修改稿第5章逆变电路ppt课件

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1、l一、一、逆变器的性能与分类逆变器的性能与分类 l二、电力器件的换流方式与逆变电路的二、电力器件的换流方式与逆变电路的l 任务原理任务原理 l三、电压型逆变电路三、电压型逆变电路l四、电流型逆变电路四、电流型逆变电路 l 1 1定义：假设将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直定义：假设将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去，流电逆变成同频率的交流电反送到电网去，2 2运用：它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的运用：它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。l1 1定义：

2、逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到l负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交l流电供应负载，流电供应负载，l2 2运用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源运用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源l等方面运用非常广泛，是构成电力电子技术的重要内容。等方面运用非常广泛，是构成电力电子技术的重要内容。1 1、有源逆变、有源逆变:2 2、无源逆变：、无源逆变：电压型：电压型逆变器的输人端并接有大电容，输入电压型：电压型逆变器的输人端并接有大电容，输入直流电源为恒压源，逆变器将直流电压变换

3、成交流电压。直流电源为恒压源，逆变器将直流电压变换成交流电压。电流型：电流型逆变器的输入端串接有大电感，输入电流型：电流型逆变器的输入端串接有大电感，输入直流电源为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为交直流电源为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出。流电流输出。1 1、根据输入直流电源特点分类、根据输入直流电源特点分类 半桥式逆变电路；半桥式逆变电路；全桥式逆变电路；全桥式逆变电路；推换式逆变电路；推换式逆变电路；其他方式：如单管晶体管逆变电路。其他方式：如单管晶体管逆变电路。2 2、根据电路的构造特点分类、根据电路的构造特点分类 负载换流型逆变电路；负载换流型逆变电路；脉冲换流型

4、逆变电路；脉冲换流型逆变电路；自换流型逆变电路。自换流型逆变电路。3 3、根据换流方式分类、根据换流方式分类4 4、根据负载特点分类、根据负载特点分类非谐振式逆变电路非谐振式逆变电路谐振式逆变电路谐振式逆变电路l 1 1、可以做成变频变压电源、可以做成变频变压电源VVVFVVVF，主要用于交，主要用于交流电动机调速。流电动机调速。2 2、可以做成恒频恒压电源、可以做成恒频恒压电源CVCFCVCF，其典型代表为，其典型代表为不延续电源不延续电源UPSUPS、航空机载电源、机车照明，通讯等、航空机载电源、机车照明，通讯等辅助电源也要用辅助电源也要用CVCFCVCF电源。电源。3 3、可以做成感应加

5、热电源，例如中频电源，、可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电源等。高频电源等。逆变器的用途非常广泛：逆变器的用途非常广泛：l一、一、逆变器的性能与分类逆变器的性能与分类 l二、电力器件的换流方式与逆变电路的二、电力器件的换流方式与逆变电路的l 任务原理任务原理 l三、电压型逆变电路三、电压型逆变电路l四、电流型逆变电路四、电流型逆变电路 l l 在图在图5.2.15.2.1中，中，T1T1、T2T2表示由两个电力表示由两个电力半导体器件组成的导电臂，当半导体器件组成的导电臂，当T1T1关断，关断，T2T2导通时，电流流过导通时，电流流过T2T2；当；当T2T2关断，关断，T1T1导通导通

6、时，电流时，电流i i从从T2T2转移到转移到T1T1。图图5.2.1 桥臂的换流桥臂的换流 电力半导体器件可以用切断或接通电流电力半导体器件可以用切断或接通电流的开关表示。的开关表示。l 定义：电流从一个臂向另一个臂转移的定义：电流从一个臂向另一个臂转移的过程称为换流或换相。过程称为换流或换相。1 1器件换流：利用电力电子器件本身一切的关断才器件换流：利用电力电子器件本身一切的关断才干进展换流称为器件换流。干进展换流称为器件换流。2 2电网换流：由电网提供换流电压使电力电子器件电网换流：由电网提供换流电压使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为电网换关断，实现电流从一个臂向另一

