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电力电子技术
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第5章章
逆变电路
引言5.1换流方式5.1.1逆变电路的基本工作原理5.1.2换流方式分类5.2电压型逆变电路5.2.1单相电压型逆变电路5.2.2三相电压型逆变电路5.3电流型逆变电路5.3.1单相电流型逆变电路5.3.2三相电流型逆变电路5.4多重逆变电路和多电平逆变电路5.4.1多重逆变电路5.4.2多电平逆变电路本章小结
第5章
逆变电路~引言逆变电路引言
交直交变频由交直变换和直交变换两部分组交流侧接电网,为有源逆变
逆变概念:
变频电路:
交交变频和交直交变频两种逆变——与整流相对应,直流电变成交流电成,后一部分就是逆变
交流侧接负载,为无源逆变
本章讲述无源逆变逆变电路?
5.1节——换流方式直流电源如蓄交流负载供电逆变与变频?
5.2节——电压型逆变电路电池、干电池和太阳能电池?
5.3节——电流型逆变电路逆变电路的应用?
5.4节——逆变电路的多重化和多电平逆变电路。
交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电本章仅讲述逆变电路基本内容,第6章PWM控制技源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路
术和第8章组合变流电路中,有关逆变电路的内容会本章内容进一步展开
5.1
换流方式
5.1.1逆变电路的基本工作原理
以单相桥式逆变电路为例S1~S4是桥式电路的4个臂,由电力电子器件及辅助电路组成
图5-1逆变电路及其波形举例
5.1.1
逆变电路的基本工作原理
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
直流
交流
5.1.1逆变电路的基本工作原理
过程分析:
io从电源负极流出,经S2、负载和S3流回正极,负载电感能t1前:
S1、S、S4,合上S2、S3t1时刻断开S14通,uo和io均为正,uo变负,但io不能立刻反向量向电源反馈,io逐渐减小,t2时刻降为零,之后io才反向并
增大
5.1.2
换流方式分类
换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程,换流也称换相换相开通:
适当的门极驱动信号就可使其开通关断:
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
研究换流方式主要是研究如何使器件关断本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此在本章讲述
5.1.2
换流方式分类
2.电网换流1.总共有四种换流方式Commutation)4.负载换流(LoadCommutation)3.器件换流(DeviceCommutation)(Forced强迫换流(LineCommutation)利用全控型器件的自关断能力进行换流1.器件换流由负载提供换流电压称为负载换流负载换流由电网提供换流电压称为电网换流电网换流设置附加的换流电路,给欲关断的晶闸管强迫负载电流相位超前于负载电压的场合,可控整流电路、交流调压电路和采用相施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫强迫2.电网换流都可实现负载换流控方式的交交变频电路换流,通常利用附加电容上储存的能量来实现,换流负载为电容性负载时,负载为同步电动也称为电容换流电容换流不需器件具有门极可关断能力,也不需3.负载换流机时,可实现负载换流要为换流附加元件4.强迫换流
5.1.2
换流方式分类
讨论:
负载换流逆变电路:
负载换流逆变电路:
采用晶闸管负载:
电阻电感串联后再和电容并联,工作在接近并联谐振状态而略呈容性电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入直流侧串入大电感Ld,id基本没有脉动
图5-2负载换流电路及其工作波形
5.1.2
换流方式分类
图5-2负载换流电路及其工作波形
对基波阻抗很大,对谐波阻抗很小,uo波形接为正,VT2、VT3电压即为uoVT1上使其承受反压而关断,电流从VT1、VT4基本呈矩形波流顺利完成近正弦换到VT3、VT2
负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态,t1前:
VT1、VT4通,VT2、VT3断,uo、it4个臂的切换仅使电流路径改变,负载电流4均时:
触发VT2、VT3使其开通,uo加到VTo、t1必须在uo过零前并留有足够裕量,才能使换1
5.1.2
换流方式分类
直接耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流
强迫换流逆变电路
——由换流电路内电容提供换流电压——通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流两种电感耦合式强迫换流:
5.1.2
换流方式分类
图5-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断图5-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断
VT通态时,先给电容C充电。
合上S就可使晶闸管被施加反压而关断
SVDVTS
S
+
CVDVT
+C
L负载
L负载
VT
+
负载
给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流(图5-3)电压换流先使晶闸管电流减为零,然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电电流换流
