電力電子技術4章 逆變電路

1、1 第第4章章 逆變電路逆變電路2引言引言 逆變的概念逆變的概念 與整流相對應，與整流相對應，直流電直流電變成變成交流電交流電。 交流側(cè)接電網(wǎng)，為交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。 交流側(cè)接負載，為交流側(cè)接負載，為無源逆變無源逆變，本章主要講述無源逆變。，本章主要講述無源逆變。 逆變與變頻逆變與變頻 變頻電路：分為變頻電路：分為交交變頻交交變頻和和交直交變頻交直交變頻兩種。兩種。 交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。后一部分就是逆變。 逆變電路的主要應用逆變電路的主要應用 各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電

2、池等。各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。 交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。34.1 換流方式換流方式 4.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理 4.1.2 換流方式分類換流方式分類4l以以單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路為例說明最基本的工為例說明最基本的工作原理作原理圖圖4-1 4-1 逆變電路及其波形舉例逆變電路及其波形舉例負載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電

3、路組成。5S1、S4閉合閉合，S2、S3斷開斷開時，負載電壓uo為正正。S1、S4斷開斷開，S2、S3閉合閉合時，負載電壓uo為負負。直流電交流電6逆變電路最基本的工逆變電路最基本的工作原理作原理 改變改變兩兩組開關切換頻率組開關切換頻率，可，可改變改變輸出交流電頻率輸出交流電頻率。圖4-1 逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負載電阻負載時，負載電流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感負載阻感負載時，i io o相位滯后于u uo o，波形也不同。74.1.2 換流方式分類換流方式分類換流換流 電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為電流從一個支路向另一個

4、支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相換相。 研究換流方式主要是研究研究換流方式主要是研究如何使器件關斷如何使器件關斷。換流方式分為以下幾種換流方式分為以下幾種 (1)器件換流（器件換流（Device Commutation） 利用利用全控型器件的自關斷能力全控型器件的自關斷能力進行換流。進行換流。 在采用在采用IGBT 、電力、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。器件的電路中的換流方式是器件換流。 (2)電網(wǎng)換流（電網(wǎng)換流（Line Commutation） 電網(wǎng)電網(wǎng)提供提供換流電壓換流電壓的換流方式。的換流方式。 將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關斷的晶閘管上即

5、可使其關將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關斷的晶閘管上即可使其關斷。不需要器件具有門極可關斷能力，斷。不需要器件具有門極可關斷能力，但不適用于沒有交但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。流電網(wǎng)的無源逆變電路。84.1.2 換流方式分類換流方式分類a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4圖圖4-2 單相橋式并聯(lián)諧振式的逆變單相橋式并聯(lián)諧振式的逆變電路及其工作波形電路及其工作波形 (3)負載換流（負載換流（Load Commutation） 由由負載負載提供提供換流電壓換流電壓的換流方式。的換流方式。 負載負載電流電流的的相位超前相位超前

6、于負載于負載電壓電壓的場合，的場合，都可實現(xiàn)負載換流，如都可實現(xiàn)負載換流，如電容性電容性負載和同步電負載和同步電動機。動機。 圖圖4-2a是是單相橋式并聯(lián)諧振式單相橋式并聯(lián)諧振式負載換流逆負載換流逆變電路，整個負載工作在接近變電路，整個負載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈而略呈容性容性，主要是為了，主要是為了改善功率因數(shù)改善功率因數(shù)。直。直流側(cè)串大電感，工作過程可認為流側(cè)串大電感，工作過程可認為id基本沒有基本沒有脈動脈動。負載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗負載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小，所以小，所以uo接近接近正弦波正弦波。 如何實現(xiàn)負載換流？如何實現(xiàn)負載換流？ 注意觸發(fā)注意觸發(fā)V

7、T2、VT3的時刻的時刻t1必須在必須在uo過過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。成。94.1.2 換流方式分類換流方式分類強迫換流（強迫換流（Forced Commutation） 設置設置附加的換流電路附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管強，給欲關斷的晶閘管強迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流。迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流。 通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為因此也稱為電容換流電容換流。 分類分類 直接耦合式強迫換流直接耦合式強迫換流：由換流電路內(nèi)電容：由換流電路內(nèi)電容直接提供換

