电力电子技术 第5章 逆变电路.pdf

电力电子技术第5章逆变电路上海电力学院电子教研室电力电子技术第5章 逆变电路引言逆变概念逆变：整流的逆向变化过程，将直流电变成交流电。（DC-AC）交流侧接电网，交流侧接负载,本章讲述无源逆变 为有源逆变 为无源逆变逆变与变频的关系：变频电路：交交变频和交直交变频两种由 AC-DC 和 DC-AC两部分组成 一无源逆变故变频电源常称为逆变电源 八2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 2电力电子技术第5章 逆变电路 引言逆变电路的应用蓄电池直流电源 干电池 向交流负载供电时太阳能电池交流电机调速用变频器（VVVF电源）UPS CVCF电源）感应力口热电源（中频炉、感应淬火、感应透热）变速恒频发电技术第5章，仅讲述逆变电路基本内容第6章PWM控制技术 第8章组合变流电路 进一步展开有关逆变电路的内容2008-5-14上海电力学院电子技术教研室3电力电子技术第5章 逆变电路5.1换流方式5.1.1逆变电路的基本工作原理单相桥式逆 变电路为例Sp S4 闭合，s2S3断开时，负载 庖压”0为正%4个臂，由电力电子器 件及辅助电路组成1负载,切S1/52a)十4直 流 侧直流电变成了交流电！输出交流电。的频率，取决于两组开关切换频率;0的大小，取决于Ud的大小。图5-1逆 变电路及 其波形举 例、s4 断开，s2 s3 闭合，。为负4电力电子技术第5章 逆变电路 5.1换流方式5.1.1逆变电路的基本工作原理负载电流波形如何？电阻负载？阻感负载?电阻负载：io与o波形相同，相位相同；阻感负载：汨相位滞后于o,波形也不同。2008-5-14上海电力学院电子技术教研室5电力电子技术第5章 逆变电路 5.1换流方式5.1.2换流方式分类逆变电路在工作过程中，负载电流不断地从一个支路向另一个支路转移该过程称为换流，也称换相换流过程中，有的器件开通，有的器件关断研究换流方式主要是研究如何使器件关断四种换流方式：1.器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流(Device Commutation)2008-5-14上海电力学院电子技术教研室6电力电子技术第5章 逆变电路5.1换流方式5.1.2换流方式分类2.电网换流由电网提供换流电压称为电网换流(Line Commutation)应用：可控整流电路、交流调压电路、采用相控方式的交交变频电路不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件3.负载换流由负载提供换流电压称为负载换流(Load Commutation)应用：负载电流相位超前于负载电压的场合2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 75.1换流方式电力电子技术第5章 逆变电路5.1.2换流方式分类3.负载换流基本的负载换流逆变电路:感性负载 并联电容输出电流 为矩形波直流侧串入大电感金，。基本没有脉动图5-2负载换流电路 及其工作波形VT3VT4小于基波负载工作在接近并联谐振状态为什么负载工作在接近并联谐振状态?i。=基波+各奇次谐波负载并联谐振时对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，谐波在 负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦使负载略呈容性，以使。相位滞后于i。8电力电子技术第5章 逆变电路5.1.2换流方式分类工作过程;Z前：VT,VT4通,VT2 VT3 断,5.1换流方式。时：触发VT?、VT3使其开 通，加到VT4、V%上使其 承受反压而关断，电流从V%、VT2,VT2V相位滞【后于J6必须在。过零前，并留有足够 裕量，才能使换流顺利完成术教研室该段时间VT1、VT4承受反压电力电子技术第5章 逆变电路 5.1换流方式5.1.2换流方式分类4.强迫换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流(Forced Commutation)通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流直接耦合式强迫换流由换流电路内电容提供换流电压VT通态时，先给电容C充 电。