7、个臂转移称为电网换流。流。3 3负载换流：由负载提供换流电压，使电力电子器负载换流：由负载提供换流电压，使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为负载件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为负载换流。凡是负载电流的相位超前电压的场所，都可以换流。凡是负载电流的相位超前电压的场所，都可以实现负载换流。实现负载换流。普通来说，换流方式可分为以下四种：普通来说，换流方式可分为以下四种：l 在晶闸管在晶闸管T T处于导通形状时处于导通形状时,预预先给电容先给电容C C按图中所示极性充电。按图中所示极性充电。假设合上开关假设合上开关 S S，就可以使晶闸管，就可以使晶闸管T T被加反压而关

8、断。被加反压而关断。图图5.2.2 5.2.2 脉冲电脉冲电压压 换流原理图换流原理图 脉冲电压换流原理：脉冲电压换流原理：4 4脉冲换流：脉冲换流：设置附加的换流电路，由换设置附加的换流电路，由换流电路内的电容提供换流电压，控流电路内的电容提供换流电压，控制电力电子器件实现电流从一个臂制电力电子器件实现电流从一个臂向另一个臂转移称为脉冲换流，有向另一个臂转移称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或电容换流。时也称为强迫换流或电容换流。脉冲换流有脉冲电压换流和脉脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流。冲电流换流。晶闸管晶闸管T T处于导通形状时，处于导通形状时，预先给电容预先给电容C C按图中所示的极

9、按图中所示的极性充电。性充电。图图(a)(a)中，假设闭合开关中，假设闭合开关S S，LCLC振荡电流流过晶闸管，直到振荡电流流过晶闸管，直到其正向电流为零后，再流过二其正向电流为零后，再流过二极管极管D D。图图(b)(b)中，接通开关中，接通开关S S后，后，LCLC振荡电流先和负载电流叠加振荡电流先和负载电流叠加流过晶闸管流过晶闸管T T，经半个振荡周，经半个振荡周期期t=t=后，振荡电流反向流过后，振荡电流反向流过T T，直到，直到T T正向电流减至零以后正向电流减至零以后再流过二极管再流过二极管D D。图图5.2.3 5.2.3 脉冲电脉冲电流流 换流原理图换流原理图 脉冲电流换流原

10、理脉冲电流换流原理:这两种情况，都在晶闸管的正向电这两种情况，都在晶闸管的正向电流为零和二极管开场流过电流时晶闸管流为零和二极管开场流过电流时晶闸管关断，二极管上的管压降就是加在晶闸关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。管上的反向电压。l Ud为输入直流电压，为输入直流电压，R为逆变器为逆变器的输出负载。的输出负载。l 当开关当开关T1、T4闭合，闭合，T2、T3断断开时，逆变器输出电压开时，逆变器输出电压u0=Ud；l 当开关当开关T1、T4断开，断开，T2、T3闭闭合时，输出电压合时，输出电压 u0=Ud;l 当以频率当以频率fS交替切换开关交替切换开关T1、T4和和T2、T3

11、时，那么在电阻时，那么在电阻R上获得如上获得如图图5.2.4(b)所示的交变电压波形，其周所示的交变电压波形，其周期期Ts=1/fS，这样，就将直流电压，这样，就将直流电压E变变成了交流电压成了交流电压uo。uo含有各次谐波，含有各次谐波，假设想得到正弦波电压，那么可经过假设想得到正弦波电压，那么可经过滤波器滤波获得。滤波器滤波获得。图图5.2.4 5.2.4 单相桥式逆单相桥式逆变变 电路任务原理电路任务原理 1、主要功能、主要功能:图图5.2.4(a)中主电路开关中主电路开关T1T4，它实践是各种半导体开关器件的，它实践是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸

