电力电子技术：第11讲 逆变电路

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1、 电力电子技术电力电子技术 第4章 逆变电路 电力电子技术电力电子技术 4.1 换流方式4.2 电压型逆变电路4.3 电流型逆变电路 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 电力电子技术电力电子技术 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，为有源逆变有源逆变；交流侧接负载，为无源逆变无源逆变。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。本章讲述无源逆变 电力电子技术电力电子技术 主要应用：各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等需要这些电源向交流负载供电时就需要逆变电路；交流电机调速用变频器、不间

2、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。电力电子技术电力电子技术 4.1 换相方式4.1.1 无源逆变电路基本工作原理图4-1 无源逆变电路基本原理 S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。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。电力电子技术电力电子技术 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率；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。图4-1 无源逆变电路基本原理 电力电子技术电力电子技术 4.1.2 换相方式分类 换相电流从一个支路

3、向另一个支路转移的过程，也称为换流。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。研究换相方式主要是研究如何使器件关断。电力电子技术电力电子技术 器件换相 利用全控型器件的自关断能力进行换相。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相；电网换相 电网提供换相电压的换流方式。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；电力电子技术电力电子技术 负载换相 由负

4、载提供换相电压，凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合都可实现负载换相。电力电子技术电力电子技术 图4-2 负载换流电路及其工作波形 负载换相逆变器的基本电路如图所示，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，谐振频率近似等于基波频率，负载对基波频率阻抗最大，故uo接近正弦波。id 基本没有脉动，io为矩形波触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换相顺利完成。电力电子技术电力电子技术 电容换相 定义：设置附加的换相电路，由换向电路内的电容提供换相电压。又称强迫换相或脉冲换相 分类直接耦合式电容换相由换流电路内电容直接提供换流电压。电感耦合式电

5、容换相通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。电力电子技术电力电子技术 图4-3 直接耦合式强迫换流原理图图4-4 电感耦合式强迫换流原理图 直接耦合式电容换相 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；电感耦合式电容换相 先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压。电力电子技术电力电子技术 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。电力电子技术电力电子技术 4

6、.2 电压型逆变电路1、逆变电路的分类电压型逆变电路又称电压源型逆变电路电流型逆变电路又称电流源型逆变电路2、电压型逆变电路的特点(1)直流侧并联大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗；直流侧是电压源直流侧是电流源 电力电子技术电力电子技术 图4-5 电压型全桥逆变电路(2)输出电压为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电流因负载阻抗不同而不同；(3)阻感负载时直流侧电容起缓冲无功能量的作用，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；电力电子技术电力电子技术 4.2.1 单相电压型逆变电路4.2.2 三相电压型逆变电路 电力电子技术电力电子技术 u

7、图4-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD21、半桥逆变电路工作原理 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。4.2.1 单相电压型逆变电路 电力电子技术电力电子技术 优点优点：电路简单，使用器件少。缺点缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流

8、侧需两电 容器串联，要控制两者电压均衡。应用应用：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。电力电子技术电力电子技术 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6-7 单相全桥逆变电路 电力电子技术电力电子技术 阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压移移相调压。相调压。图6-8 单相全桥逆变电路的移相调压方式a)tOtOtOtOtOq qb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo V

9、3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180-q。输出电压是正负各为q 的脉冲。改变q 就可调节输出电压。电力电子技术电力电子技术 3、带中心抽头变压器的逆变电路图6-8 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1：1：1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。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。电力电子技术电力电子技术 图6-8 带中心抽头变压器的逆变电路与全桥电路的比较 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

10、一个变压器。电力电子技术电力电子技术 图6-9 三相电压型桥式逆变电路4.2.2 三相电压型逆变电路 电力电子技术电力电子技术 基本工作方式180导电方式图6-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3 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。电力电子技术电力电子技术 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=

11、-Ud/2。负载线电压 负载相电压U VU N V N V WV N W N W UW N U N uuuuuuuuuU NU N N N V NV N N N W NW N N N uuuuuuuuu 电力电子技术电力电子技术 负载中点和电源中点间电压 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是 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。NN UN VN W N UNVNW N11()()33uuuuuuuN N U N V N W N 1()3uuuu 电力电子技术电力电子技术 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”