合上S就可使品闸管 被施加反压而关断2008-5-14图5-3直接耦合式强 研至迫换流原理图10电力电子技术第5章 逆变电路 5.1换流方式5.1.2换流方式分类电感耦合式强迫换流通过换流电路内电容和电感耦合提品闸管 在LC 振荡第 一个半 周期内（关断2008-5-14上海电力学院电子技术教研室11电力电子技术第5章 逆变电路 5.1换流方式5.1.2换流方式分类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2008-5-14上海电力学院电子技术教研室12电力电子技术第5章 逆变电路5.2电压型逆变电路逆变电路按其直流电源性质不同分为两种一.电压型逆变电路或电压源型逆变电路二.电流型逆变电路或电流源型逆变电路 图5-1电路的具体实现电压型逆变电路的特点(1)直流侧为电压源或并联大电容,直流侧电压基本无脉动(2)输出电压为矩形波，输出电流_因负载阻抗不同而不同(3)阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供 通道，逆变桥各臂并联反馈二极管i研室电力电子技术第5章 逆变电路 5.2电压型逆变电路5.2.1单相电压型逆变电路1.半桥逆变电路工作原理:，Vi或丫2通时，。和、。同方向，直流侧+0向负载提供能量vP V2是何种 器件？名称？4Vi和丫2栅极信 号在一周期内各 半周正偏、半周I反偏，互补1R%人vj区火叫。,I ONy。为矩形波，幅q叫 q,丫1一 V”VVD,VD VD JVDi或VD2通时，i0 和。反向，电感中贮 能向直流侧反馈,VDP VD2称为反馈二 极管，还使，。连续，又 称续流二极普2008-5-145-(二 二、i。波形随负载而 异，感性负载时国的波形电力电子技术第5章 逆变电路 5.2电压型逆变电路5.2.1单相电压型逆变电路半桥逆变电路特点优点：简单，使用器件少缺点：交流电压幅值4/2，直流侧需两电容器串 联，要控制两者电压均衡用于几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2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 15电力电子技术第5章 逆变电路 5.2电压型逆变电路5.2.1单相电压型逆变电路2.全桥逆变电路电路结构及工作情况两个半桥 电路的组 合而J1和4一对,2和3另一对,成对桥臂同 时导通，两 对交替各导 通 180%UmO S，。波形和半桥电路的二、相同，幅值增加一倍J。波形同+桥曳 路的。，幅值高 出一倍%二力2008-5-14器件对应情况?hOTio电力电子技术第5章 逆变电路 5.2电压型逆变电路5.2.1单相电压型逆变电路输出电压定量分析:将 c展开成傅里叶级数:呼谐波丹谐波4Z 二一兀/1 1in 3%+sin 3co?+sin 5(f)t+L3(5-1)只含有基波和奇次谐波！5为什么？波形奇对称（正负两半周期 镜对称，见P154式61）其中基波幅值。学27/基波有效值UO1=X=o.9t/d兀都是以的函数J。为正负各180。时，要改变输出电压有效值只能改变M来实现2008-5-14 有否其他方法改变。大小?电力电子技术第5章 逆变电路 5.2电压型逆变电路5.2.1单相电压型逆变电路移相调压一q改变。大小的另一种方H通过改变。脉冲的宽度来实现如何改变。脉冲的宽度?采用移相方式2各栅极信号为180。正偏，180反偏，且Vi和丫2互补,丫3和V互补关系不变V3 V4的栅极信 号分别比V2、匕的前移1800田 Ay。成为正负各为e的脉 改变e即可调节输 以电压有效值 J5-7单相全桥逆变电路的移相调压方设电力电子技术第5章 逆变电路 5.2电压型逆变电路5.2.1单相电压型逆变电路3.带中心抽头变压器的逆变电路（自学）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力和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，。和九波形 及幅值与全桥逆变电路完全相同V与全桥电路的比较0比全桥电路少用一半开关器件0器件承受的电压为24，比全 桥电路高一倍。必须有一个变压器CM。耳，8带中心抽头变.上山广山2008叫也器正立变金窗 上海电力子院电子技木教研室19电力电子技术第5章 逆变电路 5.2电压型逆变电路5.2.2三相电压型逆变电路三相逆变电路可由三个单相逆变电路组合而成毒溃换流都是在同Tffi?柳臀芝糊进行，也称为纵向擦流电力电子技术第5章逆变电路5.2电压型逆变电路5.2.2三相电压型逆变电路波形分析负载各相到电源中点N，的电压：U相，?”uN，=d/2，4通，jN.