電力電子DC-AC逆變

1、 直流/交流變換器1電力電子技術(shù)DC-AC逆變4 4 直流直流/ /交流逆變器交流逆變器4.0 4.0 換流方式換流方式4.1 4.1 逆變器的類型和性能指標(biāo)逆變器的類型和性能指標(biāo)4.2 4.2 電壓型單相方波逆變電路工作原理電壓型單相方波逆變電路工作原理4.4.3 3 三相逆變電路工作原理三相逆變電路工作原理電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.0 換流方式換流方式電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.0.0 引言引言q逆變的概念逆變的概念 逆變逆變與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。交流側(cè)接負(fù)載，為交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變。逆變與變頻逆

2、變與變頻變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組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。成，后一部分就是逆變。q主要應(yīng)用主要應(yīng)用q各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。q交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。電力電子技術(shù)DC-AC逆變以以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

3、4.0.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理逆變電路及其波形舉例負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。電力電子技術(shù)DC-AC逆變S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載時(shí)，負(fù)載電壓電壓uo為為正。S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓時(shí)，負(fù)載電壓uo為為負(fù)。直流電交流電電力電子技術(shù)DC-AC逆變逆變電路最基本的工作原理 改變兩改變兩組開關(guān)切換頻率，可組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。改變輸出交流電頻率。 逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流i io o和u uo

4、 o的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載阻感負(fù)載時(shí)，i io o相位滯后于u uo o，波形也不同。電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.0.2 換流方式分類換流方式分類換流電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為的過程，也稱為換相。開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號就可使器件開通。關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷。一般在晶閘管電流過零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。本章?lián)Q流及換流方式問題最為全面集中,因此安排在本章集中講述。電力電子技術(shù)DC-AC逆變1) 器件換流器件換流（Device Commutat

5、ion）q利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。q在采用在采用IGBT 、電力電力MOSFET 、GTO 、GTR等等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。全控型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）q電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。q將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3) 負(fù)載換流

6、負(fù)載換流（Load Commutation）4) 強(qiáng)迫換流強(qiáng)迫換流（Forced Commutation）電力電子技術(shù)DC-AC逆變 負(fù)載換流電路 及其工作波形 q 由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。q 負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。的場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。q 如圖是基本的如圖是基本的負(fù)載換流電路，電路，4個(gè)橋臂均由晶閘管組成。個(gè)橋臂均由晶閘管組成。q 整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。態(tài)而略呈容性。q 直流側(cè)串電感，工作過程可認(rèn)為直流側(cè)串電感，工作過程可認(rèn)為id 基本沒有脈動(dòng)。

7、基本沒有脈動(dòng)。q 負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小。所以阻抗小。所以uo接近正弦波。q 注意觸發(fā)觸發(fā)VT2、VT3的的時(shí)刻時(shí)刻t t1必須必須在在uo o過零前并留有足夠的裕量，過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。才能使換流順利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4電力電子技術(shù)DC-AC逆變4)強(qiáng)迫換流強(qiáng)迫換流（Forced Commutation）由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓直接耦合式強(qiáng)迫換流通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流電感耦合式強(qiáng)迫換流設(shè)置附加

8、的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流強(qiáng)迫換流。 通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流電容換流。分類電力電子技術(shù)DC-AC逆變直接耦合式強(qiáng)迫換流強(qiáng)迫換流 當(dāng)晶閘管當(dāng)晶閘管VTVT處于通態(tài)處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容充電。當(dāng)時(shí)，預(yù)先給電容充電。當(dāng)S S合上，就可使合上，就可使VTVT被施加被施加反壓而關(guān)斷。反壓而關(guān)斷。 也叫也叫電壓換流。 直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式電感耦合式強(qiáng)迫換流 先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓。 也叫電流換流電流換流。電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.0.3 PWM所謂P