a)图5-4
b)
图5-3
图5-4电感耦合式强迫换流原理图
图5-3直接耦合式强迫换流原理图
5.1.2
换流方式分类
换流方式小结:
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——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,则称为熄灭熄灭
5.2
电压型逆变电路
电压型逆变电路或电压源型电压源型逆变电路电压型电压源型电流型逆变电路或电流源型电流源型逆变电路电流型电流源型
逆变电路按其直流电源性质不同分为两种
电压型逆变电路的特点电压型逆变电路举例:
(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
图5-5电压型全桥逆变电路
5.2.1
单相电压型逆变电路
uoUmVD1ioRLuoV2a)VD2OUmioOt3t4t1t2t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2b)
1.半桥逆变电路.电路结构:
+
Ud2
V1
t
Ud
Ud2
t
ON
图5-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形
工作原理:
(感性负载时)
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。
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/2VD1、VD2称为反馈二极管反馈二极管,它又起着使负载电流连续的反馈二极管作用,又称续流二极管。
续流二极管。
续流二极管
5.2.1
单相电压型逆变电路
特点优点:
简单,使用器件少优点缺点:
交流电压幅值Ud/2,直流侧需两电容器缺点串联,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
5.2.1
单相电压型逆变电路
单相逆变电路中应用最多
两个半桥电路的组合
iot3t4t1t2t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2
2.全桥逆变电路.
t
uoUm
工作情况:
-Um
t
1和4一对,2和3另一对,成对桥臂同时导通,两对uo波形同图5-6b半桥电路的uo,幅值高出一倍Um=Udio波形和图5-6b中的io相同,幅值增加一倍交替各导通180°
5.2.1
单相电压型逆变电路
输出电压定量分析
uo成傅里叶级数
uo=4Ud?
11?
sinωt+sin3ωt+sin5ωt+?
?
?
π?
35?
(5-1)(5-2)(5-3)
基波幅值基波有效值
Uo1m=
4Ud
π
=1.27Ud
Uo1=
22Ud
π
=0.9Ud
uo为正负各180°时,要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现
5.2.1
单相电压型逆变电路
采用移相方式调节逆变电路的输出电压,称为移相调压
阻感负载时还可采用移相调压:
阻感负载时还可采用移相调压:
图5-7单相全桥逆变电路的移相调压方式
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.
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
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一个变压器
图5-8带中心抽头变压器的逆变电路
5.2.2
三相电压型逆变电路
180°导电方式°三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路每桥臂导电180°,同一相上下两臂交替导电,各相应用最广的是三相桥式逆变电路开始导电的角度差120°可看成由三个半桥逆变电路组成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
图5-9三相电压型桥式逆变电路
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'的电负载各相到电源中点的电压:
U相,1通,uUN'=Ud/2,4通,uUN'=-Ud/2负载线电压uUV=uUN'?
uVN'?
?
uVW=uVN'?
uWN'?
(5-4)uWU=uWN'?
uUN'?
?
负载相电压uUN=uUN'?
uNN'?
?
uVN=uVN'?
uNN'?
uWN=uWN'?
uNN'?
?
(5-5)
图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形
5.2.2
uNN'
三相电压型逆变电路
11=(uUN'+uVN'+uWN')?
(uUN+uVN+uWN)33
(5-6)
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1uNN'=(uUN'+uVN'+uWN')3利用式(5-5)和(5-7)可绘出uUN、uVN、uWN波形负载已知时,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
(5-7)
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
5.2.2
三相电压型逆变电路
定量分析1.输出线电压
uUV展开成傅里叶级
uUV=
数3U2
π
d
1111?
?
?
sinωt?
sin5ωt?
sin7ωt+sin11ωt+sin13ωt?
?
?
571113?
?
=
23Ud?
1sinωt+∑(?
1)ksinnωt?
?
πnn?
?