=Ud/2a)负载线电压负载相电压ovz，/k。-。口。2t/否则晶闸管重新导0 q 通，逆变失败为保证可靠换流应在4。过零前 时亥1J触发VT?、VT3II OOQ.G2,3o L0超前于40的时间为VT2,3触发引前时间对应电角度上海电力学院电子技术教E电路工作角频率变电路工作波形电力电子技术第5章逆变电路 5.3电流型逆变电路5.3.1单相电流型逆变电路数量分析忽略换流过程，。可近似成矩形波，展开成傅里叶级数4/(1 1)(5-19)L=d sin 3t+sin 33%+sin 53,+L兀13 5 J只含有基波和奇次谐波！基波电流有效值.-4/d-Q9I(5-20)，2兀负载电压有效值U。和直流电压力的关系(忽略Ld的损耗，忽略 品闸管压降)2008-5-14兀U d2 y2 COS(P=1.11cos(p(喘1)U U d电力电子技术第5章逆变电路 5.3电流型逆变电路5.3.1单相电流型逆变电路问题：实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使 工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式 称为自励方式 固定工作频率的控制方式称为他励方式 自励方式存在起动问题，解决方法：先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式 附加预充电起动电路2008-5-14上海电力学院电子技术教研室30电力电子技术第5章逆变电路 5.3电流型逆变电路5.3.2三相电流型逆变电路 120导电方式每个臂一周 期内导电120。每时刻上下桥臂组 各有一个臂导通，横向换流波形分析输出电流波形和负载性质无关,正负脉冲各120。的矩形波输出电流和三相桥整流带大电 感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同输出线电压波形和负载性质有 关，大体为正弦波输出交流电流的基波有效值2008-5-14，ui=-，d=0.78，d，子技术教研室兀电力电子技术第5章逆变电路 5.3电流型逆变电路5.3.2三相电流型逆变电路串联二极管式品闸管逆变电路L主要用于中大功率交流电动 机调速系统电流型三相桥式 逆变电路各桥臂的晶闸管和二极管串 联使用120导电工作方式，输出 波形和图514的波形大体相 同强迫换流方式，电容CC6 为换流电容，d VT又cVT37J卜VB 立 VD3Z4 oVT57VD5立VTgZ%VT67 VT2又图5-15串联二极管式晶 闸管逆变电路2008-5-14上海电力学院电子技术教研室32电力电子技术第5章逆变电路 5.3电流型逆变电路5.3.2三相电流型逆变电路换流过程分析电容器充电规律：对共阳极晶闸管，与导通晶闸管相连一端极性为正，另一 端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零等效换流电容：例如分析从V*向VT3换流时，C13就是C3 与C5串联后再与C1并联的等效科LVTZVDUd学院电子技术教彳CVT3V2 VT.拿03IZ VD35Z VD55ZU,WVD1ZCjDRZ VD 口IT工I-7VT4-0-又VT6Z VT2Z7又电力电子技术第5章逆变电路 5.3电流型逆变电路5.3.2三相电流型逆变电路从VT；向VT3换流的过程（图5-16）换流前V*和VT2通，C13电压Uco左正右负恒流放电阶段%时刻触发VT3导通，V*被 施以反压而关断4从V*换到VT3,C13通过 VDP U相负载、W相负载、VDr VT2直流电源和VT3 放电，放电电流恒为右，故 称恒流放电阶段ci3下降到零之前，V*承受反压，反压时间大于就能保证关断21上海电力学院电子技术教研室34电力电子技术第5章逆变电路 5.3电流型逆变电路5.3.2三相电流型逆变电路二极管换流阶段七时刻 C13降到零，之后C13 反向充电。忽略负载电阻压 降，则二极管VD3导通，电 流为仆VD1电流为VDi和VD3同时通，迸入二 极言换流阶段随着Cn电压增高，充电电 流渐小，为渐大，G时刻J减 到零，iv=/d,VDi承受皮压 而关断，二极管换流阶段结 束J以后，VT2 VT3稳定导通 阶段2008-5-14上海电力学院电子技术教研室35电力电子技术第5章逆变电路 5.3电流型逆变电路5.3.2三相电流型逆变电路无换向器电动机电流型三相桥式逆变器驱动同步电动机，负载换流 工作特性和调速方式和直流电动机相似，但无换向 器，因此称为无换向器电动机图5-18无换相器电动机的基本电路2008-5-14上海电力学院电子技术教研室36电力电子技术第5章逆变电路5.4多重逆变电路和多电平变电路什么是多重逆变电路？