9、WM就是在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖，以達(dá)到控制頻率、電壓、電流和抑制諧波的目的。電力電子技術(shù)DC-AC逆變q換流方式總結(jié)：換流方式總結(jié)：器件換流器件換流適用于全控型器件。適用于全控型器件。其余三種方式其余三種方式針對晶閘管。針對晶閘管。器件換流和強(qiáng)迫換流器件換流和強(qiáng)迫換流屬于自換流。屬于自換流。電網(wǎng)換流和負(fù)載換流電網(wǎng)換流和負(fù)載換流屬于外部換流。屬于外部換流。當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移，而當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)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。電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.1 逆變器

10、的類型和性能指標(biāo)逆變器的類型和性能指標(biāo)4.1.1 4.1.1 逆變器的類型逆變器的類型4.1.2 4.1.2 逆變器輸出波形性能指標(biāo)逆變器輸出波形性能指標(biāo)4.1.3 4.1.3 其他指標(biāo)其他指標(biāo)電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.1.1 逆變器的類型逆變器的類型 電壓型逆變器電壓型逆變器VSI VSI 單相半橋單相半橋 單相全橋單相全橋 推挽逆變推挽逆變 三相橋三相橋 電流型逆變器電流型逆變器CSI CSI 依據(jù)直流電源的特性不同可分為依據(jù)直流電源的特性不同可分為：按輸出電壓不同分為按輸出電壓不同分為CVCFCVCF、VVVFVVVF、脈沖型脈沖型按逆變器電路結(jié)構(gòu)不同分為：按逆變器電路結(jié)構(gòu)不同分為：

11、 按開關(guān)器件不同及換流關(guān)斷方式不同分類：按開關(guān)器件不同及換流關(guān)斷方式不同分類：自關(guān)斷、強(qiáng)迫關(guān)斷、有源逆變、負(fù)載反電動(dòng)勢、負(fù)載自關(guān)斷、強(qiáng)迫關(guān)斷、有源逆變、負(fù)載反電動(dòng)勢、負(fù)載諧振換流逆變器。諧振換流逆變器。電力電子技術(shù)DC-AC逆變Z Z3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aaiC CDVDiZ Z3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aaiL LDVDit t負(fù)負(fù)載載電電壓壓1T驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)4T1T驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)4T2T驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)3TabV0 0DVDVt t負(fù)負(fù) 載載 電電 流流1T驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng)4T1T驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng)4T2T驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng)3Tabi0 0DIDI電壓型逆變器電壓型逆變器VSI電流型逆變器電

12、流型逆變器CSI電力電子技術(shù)DC-AC逆變Z1oC2oCDV1T2T1D2DaianZ ZDV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da adiai單相半橋單相半橋單相全橋單相全橋電力電子技術(shù)DC-AC逆變* * *a ab bA AB BO ODV1T2T1D2D負(fù)載負(fù)載* *推挽式單相逆變電路推挽式單相逆變電路2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2Taibicia ab bc cPQ0 0電壓型三相橋式逆變電路電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.1.2 逆變器輸出波形性能指標(biāo)逆變器輸出波形性能指標(biāo)1/)1(VVHFnn 諧波系數(shù)諧波系數(shù) 232221221212 , 12121

13、214 , 3 , 2211VV)11)2(VVVVVVVTHDVVTHDnnnn（總諧波系數(shù)總諧波系數(shù)DV180 方方波VVVVVD 33.0/133 VVHF2 .05 HF48.021212 VVVTHDDX-Axis0 0tt 方波 方波2To180DV)(1tv電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.1.2 逆變器輸出波形性能指標(biāo)（續(xù)）逆變器輸出波形性能指標(biāo)（續(xù)）ABCDRLV VD DS1S2S3S4C( (a a) ) 基基本本逆逆變變電電路路0v1vX-Axis1vD DovV VD D0 0 t tC Cov2T畸變系數(shù)畸變系數(shù)DFDF逆變電路輸出的逆變電路輸