8、流電壓。直接提供換流電壓。 電感耦合式強迫換流電感耦合式強迫換流：通過換流電路內(nèi)的：通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流。電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流。 直接耦合式強迫換流直接耦合式強迫換流 如圖如圖4-3，當晶閘管，當晶閘管VT處于通態(tài)時，預先給處于通態(tài)時，預先給電容充電。當電容充電。當S合上，就可使合上，就可使VT被施加反壓而關被施加反壓而關斷。斷。 也叫電壓換流。也叫電壓換流。 缺點：電路復雜，可靠性受影響，換流能力取決缺點：電路復雜，可靠性受影響，換流能力取決于于C儲能的大小。儲能的大小。圖圖4-3 直接耦合式直接耦合式強迫換流原理圖強迫換流原理圖 10

9、4.1.2 換流方式分類換流方式分類器件換流器件換流適用于全控型器件（適用于全控型器件（IGBT、MOSFET等）。等）。其余三種方式其余三種方式針對晶閘管（針對晶閘管（SCR）。）。器件換流和強迫換流器件換流和強迫換流屬于自換流（器件、屬于自換流（器件、變流器自身）。變流器自身）。電網(wǎng)換流和負載換流電網(wǎng)換流和負載換流屬于外部換流屬于外部換流(電網(wǎng)、電網(wǎng)、負載電壓負載電壓)。當電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而當電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅熄滅。114.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 4.2.1 單相電

10、壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 4.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路124.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路引言引言1）逆變電路的分類）逆變電路的分類 根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同的不同電壓型逆變電路又稱為電壓源型逆變電路Voltage Source Inverter-VSI直流側(cè)是電壓源電壓源電流型逆變電路又稱為電流源型逆變電路Current Source Inverter-CSI直流側(cè)是電流源電流源134.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路引言引言2）電壓型逆變電路的特點）電壓型逆變電路的特點圖圖4-5 電壓型全橋逆變電路電壓型全橋逆變電路 (1)直流側(cè)為電壓源或并

11、聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動無脈動。 (2)由于直流電壓源的鉗位作用/濾波作用，輸出電壓為矩矩形波形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同。 (3)阻感負載時需提供無功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管并聯(lián)反饋二極管。14u圖圖4 46 6 單相半橋電壓型逆變單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形電路及其工作波形a)a)t tt tO OO OONONb)b)o oU Umm- -U Ummi io ot t1 1t t2 2t t3 3t t4 4t t5 5t t6 6V V1 1V V2 2V V1 1V V2 2VDVD1 1VDVD2 2VDVD1 1

12、VDVD2 21、拓撲結(jié)構2、工作原理（180 方波控制） V1和V2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補通斷，輸出電壓uo o為正負對稱的180方波，幅值為Um=Ud/2。 通過改變直流側(cè)的電壓Ud來調(diào)節(jié)交流側(cè)輸出電壓的有效值。 V1或V2通時，io和uo o同方向，直流側(cè)向負載提供能量；VD1或VD2通時，i io o和u uo o反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管反饋二極管, ,它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管續(xù)流二極管。1516優(yōu)缺點：結(jié)構簡單，使用器件較少。輸出交流電壓的幅值Um=Ud/2。 ，且直流側(cè)需要兩個電容器并聯(lián)，工作時需要考慮

13、兩個電容電壓的均衡，因而僅使用于小功率逆變電路。171、拓撲結(jié)構：共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。2、控制方式、輸出電壓波形及輸出交流電壓有效值的改變。兩對橋臂交替導通180。輸出電壓合電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)。tOtOuG1，4uG2，3ut tt tO OO Oo oU Umm- -U Ummi io ot t1 1t t2 2t t3 3t t4 4t t5 5t t6 6V V2 2V V1 1V V2 2VDVD2 2VDVD1 1VDVD2 2VDVD3 3VDVD4 4VDVD3 3V V1 1V V

14、4 4V V3 3V V4 4V V3 318College of Electrical Engineering and Automation18/53 阻感負載時，還可采用阻感負載時，還可采用移相的方式來調(diào)節(jié)輸出移相的方式來調(diào)節(jié)輸出電壓電壓移相調(diào)壓移相調(diào)壓。a)tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouot4t5t6導通狀態(tài)：導通狀態(tài)：（V1，V4）（）（V1，VD3）(VD2,VD3)（V2，V3）(V2，VD4)（VD1，VD4） V3的基極信號比的基極信號比V1 1落后落后q q （0 q q 180 ）。）。V3、V4的柵極信號分別比的柵極信號分別比V