式中:
n=6k±1
5.2.2
定量分析
三相电压型逆变电路
1.输出线电压
输出线电压有效值
UUV=
基波幅值基波有效值
12π
∫
2π
0
2uUVdωt=0.816Ud
(5-9)(5-10)
U
UV1m
=
23U
π
d
=1.1U
d
UUV1m6UUV1==Ud=0.78Udπ2
(5-11)
5.2.2
三相电压型逆变电路
2.负载相电压
uUN展开成傅里叶级数得
uUN==2Ud?
1111?
?
sinωt+sin5ωt+sin7ωt+sin11ωt+sin13ωt+?
?
571113π?
?
?
2Ud?
1?
sinωt+∑sinnωt?
?
π?
nn?
?
式中:
n=6k±1
5.2.2
三相电压型逆变电路
2π
2.负载相电压
负载相电压有效值
UUN
基波幅值基波有效值
1=2π
∫
0
2uUNdωt=0.471Ud
(5-13)(5-14)
UUN1m=
2Ud
π
=0.637Ud
(5-15)防止同一相上下两桥臂开关器件直通采取“先断后通先断后通”的方法先断后通
UUN1mUUN1==0.45Ud2
5.3
电流型逆变电路
直流电源为电流源的逆变电路
电流型逆变电路
一般在直流侧串联大电感,电流脉动很小,可近似看成直流电流源实例之一:
图5-11电流型三相桥式逆变电路
吸收换流时负载电感中存贮的能量
图5-11电流型三相桥式逆变电路
5.3
电流型逆变电路
电流型逆变电路主要特点
(1)直流侧串大电感,相当于电流源
(2)交流输出电流为矩形波,输出电压波形和相位因负载不同而不同(3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用,不必给开关器件反并联二极管
电流型逆变电路中,采用半控型器件的电路仍应用较多换流方式有负载换流、强迫换流
5.3.1
单相电流型逆变电路
图5-12单相桥式电流型(并联谐振式)逆变电路
因基波频率接近负载电路谐振频率,故负载对基波呈输出电流波形接近矩形波,含基波和各奇次谐波,且4桥臂,每桥臂晶闸管各串联一个电抗器LT,用来限1、4和2、3以1000~2500Hz的中频轮流导通,可得到采用负载换相方式,要求负载电流略超前于负载电压高阻抗,对谐波呈低阻抗,谐波在负载上产生的压降谐波幅值远小于基波制晶闸管开通时的di/dt中频交流电很小,因此负载电压波形接近正弦负载一般是电磁感应线圈,加热线圈内的钢料,R和L串联为其等效电路因功率因数很低,故并联CC和L、R构成并联谐振电路,故此电路称为并联并联谐振式逆变电路
5.3.1
单相电流型逆变电路
工作波形分析:
一周期内,两个稳定导通阶段和两个换流阶段
图5-13并联谐振式逆变电路工作波形4个晶闸管全部导通,负载电容电压经两个并联的放电回路t=t4时,VT1、VT4电流减至零而关断,换流阶段结束不能立刻关断,电流有一个减小过程io:
t同时放电1和VT4稳定导通阶段o=Id,t换流阶段t1~tT:
VT时触发VT2和VT3时刻过零,t2时刻前在C上建2t2L2使VT1、VT4稳定导通阶段,i~t在t3时刻,即iVT1=iVT2开通,进入换流阶段3时刻大体位于t42和tT12、VTt13、VT3、Lt4-t2=换流时间VT的中点电流有一个增大过程立了左正右负的电压T3到C;另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到L4、VTγ称为换流时间C
5.3.1
单相电流型逆变电路
保证晶闸管的可靠关断(图5-13)
晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力,换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tβtβ=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq
图5-13并联谐振式逆变电路工作波形
5.3.1
单相电流型逆变电路
为保证可靠换流应在uo过零前tδ=t5-t2时刻触发VT2、VT3tδ=tγ+tβtδ为触发引前时间触发引前时间(5-16)io超前于uo的时间表示为电角度角度
t?
=tγ2+tβ
(5-17)(5-18)
tγ?
γ?
=ω?
+tβ?
=+β?
2?
2?
?
ω为电路工作角频率;γ、β分别是tγ、tβ对应的电
5.3.1
单相电流型逆变电路
数量分析
忽略换流过程,io可近似成矩形波,展开成傅里叶级数,
io=4Id?
11?
sinωt+sin3ωt+sin5ωt+?