什么是多电平变电路？逆变电路为什么要多重化？多电平变化？电压型逆变电路输出电压是矩形波，电流型逆变电路输出电流是矩形波，含有大量谐波 多重逆变电路把几个矩形波组合起来，接近正弦 多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近正弦，谐波含量减小2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 37电力电子技术第5章逆变电路5.4多重逆变电路和多电平变电路5.4.1多重逆变电路电压型、电流型都可多重化，以电压型为例1.单相电压型二重逆变电路两个单相全桥逆180矩形波含有基波和奇次谐波二重逆变电路可 消去3次谐波?变电路组成，输/出通过变压器叫 T*OT拜联起来y%和 2相位错开中=600其中3次谐 波就错开了 3X(p=60ZK tZK t60=180y。波形是120。矩 形波，含6左土 1 次谐波，3k次谐 波都被抵消ZKZKT两个单相的输 出和 2是 180矩形波变压器串联合成后，3次 谐波互相抵消，总输出 电压中不含3次谐波y上海电力学院电子技术教研室 图5-20二重单相逆变电路电力电子技术第5章逆变电路5.4.1多重逆变电路5.4多重逆变电路和多电平变电路多重逆变电路有串联多 重和并联多重两种串联多重把几个逆 变电路的输出串联起来,多用于电压型并联多重把几个逆 变电路的输出并联起来,多用于电流型图5-21二重逆变电路的工作波形2008-5-14上海电力学院电子技术教研室39电力电子技术第5章逆变电路 5.4多重逆变电路和多电平变电路5.4.1多重逆变电路2.三相电压型二重逆变电路两个逆变电路均为180导通方式输出线电压为120。矩形波，桥n比桥I滞后30 IIr为A/Y联绡，电压变比为 一次和二次绕组匝数相等T2一次侧A联结，二次侧两 绕组曲折星形接法，其二 次电压相对于一次电压而 言，比明的接法超前30,以抵消逆变桥II比逆变桥I 滞后的30。这样，气和 ui的基波相位就相同由两个三相桥式逆变 电路构成，输出通过 变压器串联合成I U V WyK 化本T a2*本本代本 本本北本“UNN长本*本本二J学院年逆变桥n的相位比 逆变桥I滞后30。图5-23二次侧麻电压 苔意粕豆图j电力电子技术第5章逆变电路 5.4多重逆变电路和多电平变电路5.4.1多重逆变电路输出谐波分析“U1展成傅里叶级数wui2同兀sin cor+5-l)%sie扑二6左 1 (5-23)“ui中含有基波和金土 1次谐,！“U2展成傅里叶级数wui2同71sin cor+ysinncoz H n二6 左土 1U2中含有基波和金土 1次谐波！MUN=WUI+u2 但注意+图5-4 三相电压型二重逆变电路波形图UN中只含有基波和12左土 1次谐波，5次、7次等谐波被消去!电力电子技术第5章逆变电路5.4.1多重逆变电路5.4多重逆变电路和多电平变电路直流侧电流每周期脉动12次，称为12脉波逆变电路 使加个三相桥逆变电路的相位依次错开兀/（3旭）,连同合 成输出电压并抵消上述相位差的变压器，就可构成6阳 脉波逆变电路2008-5-14上海电力学院电子技术教研室42电力电子技术第5章逆变电路 5.4多重逆变电路和多电平变电路5.4.1多电平逆变电路1.两电平逆变电路回顾图5.9三相电压型桥式逆变电路和图5.10的波形以N，为参考点，输出线电压有+、-力和0共三种电 平，称为两电平逆变电路 _2.三电半逆变电路图5-25,也称中点钳位型(Neutral Point Clamped)逆变电路三电半逆变电路的输出线电压有土 心、土和0五种电平三电平逆变电路输出电压谐波可大 大少于两电半逆变电路图5-25三电平逆变电路432008-5-14上海电力学院电子技术教研室变速恒频发电技术一次性能源（矿物燃料）的两个致命问题：一是面临枯竭，二是污染环境。可再生能源的开发利用是确保长期能源供应、解决环境保 护问题、实现经济可持续发展的根本措施之一。可再生能源中风能、水能、潮汐能等流体形式能源多采 取发电方式加以利用。2008-5-14上海电力学院电子技术教研室44三北”地区成发展风电重点区域http: 作者：赵作让 来源:本报 日期：2005-11-17本报11月15日从有关渠道获悉，西北、东北、华北和 东部沿海地区已被列为发展风能发电重点区域。风电场建 设的具体位置尚未确定。风电技术成熟度仅次于水电，最具商业发展潜力，目 前全世界有超过4000万千瓦的风电装机容量。