15、2、V1的前移的前移180180q q。輸出電輸出電壓是正負各為壓是正負各為q q的脈沖。的脈沖。 改變改變q q就可調(diào)節(jié)輸出電壓。就可調(diào)節(jié)輸出電壓。t019圖4-8 帶中心抽頭變壓器的逆變電路 Ud和負載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1時，uo和io o波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。l 與全橋電路的比較： 比全橋電路少用一半開關器件。 器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高 一倍。 必須有一個變壓器 。交替驅(qū)動兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負載加上矩形波交流電壓。兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。20圖圖4-9 4-9 三相電壓型橋式逆變電路三相電壓型橋式逆變電路21每橋臂導電每橋

16、臂導電180，同一相上下兩臂交替導電，同一相上下兩臂交替導電，各相各相開始導電的角度差開始導電的角度差120 。（。（波形波形）任一瞬間有任一瞬間有三個橋臂同時導通三個橋臂同時導通。每次換流都是在每次換流都是在同一相上下兩臂同一相上下兩臂之間進行，也稱為之間進行，也稱為縱縱向換流向換流?？偨Y(jié)：總結(jié)：三相電壓型逆變電路工作方式既結(jié)合單相半橋三相電壓型逆變電路工作方式既結(jié)合單相半橋的的180180 方波控制，同時又結(jié)合全橋的移相控制方波控制，同時又結(jié)合全橋的移相控制（ =120 ）tOtOtOa)b)c)uUNuVNuWNUd222負載各相到電源中點N的電壓：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，u

17、UN=-Ud/2。負載線電壓負載相電壓 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu圖圖4-10電壓型三相橋式逆電壓型三相橋式逆變電路的電壓工作波形變電路的電壓工作波形tOtOtOtOa)b)c)d)uUNuUVuVNuWNUdUd223)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu)(31 WN VN UNNNuuuutOtOg)h)iUidtOtOe)f)uUNuNNUd3Ud62 Ud3244.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路基本的數(shù)量關系基本的數(shù)量關系 把輸出線電壓把輸出線電壓u

18、UV展開成傅里葉級數(shù)得展開成傅里葉級數(shù)得 nktnntUtttttUusin)1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV式中，式中， ，k為自然數(shù)。為自然數(shù)。16 kn輸出線電壓有效值輸出線電壓有效值UUV為為 d202UVUV816.0d21UtuU其中基波幅值其中基波幅值UUV1m和基波有效值和基波有效值UUV1分別為分別為 ddUV1m1 .132UUUddUV1mUV178. 062UUUU(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)254.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路 把把uUN展開成傅里葉級數(shù)得展開成傅里葉級數(shù)得 nt

19、nntUtttttUusin1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2ddUN 式中，式中， ，k為自然數(shù)。為自然數(shù)。16 kn 負載相電壓有效值負載相電壓有效值UUN為為d202UNUN471.0d21UtuU 其中基波幅值其中基波幅值UUN1m和基波有效值和基波有效值UUN1分別為分別為ddUN1m637.02UUUdUN1mUN145.02UUU為了防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時導通而引起直流側(cè)電源的短路，為了防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時導通而引起直流側(cè)電源的短路，要采取要采取“先斷后通先斷后通”的方法。的方法。 (4-12)(4-13)(4-1

20、4)(4-15)26UUV7 =2 Ud/（3.147 ）=22.3（V） 4.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路例：三相橋式電壓型逆變電路，例：三相橋式電壓型逆變電路，180導電方式，導電方式，Ud=200V。試求輸出相電壓。試求輸出相電壓的基波幅值的基波幅值UUN1m和有效值和有效值UUN1、輸出線電壓的基波幅值、輸出線電壓的基波幅值UUV1m和有效值和有效值UUV1、輸出線電壓中、輸出線電壓中7次諧波的有效值次諧波的有效值UUV7。 解：解： 2dUN1mUN145. 02UUUddUN1m637. 02UUUddUV1m1.132UUUddUV1mUV178. 062UUUU

21、0.4520090（V） 0.637200127.4（V） 1.1200=220（V） 0.78200=156（V） 327引言引言多電平逆變器多電平逆變器(Multilevel Inverter)，就是，就是通過對直流側(cè)的分壓和通過對直流側(cè)的分壓和開關動作的不同組合，實現(xiàn)多電平階梯波電壓的輸出，從而使波開關動作的不同組合，實現(xiàn)多電平階梯波電壓的輸出，從而使波形更加正弦化形更加正弦化。分類：分類：二極管中點鉗位型、飛跨電容型、單元串聯(lián)型二極管中點鉗位型、飛跨電容型、單元串聯(lián)型多電平逆變多電平逆變電路等。其中，二極管中點鉗位型三電平逆變器又稱電路等。其中，二極管中點鉗位型三電平逆變器又稱NPC（

