逆變電力電子技術.ppt

第四章逆變電路,逆變逆變與整流相對應，直流變成交流交流側接電網，為有源逆變交流側接負載，為無源逆變本章講述無源逆變逆變與變頻變頻電路：交交變頻和交直交變頻兩種交直交變頻由交直變換和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變,引言,逆變電路的應用蓄電池、干電池、太陽能電池等直流電源向交流負載供電時，需要逆變電路交流電機調速用變頻器、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本章僅講述逆變電路基本內容，第7章和第10章進一步展開有關逆變電路的內容,4.1換流方式,4.1.1逆變電路的基本工作原理單相橋式逆變電路為例S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正圖4-1逆變電路及其波形舉例,4.1.1逆變電路的基本工作原理,S1S4斷開，S2S3閉合時，uo為負，把直流電變成交流電改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同（圖4-1b）t1前：S1、S4通，uo和io均為正t1時刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負，但io不能立刻反向io從電源負極流出，經S2、負載和S3流回正極，負載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時刻降為零，之后io才反向并增大,4.1.2換流方式分類,換流電流從一個支路向另一個支路轉移的過程，也稱換相開通：適當的門極驅動信號就可使其開通關斷：全控型器件可通過門極關斷半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關斷一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反壓，才能關斷研究換流方式主要是研究如何使器件關斷本章換流及換流方式問題最為全面集中,因此在本章講述,4.1.2換流方式分類,1.器件換流利用全控型器件的自關斷能力進行換流（DeviceCommutation）2.電網換流由電網提供換流電壓稱為電網換流（LineCommutation）可控整流電路、交流調壓電路和采用相控方式的交交變頻電路不需器件具有門極可關斷能力，也不需要為換流附加元件3.負載換流由負載提供換流電壓稱為負載換流（LoadCommutation）負載電流相位超前于負載電壓的場合，都可實現負載換流負載為電容性負載時，負載為同步電動機時，可實現負載換流,4.1.2換流方式分類,基本的負載換流逆變電路：采用晶閘管負載：電阻電感串聯后再和電容并聯，工作在接近并聯諧振狀態(tài)而略呈容性電容為改善負載功率因數使其略呈容性而接入直流側串入大電感Ld，id基本沒有脈動,圖4-2負載換流電路及其工作波形,4.1.2換流方式分類,工作過程（工作波形圖4-2b）4個臂的切換僅使電流路徑改變，負載電流基本呈矩形波負載工作在對基波電流接近并聯諧振的狀態(tài)，對基波阻抗很大，對諧波阻抗很小，uo波形接近正弦t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3斷，uo、io均為正，VT2、VT3電壓即為uot1時：觸發(fā)VT2、VT3使其開通，uo加到VT4、VT1上使其承受反壓而關斷，電流從VT1、VT4換到VT3、VT2t1必須在uo過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成,4.1.2換流方式分類,4.強迫換流設置附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強迫換流（ForcedCommutation）通常利用附加電容上儲存的能量來實現，也稱為電容換流直接耦合式強迫換流由換流電路內電容提供換流電壓VT通態(tài)時，先給電容C充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關斷,圖4-3直接耦合式強迫換流原理圖,4.1.2換流方式分類,電感耦合式強迫換流：通過換流電路內電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流兩種電感耦合式強迫換流：圖4-4a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