.2 三相电流型逆变电路,5-29,5.3 电流型逆变电路（了解）,电流型逆变电路主要特点： （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。 （2）电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因为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，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。由于反

14、馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样给开关器件反并联二极管。,5-30,5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 （一般性了解）,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，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。 多重逆变电路，也简称为多重化电路，和多电平电路一样，被应用于高电压、大容量的场合。,5-31,5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 （一般性了解）,5.4.1 多重逆变电路 5.4.2 多电平逆变电路,5-32,5.4.1 多重逆变电路,多重逆变电路 电压型、电流型都可多重化，

15、以电压型为例。 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 二重单相逆变电路,5-33,5.4.1 多重逆变电路,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，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。,图

16、5-21 二重逆变电路的工作波形,图5-20 二重单相逆变电路,5-34,5.4.2 多电平逆变电路,回顾图5-9三相电压型桥式逆变电路和图5-10的波形。 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,5-35,5.4.2 多电平逆变电路,三电平逆变电路 也称中点箝位型 （NPC, Neutral Point Clamped） 逆变电路 每桥臂由两个全控器件串联构成，两者中点通过箝位二极管和直流侧中点相连 。,图5-25 三电平逆变电路,5-36,5.4.2 多电平逆变电路,以A相为例分析工作情况（三种电平状态输出

17、） S1和S2通，S3和S4断，则A与参考地之间电位差为Ud/2； S3和S4通，S1和S2断，则A与参考地之间电位差为-Ud/2； S2和S3通，S1和S4断，则A与参考地之间电位差为 0；,5-37,5.4.2 多电平逆变电路,线电压的电平 相电压相减得到线电压。 两电平逆变电路的输出线电压有Vdc和0三种电平。 三电平逆变电路的输出线电压有 Vdc 、 Vdc /2和0五种电平。 三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路。 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。 与两电平逆变电路的特点相比较。,5-38,5.4.2 多电平逆变电路,图5-27 三

18、相PWM电压Ua/Ub/Uc波形,5-39,5.4.2 多电平逆变电路,(a) 输出线电压Uab (b) A相相电压Uan 图5-28 系统输出相关电压波形（PWM控制模式下）,5-40,5.4.2 多电平逆变电路,图5-29 系统输出三相电流波形,5-41,5.4.2 多电平逆变电路,图5-30 二极管箝位型逆变器主电路 (a)三电平 (b)五电平,5-42,5.4.2 多电平逆变电路,图5-31 飞跨电容箝位型逆变器主电路 (a)三电平 (b)五电平,5-43,5.4.2 多电平逆变电路,图5-32 九电平级联型逆变器主电路及其输出波形,5-44,第5章 逆变电路 小结,讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理 四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电路更为基本、更为重要 换流方式 分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。 对晶闸管电路，换流十分重要；对全控型器件，其重要性有所下降。,5-45,第5章 逆变电路 小结,逆变电路分类方法 可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类。 本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型