14、出的n n次諧波有效值次諧波有效值V Vn n經(jīng)經(jīng)LCLC濾波后在負(fù)載上的濾波后在負(fù)載上的n n次諧波電壓次諧波電壓V VLnLn為為: : 11122 LCnVcncnLnVVnnLn 2020222)( nVnVLCnVVnnnLn 21224 , 3, 212n122)(1:n nVVDFnHFVnVDFnnnnnn總畸變系數(shù)總畸變系數(shù)次諧波的畸變系數(shù)次諧波的畸變系數(shù)第第倍，倍，次諧波衰減了次諧波衰減了電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.1.3 其他指標(biāo)其他指標(biāo)q逆變器的性能指標(biāo)除輸出波形性能指標(biāo)外，還應(yīng)包逆變器的性能指標(biāo)除輸出波形性能指標(biāo)外，還應(yīng)包 括：括：q逆變效率逆變效率q單位重量（或單

15、位體積）輸出功率單位重量（或單位體積）輸出功率q可靠性指標(biāo)可靠性指標(biāo)q逆變器輸入直流電流中交流分量的數(shù)值和脈動(dòng)頻率逆變器輸入直流電流中交流分量的數(shù)值和脈動(dòng)頻率q電磁干擾電磁干擾EMIEMI及電磁兼容性及電磁兼容性EMCEMC電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.2 電壓型單相方波逆電路工作原理電壓型單相方波逆電路工作原理4.2.1 4.2.1 電壓型單相全橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路4.2.2 4.2.2 電壓型單相半橋逆變電路電壓型單相半橋逆變電路4.2.3 4.2.3 變壓器中心抽頭推挽式變壓器中心抽頭推挽式( (Push-Pull)Push-Pull)單相逆變電單相逆變電路路電力電子技術(shù)DC

16、-AC逆變4.2.1 電壓型單相全橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路(a)電路Z ZDV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aDiaittt(b)負(fù) 載 電 壓(c)電 阻 負(fù) 載 電 流 波 形(d)電 感 負(fù) 載 電 流 波 形t(e)R-L負(fù) 載 電 流 波 形(f)輸 入 電 流 波 形1T驅(qū) 動(dòng)4T1T驅(qū) 動(dòng)4T2T驅(qū) 動(dòng)3TabVaiai000000T40T430T20T1T4T2T3T2D3D4D1D1T4T2T3T2T3T1T4TR負(fù) 載L負(fù) 載aiRL負(fù) 載2tDi2D3D1D4DT1T1、T4T4與與T2T2、T3T3 交替通、斷交替通、斷電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.

17、2.1 電壓型單相全橋逆變電路（續(xù)）電壓型單相全橋逆變電路（續(xù)）(a)電路Z ZDV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aDiai不同負(fù)載時(shí)，不同負(fù)載時(shí)，D D、T T導(dǎo)電情況不同導(dǎo)電情況不同T T導(dǎo)電供電，導(dǎo)電供電，D D導(dǎo)電導(dǎo)電續(xù)流（反回）續(xù)流（反回）t t( (b b) )負(fù)負(fù) 載載 電電 壓壓1T驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng)4T1T驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng)4T2T驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng)3T0 0v va ab b圖圖 4 4. .3 3 D202D0, 5 , 3, 102)sin(4VdtVTVtnnVtvTabDnab 總有效值總有效值 DDD19 . 02224VVVV 基波有效值基波有效值電阻負(fù)載電阻負(fù)載 電感電感

18、負(fù)載負(fù)載 阻感負(fù)載阻感負(fù)載電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.2.2 電壓型單相半橋逆變電路電壓型單相半橋逆變電路 電容分壓，半橋電路電容分壓，半橋電路 T1T1、T2T2交替通、斷交替通、斷 二級管二級管D D的功用的功用 R R、L L負(fù)載時(shí)，負(fù)載時(shí)，T T、D D交替交替導(dǎo)電導(dǎo)電(a)電路(a)電路Z1oC2oCDV1T2T1D2Daian電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.2.2 電壓型單相半橋逆變電路（續(xù)）電壓型單相半橋逆變電路（續(xù)）( (a a) )電電路路Z1oC2oCDV1T2T1D2Daiant t0DV21anv( (b b) )電電壓壓波波形形1T2T驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)20T0T230Ttnn