22、Neutral Point Clamped）三電平逆變器。）三電平逆變器。這種逆變拓撲在開關器件承受相對兩電平結(jié)構二分之一壓降和更這種逆變拓撲在開關器件承受相對兩電平結(jié)構二分之一壓降和更低的開關頻率情況下，得到與兩電平相同或者更好的輸出波形。低的開關頻率情況下，得到與兩電平相同或者更好的輸出波形。三電平拓撲在高壓大功率場合中應用時，一方面降低了器件承受三電平拓撲在高壓大功率場合中應用時，一方面降低了器件承受的開關應力，減小器件的開關損耗；另一方面降低了電路運行中的開關應力，減小器件的開關損耗；另一方面降低了電路運行中的的du/dt 、di/dt和輸出波形諧波含量等。因此，三電平變換器已和輸出波

23、形諧波含量等。因此，三電平變換器已經(jīng)在高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)、電力系統(tǒng)有源濾波和動態(tài)無功補經(jīng)在高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)、電力系統(tǒng)有源濾波和動態(tài)無功補償?shù)阮I域得到了高泛的研究與應用。償?shù)阮I域得到了高泛的研究與應用。4.4.2 多電平逆變電路多電平逆變電路284.4.2 多電平逆變電路多電平逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3圖圖4-9 三相電壓型橋式逆變電路三相電壓型橋式逆變電路 圖圖4-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 回顧圖回顧圖4-9三相電壓型

24、橋式三相電壓型橋式逆變電路和圖逆變電路和圖4-10的波形，的波形，以以N為參考點，輸出相電壓為參考點，輸出相電壓有有Ud/2和和-Ud/2兩種電平，稱兩種電平，稱為為兩電平逆變電路兩電平逆變電路。294.4.2 多電平逆變電路多電平逆變電路圖圖4-25 三電平逆變電路三電平逆變電路 NPC三電平逆變電路三電平逆變電路 電路分析電路分析 每橋臂由兩個全控器件串每橋臂由兩個全控器件串聯(lián)構成，兩者都聯(lián)構成，兩者都反并聯(lián)了二極管反并聯(lián)了二極管，且且中點通過鉗位二極管和直流側(cè)中中點通過鉗位二極管和直流側(cè)中點相連點相連 。 以以U相相為例分析工作情況為例分析工作情況 V11和和V12（或（或VD11和和V

25、D12）導通，）導通，V41和和V42關斷時，關斷時，UO間電位差為間電位差為Ud/2。 V41和和V42（或（或VD41和和VD42）導通，）導通，V11和和V12關斷時，關斷時，UO間電位差為間電位差為-Ud/2。 V12和和V41導通，導通，V11和和V42關斷時，關斷時，UO間電位差為間電位差為0。 V12和和V41不能同時導通，不能同時導通，iU0時，時，V12和和VD1導通，導通，iU0時，時，V41和和VD4導通。導通。304.4.2 多電平逆變電路多電平逆變電路 線電壓的電平線電壓的電平 相電壓相減得到線電壓。相電壓相減得到線電壓。 兩電平逆變電路的輸出線電壓有兩電平逆變電路的

26、輸出線電壓有Ud和和0三種電平，三種電平，三電平逆變電路的輸出線電壓有三電平逆變電路的輸出線電壓有Ud、Ud/2和和0五種電五種電平。平。 相對于兩電平逆變電路，三電平逆變電路輸出更多相對于兩電平逆變電路，三電平逆變電路輸出更多電平的階梯波電壓從而使波形更加正弦化，因而其電平的階梯波電壓從而使波形更加正弦化，因而其電壓電壓諧波諧波可大大減少?？纱蟠鬁p少。 三電平逆變電路另一突出優(yōu)點：每個主開關器件承三電平逆變電路另一突出優(yōu)點：每個主開關器件承受電壓為直流側(cè)電壓的一半。受電壓為直流側(cè)電壓的一半。用與三電平電路類似的方法，還可構成五電平、七電平用與三電平電路類似的方法，還可構成五電平、七電平等更多電平的電路，三電平及更多電平的逆變電路統(tǒng)稱等更多電平的電路，三電平及更多電平的