第四章 逆变电路

null第4章 逆变电路 DC to AC Converters ( Inverters ) 第4章 逆变电路 DC to AC Converters ( Inverters ) 本章主要内容换流方式types of commutation 电压型逆变电路Voltage source inverter (VSI) 电流型逆变电路Current source inverter (CSI) 多重逆变电路和多电平逆变电路Multiple-inverter connections and multi-level inverters 本章主要内容逆变电路逆变的概念 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 交流侧接负载，为无源逆变 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，后一部分就是逆变逆变电路Applications of InvertersApplications of InvertersConversion of electric power from DC type energy sources to AC type load – Battery – Photovoltaic cell (Solar cell) – Fuel cell As a part of composite converter – AC-DC-AC frequency converter (for AC motor drive) – AC-DC-AC constant-voltage constant- frequency converter (for uninterruptable power supplies--UPS) – AC-DC-AC Converters for induction heating – AC-DC-AC-DC switching power suppliesBasic operation principle of inverters以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理图5-1 逆变电路及其波形举例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Basic operation principle of invertersBasic operation principle of invertersS1、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Basic operation principle of invertersBasic operation principle of inverters逆变电路最基本的工作原理 ——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率图5-1 逆变电路及其波形举例a)u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Basic operation principle of invertersConcept of commutation 换流的概念换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相器件开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通 器件关断： 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Concept of commutation 换流的概念Types of commutation 换流方式分类器件换流（Device Commutation） 利用全控型器件的自关断能力进行换流 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流 电网换流（Line Commutation） 电网提供换流电压的换流方式 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 负载换流（Load Commutation） 强迫换流（Forced Commutation）Types of commutation 换流方式分类负载换流（Load Commutation）图5-2 负载换流电路及其工作波形 由负载提供换流电压的换流方式 负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流，负载为电容性或同步电机（可控制励磁电流使其呈容性）时可实现负载换流 基本负载换流电路：4个桥臂均由晶闸管组成 直流侧串大电感，可认为id 基本无脉动 整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性，电容的接入是为改善负载的功率因数负载换流（Load Commutation）负载换流（Load Commutation）图5-2 负载换流电路及其工作波形 负载电流波形为矩形波 负载对基波电流接近并联谐振，所以对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，负载电压波形接近正弦波 t1时刻前，管子1，4导通，2，3截止，输出电压和电流均为正 t1时刻，触发2，3，则管子1，4承受反压关断 注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成负载换流（Load Commutation）强迫换流（Forced Commutation） 设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施 加反压或反电流的换流方式称为强迫换流 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此 也称为电容换流 分类强迫换流（Forced Commutation）强迫换流（Forced Commutation）直接耦合式强迫换流 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，也叫电压换流图5-3直接耦合式强迫换流原理图图5-4 电感耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流 先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压，也叫电流换流 强迫换流（Forced Commutation）强迫换流（Forced Commutation）图5-4 电感耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流 图a）：合上开关S，LC振荡电流反向流过晶闸管，与其上的正向负载电流相减，直到合成电流降为零，二极管开始流过电流，晶闸管在振荡第一个半周期关断强迫换流（Forced Commutation）图b）：合上开关S， LC振荡电流正向流过晶闸管，与其上的正向负载电流相加，半周期后，振荡电流才反向流过晶闸管，使其上合成电流减小，直到为零，晶闸管关断，二极管开始导通。所以关断时间是在振荡的第二个半周期 换流方式 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 换流方式总结Classes of inverters根据直流侧电源性质的不同Classes of invertersVoltage Source Inverter-VSI特点图5-5 电压型全桥逆变电路直流侧为电压源或并联 大电容，直流侧电压基 本无脉动 输出电压为矩形波，输 出电流因负载阻抗不同 而不同 Voltage Source Inverter-VSI阻感负载时需提供无功功率。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。因为输出电压极性不可改变，交流侧要向直 流侧反馈无功，只能通过改变电流的方向实现，所 以需并联反馈二极管以提供反向电流通路。Voltage Source Inverter-VSI 单相电压型逆变电路 Single-phase VSI 三相电压型逆变电路 Three-phase VSI Voltage Source Inverter-VSISingle-phase half bridge VSIu图5－6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)b)电路结构特点 由两个桥臂组成，每个桥臂为一个可控器件和一个反并联二极管并联 直流侧有两个串联的大电容，两个电容的联结点为直流电源的中点 负载连接在直流电源中点和两个桥臂的联结点之间Single-phase half bridge VSISingle-phase half bridge VSIu图5－6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)b)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 t2时刻前，V1为通态，V2为断态 t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，V1关断。但感性负载中电流iO不能立即改变方向，此时VD2续流 到t3时刻，负载电流减小为零，VD2截止，V2导通，负载电流改变方向Single-phase half bridge VSISingle-phase half bridge VSIu图5－6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)b)工作原理 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 V1，V2不能同时导通Single-phase half bridge VSISingle-phase half bridge VSI优点：电路简单，使用器件少 缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡 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Single-phase half bridge VSISingle-phase full bridge VSI共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成，直流侧只有一个电容 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Single-phase full bridge VSISingle-phase full bridge VSI阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压－移相调压Single-phase full bridge VSI移相调压是调节输出电压脉冲的宽度无移相调压全桥电路中，V1和V2，V3和V4栅极信号互补，V3比V1落后180°Single-phase full bridge VSISingle-phase full bridge VSI移相调压电路中，V3的基极信号比V1落后θ（0＜θ＜180°），而非180°，V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°－θ。