內關斷圖4-4b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內關斷,圖4-4電感耦合式強迫換流原理圖,給晶閘管加上反向電壓而使其關斷的換流也叫電壓換流（圖4-3）先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯二極管使其加反壓的換流叫電流換流,4.1.2換流方式分類,器件換流適用于全控型器件其余三種方式針對晶閘管器件換流和強迫換流屬于自換流電網換流和負載換流外部換流當電流不是從一個支路向另一個支路轉移，而是在支路內部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅,逆變電路概述,1按換流方式分類：a.有源逆變電路：利用電網電壓作為換流電壓，以強制逆變電路導電臂間電流的轉移，且關斷退出工作的開關器件（MOSFET，GTR，IGBT）。b.負載換流逆變電路：適用于能夠提供超前電流的負載，利用負載端壓作為換流電壓。c.自換流逆變電路:利用自關斷元件構成逆變電路，或在晶體管逆變電路中設置獨立的換流電路。,2按逆變電的結構分類：a.橋式電路,與整流電路對比，電源與負載的位置正好倒置電源負載整流中：交流電網濾波器及其直流負載逆變中：直流電源交流負載（阻性、感性或反電動勢等）,b.零式電路：負載中帶有電感L，T1和T2交替導通和截止，負載電路得到交替變化的電壓和電流。,單相電路：主要應用于不間斷電源（UPS）。恒壓恒頻電源中等。三相電路：應用于交流電機變頻調速等。,4按輸出電壓的調壓方式分：a.對逆變電路入端直流電壓進行調節(jié)，圖.a,bb.在逆變電路出端對交流電壓進行調節(jié)。.dc.在逆變電路內部進行調壓，兼有變頻和調壓的功能。圖.c，這種方式具有調節(jié)速度快，結構簡單，轉換效率和入端功率因數高等優(yōu)點。,3按逆變電路輸出交流相數分：,圖：1.可控整流電路。2不控整流。3變頻逆變。4變頻變壓逆變。5交流電動機。6變壓器。7斬波器,5按輸入能量儲存方式劃分：逆變電路在感性或容性負載下除輸出有功功率之外，電路中尚有無功功率，后者在逆變電路和直流側儲能元件間來回流傳。,a.電壓型逆變電路-直流側并聯大電容Cd，使ud=Ud.-Cd不僅起濾波作用，而且起著維持電能平衡的作用，當逆變器開關輪番以不同的工作狀態(tài)工作時，Cd輪番貯存和釋放電能，使無功功率在電路中來回流傳。-電壓型逆變電路輸出負載一般為感性。若接容性負載，則須在輸出端串入電感。以避免電壓源_電容回路在逆變器開關元件開關瞬間出現過電流。-橋式電路中，采用縱向換流，換流在每相上、下橋臂間進行。-每相上、下橋臂不能同時導通，否則將直通短路。,b.電流型逆變器，圖5-3.,-直流側串聯大電感，id=Id。-Ld不僅起平滑電流，而且起維持電能平衡的作用。（即提供無功能量）-輸出負載一般為容性。若需接感性負載，則輸出端需并聯電容。以避免電流源電感割集。防止開關瞬間過電壓。-橋式電路中，采用橫向換流，換流在上或下橋臂組各元件之間進行。-上橋臂組或下橋臂組各元件不能同時關斷，否則Ld中能量無處釋放，逆變器將過壓損壞。,4.2電壓型逆變電路,電壓型逆變電路的特點(1)直流側為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動(2)輸出電壓為矩形波，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。為了給交流側向直流側反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯反饋二極管理想條件：（假設）a.逆變器開關元件由IGBT組成，IGBT具有理想門極控制特性。b.負載可等效為RL串聯電路，且均為線性定常元件。c.直流電源內阻極小，端壓恒定ud=Ud.d.忽略電路中的分布電感。e.逆變電路已達穩(wěn)態(tài)。,圖4-5電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路）,4.2.1,1半橋逆變電路電路結構工作原理V1和V2柵極信號在一周期內各半周正偏、半周反偏，互補uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2,圖4-6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形,設開關元件V1和V2的柵極信號在一個周期內各有半周正偏。