12、管、可关一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管断晶闸管GTO、功率晶体管、功率晶体管GTR、功率场效应晶体管、功率场效应晶体管MOSFET、绝缘栅晶体管、绝缘栅晶体管IGBT。将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供应负载。将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供应负载。2、任务原理：、任务原理：l一、一、逆变器的性能与分类逆变器的性能与分类 l二、电力器件的换流方式与逆变电路的二、电力器件的换流方式与逆变电路的l 任务原理任务原理 l三、电压型逆变电路三、电压型逆变电路l四、电流型逆变电路四、电流型逆变电路 l 它由两个导电臂构成，每个它由两个导电臂构成，每个导

13、电臂由一个全控器件和一个反并导电臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容相互串联的足够大的电容C1和和C2，且满足且满足C1=C2。设感性负载衔接在。设感性负载衔接在A、0两点间。两点间。T1和和T2之间存在死区时间，以之间存在死区时间，以防止上、下直通，在死区时间内两防止上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱动信号。晶闸管均无驱动信号。图图5.3.1 5.3.1 电压型半桥逆变电电压型半桥逆变电路路 及其电压电流波形及其电压电流波形 电压型逆变电路半桥逆变电压型逆变电路半桥逆变电路构造及波形：电路构造及波形：输出电压有效值为

14、输出电压有效值为:由傅里叶分析，输出电压瞬时值为由傅里叶分析，输出电压瞬时值为:其中，其中，为输出电压角频率。为输出电压角频率。当当 n=1时其基波分量的有效值为时其基波分量的有效值为:22122/0dTdSOUdtUTUS tnnUundo sin2,5,3,1 ddOUUU45.0221 (5.3.1)(5.3.2)(5.3.3)sf 2 图图5.3.1 5.3.1 电压型半桥逆电压型半桥逆变电路及其电压电流波形变电路及其电压电流波形 在一个周期内，电力晶体管在一个周期内，电力晶体管T1和和T2的的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。补。假设负载为阻

15、感负载，设假设负载为阻感负载，设t2时辰以前，时辰以前，T1有驱动信号导通，有驱动信号导通，T2截止，那么截止，那么 u0=Ud/2。t2时辰关断的时辰关断的T1，同时给，同时给T2发出导通发出导通讯号。由于感性负载中的电流讯号。由于感性负载中的电流i。不能立刻。不能立刻改动方向，于是改动方向，于是D2导通续流，导通续流，u0=Ud/2。t3时辰时辰i。降至零，。降至零，D2截止，截止，T2导通，导通，i。开场反向增大，此时依然有开场反向增大，此时依然有u0=Ud/2。在在t4时辰关断时辰关断T2，同时给，同时给T1发出导通发出导通讯号，由于感性负载中的电流讯号，由于感性负载中的电流i。不能立

16、刻。不能立刻改动方向，改动方向，D1先导通续流，此时依然有先导通续流，此时依然有u0=Ud/2；t5时辰时辰 i。降至零，。降至零，T1导通，导通，u0=Ud/2；图图5.3.1 5.3.1 电压型半桥逆电压型半桥逆变电路及其电压电流波形变电路及其电压电流波形 1 1电压型逆变电路半桥逆变电路电压型逆变电路半桥逆变电路任务原理：任务原理：缓冲电感反响的无功能量缓冲电感反响的无功能量缺陷：缺陷：1交流电压幅值仅为交流电压幅值仅为Ud/2；2直流侧需分压电容器；直流侧需分压电容器；3为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接接LC滤波器，输出滤波器滤波器，输出滤

17、波器LC滤除逆变器输滤除逆变器输出电压中的高次谐波。出电压中的高次谐波。l优点：优点：简单，运用器件少；简单，运用器件少；运用：用于几运用：用于几kW以下的小功率逆变电源；以下的小功率逆变电源；全控型开关器件全控型开关器件T1和和T4构构成一对桥臂，成一对桥臂，T2和和T3构成一对构成一对桥臂桥臂,T1和和T4同时通、断；同时通、断；T2和和T3同时通、断。同时通、断。T1(T)4与与T2(T3)的驱动信号互补，即的驱动信号互补，即T1和和T4有驱动信号时，有驱动信号时，T2和和T3无无驱动信号，反之亦然，两对桥驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通臂各交替导通180。图图5.3.2 5.3.