我国20%的国土面积风能资源丰富。按照国家发改委提出的风电发 展目标，至U2010年，我国风电装机容量将达500万千瓦，到2020年将达3000万千瓦。2008-5-14上海电力学院电子技术教研室45对于风力发电来说，一台确定的风力机在一种 风速下只有一个最佳的转轴速度可获得最大风能，为在变化的风速下随时能捕获最大风能，风力机必 须作变速运行，这样对并人电网的风力发电机而言 就有变速恒频发电的运行要求。同样对于水力发电而言，丰水期、枯水期、建 坝初期、建坝后期水头落差各不相同，为获得最高 发电效率不同落差水头应有不同的水轮机转速，这 样对并网的水力发电机而言也有变速恒频发电要求。2008-5-14上海电力学院电子技术教研室46此外在飞机、舰船等发电机使用变速主轴驱动的场合也有 变速恒频发电的需要。变速恒频发电是电力电子技术在发电系统、发电机励磁 技术中的应用。实现变速恒频发电的两种技术方案：1.交一直一交变换交一直一交变换方案为全功率变换方式，主要用于小 型风力发电系统，发电机多采用永磁或电励磁同步发电机。在不同风速下为获得最大风能捕获，风电机组将在广泛的 转速范围内作变速运行，发出变频电能。为获得并网所需 恒频，先将发电机输出电能经不控整流器变换成直流后，再经逆变器变换成电网频率交流，如图1所示。2008-5-14上海电力学院电子技术教研室47该方案技术简单、成熟，也可用于小功率水力发电系统,但交一直一交变换装置需要有与发电机相同的功率容量,故在中、大容量发电系统中难以推广。交流一一电网图1 交-直-交变换变速恒频风电系统2008-5-14上海电力学院电子技术教研室482交一交变频器主要用于大功率的变速恒频水力发电系统。图2 12脉波72管交-交变频器主电路(a)三相输入.单相输出电路;(b)三相输入.三相输出电路2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 49最近出现的矩阵式交一交变换器主电路结构简单，输入、输出特性好，输入功率因数接近于1,能量可双向流动，能满足交流励磁电源的各项要求，是十分理想的励磁用变 频器。只是目前尚无商品化的双向开关器件，控制方法还 不够成熟，但其优良的特性和紧凑的结构，配合新型无刷 双馈发电机，将能构成极具潜力的变速恒频发电方式。2008-5-14上海电力学院电子技术教研室503双PWM交一直一交变频器采用PWM整流PWM逆变的双PWM交一直一交变频器 具有优良的输人输出特性：输出电压正弦脉宽调制，输人 电流正弦、与电网电压基本同相位，能量可双向流动。在 目前商品化自关断功率器件的条件下，可以构成满足兆瓦 级变速恒频风电机组的励磁电源，有着工程现实意义。下 图为交流励磁用双PWM变频器主电路结构。网侧PWM变换器电 网电机侧PWM变换器转子 发电机本章小结讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电 路更为基本、更为重要换流方式分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网 换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫 换流两种晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有 所下降2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 52本章小结逆变电路分类方法可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些 电路有更深刻的认识负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 53本章小结与其他章的关系本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整下一章的PWM控制技术在逆变电路中应用最多，绝大部分逆变电路都是PWM控制的，学完下一章 才能对逆变电路有一个较为完整的认识逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二者结 合构成间接交流变流电路止匕外，间接直流变流电路大量用于开关电源，其中 的核心电路仍是逆变电路将在第8章介绍，学完第8章后，对逆变电路及其应 用将有更完整的认识2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 54