且二者互補，當負載為阻感性時，其波形如圖5-6.b所示：a.0tt1,V1，V2截止，VD1通，負載電流方向：RLVD1UdC2，此時負載向電容Cd反饋無功能量。b.t1tt2,V1通，V2截止。負載電流方向：UdV1LRC2,此時負載消耗有功。c.t2tt3,V1、V2截止，VD2通。負載電流方向：LRC1UdVD2.此時負載向電容Cd反饋無功。d.t3tt4,V1截止，V2通。負載電流方向為：UdC1RLV2,此時負載消耗有功。,4.2.1單相電壓型逆變電路,io波形隨負載而異，感性負載時，(圖4-6b)V1或V2通時，io和uo同方向，直流側向負載提供能量VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側反饋,暫存在直流側電容中。VD1、VD2稱為反饋二極管,還使io連續(xù)，又稱續(xù)流二極管特點優(yōu)點：簡單，使用器件少能避免直流偏磁現象。缺點：交流電壓幅值Ud/2，直流側需兩電容器串聯，要控制兩者電壓均衡（簡單辦法加并聯電阻）用于幾kW以下的小功率逆變電源。功率變大，兩橋臂上電容流過的脈動電流過大，易損壞。單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合,3.單相全橋逆變電路,單相全橋逆變電路如下圖所示，電壓波形見下右圖。,它共有四個橋臂，橋臂1、4構成一對，2、3構成另一對，成對的兩個橋臂同時導通，兩對交替各導通180度。輸出電壓形狀同5-6.b.但幅值要高出一倍。為Um=Ud.a.0tt1.V1-V4截止，VD1、VD4導通。負載電流方向：LRVD1CdVD4,負載電感向電容Cd反饋無功。b.t1tt2.V1、V4通，V3、V2截止，負載電流方向：CdV1RLV4.負載電流，電壓同相，消耗有功。c.t2tt3,VD2和VD3通。V2-V3截止，負載電流方向：RLVD3CdVD2，負載電感向電容Cd反饋無功。d.t3tt4.V2、V3導通。V1和V4止，負載電流方向：CdV3LRV2,負載消耗有功。,由上分析可見，輸出電壓幅值以半橋電路提高了一倍。全橋逆變電路在單相逆變電路中應用最廣。把幅值為Ud的矩形波輸出電壓U。作付里葉級數展開可得：輸出電壓波形為鏡對稱波形，故輸出表達式中無偶次項和余弦項其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為：Uo1m=4Ud/=1.27Ud4-2Uo1=21.414Ud/=0.9Ud4-3思考：為什么基波幅值比直流電壓Ud高？上述公式對半橋電路也適用，只是式中的Ud成Ud/2.,4.單相全橋輸出電壓可調逆變電路,.前面分析的兩種逆變器不能實現輸出電壓的調節(jié)，要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。.同輸出電壓不可調電路相比，主電路結構相同，只是觸發(fā)脈沖所加方式不同,采用移相方式調節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱移相調壓各柵極信號為180正偏，180反偏，且V1和V2互補，V3和V4互補關系不變V3的基極信號只比V1落后q(0q180)V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180-quo成為正負各為q的脈沖，改變q即可調節(jié)輸出電壓有效值,圖4-7單相全橋逆變電路的移相調壓方式,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,b),u,G1,u,G2,u,G3,u,G4,u,o,i,o,t,1,t,2,t,3,i,o,u,o,a.0tt1。（即控制角）：電流過零前：VD4LRVD1Cd，無功返回過零后：V1RLV4Cd,消耗能量，U0=Udb.t1tt2。V1導通，VD3通，V3、V2、V4截止。負載電流方向：RLVD3V1，此時輸出短路，故輸出電壓Uo=0.c.t2tt3。在t2時刻V1截止，而V2不能立刻導通。故輸出電流過零前通路：VD2RLVD3Cd無功返回輸出電流過零后通路：Uo=-UdCdV3LRV2消耗能量d.t3t0。D1,3，D2,4導通時，負載電感中儲能反饋到Cd中，保證了負載電流連續(xù)。此時，Piu0。V1,2,V3,4在導通結束后立即進入正向阻斷，中間無承受反壓期。若用半控元件而不采取有效措施（強迫換流電路），則元件無法正常工作。io為非正弦波，其波形與負載有關。