18、2 电压型单相全桥逆电压型单相全桥逆变变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 1电路任务过程：电路任务过程：l输出方波电压瞬时值：输出方波电压瞬时值：l输出方波电压有效值：输出方波电压有效值：l 基波分量的有效值：基波分量的有效值：图图5.3.2 5.3.2 电压型单相全桥逆电压型单相全桥逆变变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 (5.3.6)ddOUUU9.0241 dTdsOUdtUTUs 22/01tnnUundo sin4,5,3,1 (5.3.4)(5.3.5)同单相半桥逆变电路相比，在同单相半桥逆变电路相比，在一样负载的情况下，其输出电压和一样负载的情况下，其

19、输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。路的两倍。1 1纯电阻负载时纯电阻负载时 0tTs4，Ts2t3Ts4期期间，间，D1、D4导通起负载电流续流导通起负载电流续流作用，在此期间作用，在此期间T1 T4均不导通。均不导通。图图5.3.2 5.3.2 电压型单相全桥逆电压型单相全桥逆变变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 2 2电感负载时电感负载时22somodTILdtdiLU dsomULTI4 由由可得负载电流峰值为：可得负载电流峰值为：(5.3.7)0t期间，期间，T1和和T4有驱动信号，有驱动信号，由于电流由于电流i0为负值，为负

20、值，T1和和T4不导通，不导通，D1、D4导通起负载电流续流作用，导通起负载电流续流作用，u0=+Ud。t期间，期间，i0为正值，为正值，T1和和T4才导通。才导通。t+期间，期间，T2和和T3有驱动信有驱动信号，由于电流号，由于电流i0为负值，为负值，T2、T3不导通，不导通，D2、D3导通起负载电流续流作用，导通起负载电流续流作用，u0=Ud。+t2期间，期间，T2和和T3才导通。才导通。3 3阻感负载阻感负载RLRL时时图图5.3.2 5.3.2 电压型单相全桥逆电压型单相全桥逆变变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 图图5.3.2(e)所示是所示是RL负载时直流电源输负载时

21、直流电源输入电流的波形。图入电流的波形。图4.3.2(f)所示是所示是RL负载时负载时直流电源输入电流的波形。直流电源输入电流的波形。电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路的根本任务方式为的根本任务方式为180180导电导电型，即每个桥臂的导电角为型，即每个桥臂的导电角为180180，同一相上下桥臂交替，同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各相导电的纵向换流方式，各相开场导电的时间依次相差开场导电的时间依次相差120120。在一个周期内，在一个周期内，6 6个开关个开关管触发导通的次序为管触发导通的次序为T1T2 T1T2 T3 T4 T5T6 T3 T4 T5T6，依次，依次相隔相隔

22、6060，任一时辰均有三，任一时辰均有三个管子同时导通，导通的组个管子同时导通，导通的组合顺序为合顺序为T1T2T3T1T2T3，T2T3T4T2T3T4，T3T4T5T3T4T5，T4T5T6T4T5T6，T5T6T1T5T6T1，T6T1T2T6T1T2，每种组合任务，每种组合任务6060。图图5.3.3 5.3.3 电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路 1 1任务过程：任务过程：将一个任务周期分成将一个任务周期分成6个区域。个区域。在在00,ug20,ug30，那么有，那么有T1，T2，T3导通，导通，dcadbcabUuUuu0dcNdbNdaNUuUuUu323131 2各相

