第5章逆变电路0.ppt
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1、1,2,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,3,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,4,5.1 换流方式,5.1.1
2、逆变电路的基本工作原理 5.1.2 换流方式分类,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是桥式电路的4个臂,由电力电子器件及辅助电路组成。,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。,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
3、uo,波形也不同。,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。,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
4、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) 4) 强迫换流(Forced Commutation),10,5.1.2 换流方式分类,图5-2 负载换流 电路及其工作波形,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。 如图是基本的负载换流电路,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i
5、d 基本没有脉动。 负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。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量,才能使换流顺利完成。,11,4)强迫换流(Forced Commutation),5.1.2 换流方式分类,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,12,5.1.2 换流方式分类,直接耦合式强迫换流 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。,图5-3直接耦合式强迫换流原理图,13,5.1.2
6、换流方式分类,换流方式总结: 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。,14,5.2 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,15,5.2 电压型逆变电路,2)电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
7、反馈二极管。,16,5.2 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,17,5.2.1 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。,18,5.2.1 单相电压型逆变电路,优点:电路简单,使用器件少。 缺点:输出
8、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。,19,5.2.1 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5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式,20,5.2.1 单相电压型逆变电路,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
9、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。,21,5.2.1 单相电压型逆变电路,3) 带中心抽头变压器的逆变电路,图5-8 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。,22,5.2.2 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
10、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,23,5.2.2 三相电压型逆变电路,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。,24,5.2.2 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5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形,25,5.2.2 三相电压型逆变电路,负载中点和电源中点间
11、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,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。,26,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,直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。,图5-11
12、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。,27,5.3 电流型逆变电路,5.3.1 单相电流型逆变电路 5.3.2 单相电流型逆变电路,28,5.3.1 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
13、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。,29,5.3.1 单相电流型逆变电路,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。,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。 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。,30,5.3
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