,4.2.2三相電壓型逆變電路,1.g=,純電阻性負載情況現假定：負載為星形連接，設RaRbRcR，中心點N電位UN0，門極控制信號寬度為g=，相鄰兩脈沖互差/3。（1）0wt/3，此時V5，V6，V1通，等效電路如圖49（b）uUN=uWN=+1/3*UduVN=2/3*Ud所以uUV=uUNuVN=Udi1=iv1=iu=uUN/Ra=Ud/3Ri5=iV5=iW=uWN/RC=Ud/3Ri3=iV3=0入端電流i=i1+i3+i5=2Ud/3RIm,（2）/3wt2/3，此時V6，V1，V2通，等效電路如圖59（c）uUN=+2/3*UduVN=uWN=-1/3*UduUV=uUNuVN=Udi1=iV1=iu=uUN/Ra=2Ud/3R，i3=i5=0,i=i1i2+i6=2Ud/3R（3）2/3wt，此時V1，V2，V3通，等效電路如圖59（d）uUN=+1/3*Ud=uVN，uWN=2/3*Ud,uUV=uUNuVN=0i1=iV1=iU=uUN/Ra=Ud/3R，i3=iV3=iV=Ud/3Ri5=iV5=0，i=i1+i3+i5=2Ud/3R,（4）wt4/3，此時V3，V4，V2通，等效電路如圖410（e）uUN=uWN=1/3*Ud，uVN=2/3*UduUV=uUNuVN=Udi1=iV1=0，i3=iV3=iV=2Ud/3R,i5=iV5=0i=i1+i3+i5=2Ud/3R同理還可分析其他區(qū)間波形及數量關系4/3wt2區(qū)間略,由圖410可見:輸出相電壓為六階梯波，輸出線電壓為四階梯波。逆變器入端電流,由于任一瞬間均由各橋臂中的開關管載流，i始終為正值，并保持恒定，即Cd中icd=0電流（可視作入端有大電感，近似恒流考慮）開關管導通結束后也沒有反壓期，立即承受正向電壓。開關管上下橋臂采用縱向換相，先斷后通，死區(qū)控制。下面對三相橋式逆變電路的輸出電壓進行定量分析。把輸出線電壓Uuv展開成傅立葉級數可得：式中，n6k1，k為自然數。,輸出線電壓有效值uUV為:Uuv=0.816Ud=其中基波幅值uUV1m和基波線電壓有效值uUV1分別為：,以下對負載相電壓uUN進行分析。把uUN展開成傅立葉級數得：式中，n6k1，k為自然數。負載相電壓有效值uUN為其中基波幅值UUN1m和基波有效值UUN1分別為：UUN1m=2Ud/=0.63UdUUN1=UUN1m/1.414=0.45Ud,=,=,p,w,p,2,0,471,.,0,2,1,2,d,UN,UN,U,t,d,u,U,2g=時，感性負載情況在前進的純電阻負載中，橋中每一導電臂僅由晶體管導通，二極管不導通，但在感性負載電路中，由于電感上的電流不能突變，導致上下橋臂換流時，將出現橋臂上二極管導通而續(xù)流的情況。因此在感性負載下，橋臂導電有以下模式：第一模式：三個導電臂均有晶體管導通，見圖410。此時電路中各相電壓的狀態(tài)分布同阻性負載。第二模式：二個晶體管和一個二極管導通，見圖410。,總之，對于電感性負載，在上、下兩橋臂換流過程中，需要被換橋臂上的二極管光續(xù)流，（此時被換橋臂上的開關管由于承受負載回路電感上的反壓而截止），直至負載回路的電流降至零后，被換橋臂之開關才導通。在2周期內，主控開關和二極管的（在/3時）負載阻抗的導通順序為：,電流型逆變電路主要特點(1)直流側串大電感，電流基本無脈動，相當于電流源。,4.3電流型逆變電路,直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。,圖4-11電流型三相橋式逆變電路,(2)交流輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關。輸出電壓波形和相位因負載不同而不同。(3)直流側電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關器件反并聯二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應用較多。換流方式有負載換流、強迫換流。,4.3.1單相電流型逆變電路,1)電路原理,圖412單相橋式電流型（并聯諧振式）逆變電路,由四個橋臂構成，每個橋臂的晶閘管各串聯一個電抗器，用來限制晶閘管開通時的di/dt。工作方式為負載換相。電容C和L、R構成并聯諧振電路。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。,4.3.1單相電流型逆變電路,圖413并聯諧振式逆變電路工作波形,2)工作分析,一個周期內有兩個導通階段和兩個換流階段。,t1t2：VT1和VT4穩(wěn)