?
?
π?
35?
(5-19)(5-20)
基波电流有效值
4IdIo1==0.9Id2π
负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系(忽略Ld的损耗,忽略晶闸管压降)
UdUo==1.11cos?
22cos?
πUd
(5-21)
5.3.1
单相电流型逆变电路
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自励方式固定工作频率的控制方式称为他励方式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
5.3.2
三相电流型逆变电路
电流型三相桥式逆变电路
基本工作方式是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
图5-14电流型三相桥式逆变电路的输出波形
5.3.2
三相电流型逆变电路
L
串联二极管式晶闸管逆变电路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5-14的波形大体相同强迫换流方式,电容C1~C6为换流电容
+
IdVT1C1VT3C5VD1UdVD4C4VD6C2VT4VT6VD2C6VT2VD3VT5C3VD5UVMW3
图5-15串联二极管式晶闸管逆变电路
5.3.2
三相电流型逆变电路
对共阳极晶闸管,它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
换流过程分析
电容器充电规律:
电容器充电规律
等效换流电容概念:
分析从VT1向VT3换流时,C13就是C3与C5串联后等效换流电容概念再与C1并联的等效电容,(见图5-15)
图5-16换流过程各阶段的电流路径
5.3.2
三相电流型逆变电路
从VT1向VT3换流的过程:
假设换流前VT1和VT2通,C13电压UC0左正右负
恒流放电阶段–Id从VT1换到VT3,C13通过VD1、U相负载、W相负载、–uC13下降到零之前,VT1承受反压,反压时间大于tq就能VD2t、VT2、直流电源和VT3放电,放电电流恒为Id,故–1时刻触发VT3导通,VT1被施以反压而关断保证关断称恒流放电阶段
5.3.2
三相电流型逆变电路
从VT1向VT3换流的过程:
假设换流前VT1和VT2通,C13电压UC0左正右负
二极管换流阶段–t2时刻uC13降到零,之后C13反向充电。
忽略负载电阻压–随着C13电压增高,充电电流渐小,iV渐大,t3时刻iU–t3以后,VT导通,电流为i,VD降,则二极管VD23、VT3稳定导通阶段1电流为iU=Id-iV,减到零,iV=Id,VD1承受反压而关断,二极管换流阶VVD段结束3同时通,进入二极管换流阶段1和VD
5.3.2
三相电流型逆变电路
波形分析
电感负载时,uC13、iU、iV及uC1、uC3、uC5波形uC1的波形和uC13完全相同,从UC0降为-UC0C3和C5是串联后再和C1并联的,电压变化的幅度是C1的一半uC3从零变到-UC0,uC5从UC0变到零这些电压恰好符合相隔120°后从VT3到VT5换流时的要求
图5-17串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形
5.3.2
实例:
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
5.3.2
三相电流型逆变电路
BQ——转子位置检测器,检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲
图5-19无换相器电动机电路工作波形
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PWM(PulseWidthModulation)?
脉宽调制技术:
通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效的获得所需要的波形(含形状和幅值)?
第3、4章已涉及PWM控制,但未明确提出PWM控制的概念
–第3章:
直流斩波电路–第4章:
4.1斩控式调压电路4.4矩阵式变频电路
PWM控制技术在四类基本的变流电路(第2-5章)都有应用,因此单独设立一章进行讲述
PWM控制的思想源于通信技术,全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。
?
PWM技术的应用十分广泛,它使电力电子装置的性能大大提高,因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。
?
PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用,才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术,因此,本章和第5章(逆变电路)相结合,才能使我们对逆变电路有完整地认识。
2
引言6.1PWM控制的基本原理6.2PWM逆变电路及其控制方法6.3PWM跟踪控制技术6.4PWM整流电路及其控制方法本章小结
3
6.1
PWM控制的基本原理
冲量指窄脉冲的面积冲量
指环节的输出响应波形基本相同
4
6.1
实例
i(t)e(t)
PWM控制的基本原理
电路输入:
e(t)电路输出:
i(t)
以上实例说明了“面积等效原理”
5
6.1
PWM控制的基本原理
如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
u
O
>
6
6.1
如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
SPWM波
u
PWM控制的基本原理
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