19、VvDnan sin2,5,3, 1 DD1D145. 022sin2VVVtVva 基波基波)sin()(2)(221tLRVtia電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.2.3 q 僅二個(gè)開關(guān)僅二個(gè)開關(guān)T1、T2輪流導(dǎo)電輪流導(dǎo)電180度度q 開關(guān)管斷態(tài)電壓高一開關(guān)管斷態(tài)電壓高一倍倍 2VDq 要輸出變壓器要輸出變壓器q 適用于低壓小功率、適用于低壓小功率、須隔離的應(yīng)用須隔離的應(yīng)用* * *a ab bA AB BO ODV1T2T1D2D負(fù)載負(fù)載* *變壓器中心抽頭推挽式單相逆變電路變壓器中心抽頭推挽式單相逆變電路電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.3 三相逆變電路工作原理三相逆變電路工作原理4.4.3.

20、1 3.1 電壓型三相逆變工作原理電壓型三相逆變工作原理 3.2 電流型三相逆變工作原理電流型三相逆變工作原理電力電子技術(shù)DC-AC逆變4.3.1 電壓型三相逆變工作原理電壓型三相逆變工作原理逆變器1逆變器2逆變器3+-ADBECFCFVcnVbnVBEVanVADVabcn（a）框圖三個(gè)相差三個(gè)相差120120度的單相逆變器組成一個(gè)三相逆變器度的單相逆變器組成一個(gè)三相逆變器電力電子技術(shù)DC-AC逆變2dV2dVABCFED1T1D3D3T5T5D2D2T6T6D4D4T5D5T 3T 3D1D1T 4T 4D6T 6D2D2T （b）電路圖三個(gè)相差三個(gè)相差120120度的單相逆

21、變器組成一個(gè)三相逆變器度的單相逆變器組成一個(gè)三相逆變器 A A相相：T1T1、T4T4、T1T1、T4T4 B B相相：T3T3、T6T6、T3T3、T6 T6 C C相：相：T5T5、T2T2、T5T5、T2T2電力電子技術(shù)DC-AC逆變2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2Taibicia ab bc cP PQ Q0 0（a）電路t0abv 2t0bcv 22tcav06Tt06gVdV332 34 35 t021gV1Tt02gV2Tt03gV3Tt04gV4Tt05gV5T3Ty（b b） 導(dǎo)導(dǎo)電電波波形形o180（2 2）三相橋式逆變器）三相橋式逆變器12361

22、2561456345234123180 開開關(guān)關(guān)導(dǎo)導(dǎo)電電順順序序?yàn)闉椋荷仙?、下下開開關(guān)關(guān)互互補(bǔ)補(bǔ)導(dǎo)導(dǎo)電電，時(shí)時(shí)導(dǎo)導(dǎo)電電。任任何何時(shí)時(shí)候候有有三三個(gè)個(gè)開開關(guān)關(guān)同同，每每個(gè)個(gè)開開關(guān)關(guān)導(dǎo)導(dǎo)電電電力電子技術(shù)DC-AC逆變2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2Taibicia ab bc cP PQ Q0 0電路電路aibiciabibcicaia ab bc cca aaibiciabibcicai三角形負(fù)載三角形負(fù)載a ab bc caVain ncibic ccaV.abV.bcV.anV.a abbnV.cnV.n1.531 1caV. 星形負(fù)載星形負(fù)載電力電子技術(shù)DC-AC逆變t0 0abv2t0 0bcv22tcav0 0tanv0 0t0 0tbnv0 0cnvdVMdV32dV313 32 34 35 o180 導(dǎo)導(dǎo)電電波波形形電力電子技術(shù)DC-AC逆變t0 0abv2tanv0 0dVM MdV32dV31ddmVVV636. 021 tttttVtvdan 13cos13111cos