输出电压是正负各为θ的脉冲 t1时刻前，V1，V4同时导通，输出电压为Ud t1时刻，V3，V4驱动信号反向，V4关断，由于电感储能作用，V3不能立即开通，VD3续流，输出电压为0 Single-phase full bridge VSISingle-phase full bridge VSIt2时刻，V1，V2栅极信号反向，V1截止，V2不导通，VD2续流，VD2，VD3为导电通路，输出电压为-Ud 负载电流过零并开始反向时，VD2，VD3截止，V2，V3导通，输出电压仍为-Ud t3时刻，V3，V4驱动信号再次反向，V3关断，V4不能立即开通，VD4续流，输出电压为0 改变θ就可调节输出电压Single-phase VSI带中心抽头变压器的逆变电路图5-8 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 与全桥电路的比较： 少用一半开关器件 器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 必须有一个变压器 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Single-phase VSI三相电压型逆变电路Three-phase VSI三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路 应用最广泛图5-9 三相电压型桥式逆变电路三相电压型逆变电路Three-phase VSI三相电压型逆变电路Three-phase VSI基本工作方式——180°导电方式每桥臂导电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，也称为纵向换流三相电压型逆变电路Three-phase VSI图5-9 三相电压型桥式逆变电路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，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2 负载线电压 图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路波形分析负载相电压三相电压型逆变电路三相对称负载有各相电压和为 零， 所以负载中点和电源中点间电压三相电压型逆变电路负载已知时，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 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，这是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” 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路关于三相电压型逆变电路的输出电压定量分析，同学们自己参考教科书三相电压型逆变电路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，电流基 本无脉动，相当于电流源直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路图5-11 电流型三相桥式逆变电路 (2)交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。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、强迫换流电流型逆变电路电流型逆变电路单相电流型逆变电路 三相电流型逆变电路 电流型逆变电路单相电流型逆变电路电路原理图5－12 单相桥式电流型 （并联谐振式）逆变电路由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt 工作方式为负载换相 电容C和L 、R构成并联谐振电路 输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路图5－13并联谐振式逆变 电路工作波形工作分析一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段t1-t2：VT1和VT4稳定导通阶段，iｏ=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压 t2-t4：t2时触发VT2和VT3开通，因为两管承受正向电压，所以能够导通，电路进入换流阶段 LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个 减小过程。VT2、VT3电流有一个增大过程 4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两 个并联的放电回路同时放电。LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、 VT2、VT4、LT4到C单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束 t4－t2= tg 称为换流时间 保证晶闸管的可靠关断 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 = t5- t4应大于晶闸管的关断时间tq io在t3时刻，即 iVT1=iVT2时刻过零， t3时刻大体位于t2 和t4的中点图5－13并联谐振式逆变 电路工作波形单相电流型逆变电路工作分析单相电流型逆变电路io超前于uo的时间 表示为电角度 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数 基波电流有效值 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）单相电流型逆变电路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 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单相电流型逆变电路三相电流型逆变电路电路分析 基本工作方式是120°导电方式－每个臂一周期内导电120°，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通，换流方式为横向换流。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，由于换流过程的影响，会叠加一些脉冲三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路波形分析 输出交流电流的基波有效值和直流电流的关系为三相电流型逆变电路由于全控器件的发展，晶闸管逆变电 路使用越来越少三相电流型逆变电路串联二极管式晶闸管逆变电路图5-15 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 是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，输出波形和普通三相桥式电路波形大体相同 强迫换流方式，电容C1-C6为换流电容三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路图5-16 换流过程各阶段的电流路径换流过程分析 假设逆变电路处于稳定工作状态，换流电容器已充电 电容器所充电压的规律 对于共阳极晶闸管，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 共阴极组晶闸管与之类似，只是电容电压极性相反图5-15 串联二极管式晶闸管逆变电路 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路图5-16 换流过程各阶段的电流路径换流过程分析 等效换流电容概念 从VT1向VT3换流时，换流电容C13是C3与C5串联后再与C1并联的等效电容，若C1-C6的电容量均为C，则C13=3C/2图5-15 串联二极管式晶闸管逆变电路 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路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 换流阶段分为恒流放电和二极管换流两个阶段 t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断 Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段 uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于tq就能保证关断图5-16 换流过程各阶段的电流路径 a) b）+-UVW+-UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路-+UVW-+UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13iViViU=Id-iV图5-16 换流过程各阶段的电流路径 c) d）t2时刻uC13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iV，VD1电流为iU=Id-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段 随着C13电压增高，充电电流渐小，iV渐大，t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束 t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段三相电流型逆变电路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－UC0 C3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换流时的要求三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路实例： 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三相电流型逆变电路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图5－18 无换相器电动机的基本电路三相电流型逆变电路逆变电路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逆变电路小结逆变电路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逆变电路小结逆变电路小结与其它章的关系 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 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逆变电路小结