23、负载相电压和线电压各相负载相电压和线电压波形：波形：根据同样的思绪可得其他根据同样的思绪可得其他5 5个时域的值个时域的值线线电电压压相相电电压压图图5.3.4 5.3.4 电压型三相桥式逆变电路及其任务波形电压型三相桥式逆变电路及其任务波形式中式中Ud为逆变器输入直流电压。为逆变器输入直流电压。3负载相电压和线电压幅值分析：负载相电压和线电压幅值分析：利用博里叶分析，其相电压的瞬时值为：利用博里叶分析，其相电压的瞬时值为：tttttUudBN 13sin13111sin1117sin715sin51sin2 dmBNUU21 相电压基波幅值相电压基波幅值 (5.3.8)(5.3.9)由上式可

24、知，负载相电压中无由上式可知，负载相电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波次谐波幅值为基波幅值的幅值为基波幅值的1/n。其线电压的瞬时值为：其线电压的瞬时值为：tttttUudBC 13sin13111sin1117sin715sin51sin32线电压基波幅值线电压基波幅值 dmBCUU21(5.3.11)(5.3.10)由上式可知，负载线电压中无由上式可知，负载线电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波次谐波幅值为基波幅值的幅值为基波幅值的1/n。表表5.3.1三相桥式逆变电路的任务形状表三相桥式逆变电路的任务形状表l一

25、、一、逆变器的性能与分类逆变器的性能与分类 l二、电力器件的换流方式与逆变电路的二、电力器件的换流方式与逆变电路的l 任务原理任务原理 l三、电压型逆变电路三、电压型逆变电路l四、电流型逆变电路四、电流型逆变电路 l l 当当T1、T4导通，导通，T2、T3关断时，关断时，I0=Id；反之，；反之，I0=-Id。l 当以频率当以频率f交替切换开关管交替切换开关管T1、T4和和T2、T3时，那么在负载上获得时，那么在负载上获得如图如图 5.4.1b所示的电流波形。所示的电流波形。l 输出电流波形为矩形波，与电路输出电流波形为矩形波，与电路负载性质无关，而输出电压波形由负载性质无关，而输出电压波形

26、由负载性质决议。负载性质决议。l 主电路开关管采用自关断器件主电路开关管采用自关断器件时，假设其反向不能接受高电压，时，假设其反向不能接受高电压，那么需在各开关器件支路串入二极那么需在各开关器件支路串入二极管。管。图图5.4.1 5.4.1 电流型单相桥电流型单相桥式式 逆变电路及电流波形逆变电路及电流波形 l1电路任务过程：电路任务过程：防反相高压防反相高压恒流大电感恒流大电感其中基波幅值其中基波幅值I01mI01m和基波有效值和基波有效值I01I01分别为分别为(5.4.1)(5.4.2)(5.4.3)5sin513sin31(sin4 tttIido ddmIII27.1401 ddII

27、I9.02401 将图将图5.4.15.4.1b b所示的电流波形所示的电流波形i0i0展开成傅氏级数展开成傅氏级数,有有2电流波形参数计算：电流波形参数计算：图图5.4.1 5.4.1 电流型单相桥电流型单相桥式式 逆变电路及电流波形逆变电路及电流波形 导电方式为导电方式为120120导通、横向换流方式，导通、横向换流方式，恣意瞬间只需两个桥臂导通。恣意瞬间只需两个桥臂导通。导照射序为导照射序为1T2T3T4T5T61T2T3T4T5T6，依次间隔依次间隔6060，每个桥臂导通，每个桥臂导通120120。这。这样，每个时辰上桥臂组和下桥臂组中都样，每个时辰上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。各有一个臂导通。输出电流波形与负载性质无关。输出电流波形与负载性质无关。输出电压波形由负载的性质决议。输出电压波形由负载的性质决议。图图5.4.3 5.4.3 电流型三相桥式逆电流型三相桥式逆变电路原理图及输出电流波形变电路原理图及输出电流波形 (5.4.4)1任务方式任务方式:输出电流的基波有效值输出电流的基波有效值I01和直和直流电流流电流Id的关系式为：的关系式为：ddIII78.0601