电力电子技术课件---第四章.
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电力电子技术-第4章逆变电路讲解
（4）直流侧电感起到缓冲无功能量的作用。
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 个反并联二极管组成。 •在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 个反并联二极管组成。 •在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。
电力电子技术第4章PPT课件
如上图所示，输出电压的平均值Uo为
U o T 1 s0 toU nd d ttT o s0 n d ttT o sU nd D U d
(4-1)
式中 Ts—开关周期 D—开关占空比， D t on
Ts
9
Uo DUd
D ton Ts
改变负载端输出电压有3种调制方法：
1．开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时
15
4.3 降压变换器
16
降压变换器也称为Buck变换器，正如名字 所定义的，降压变换器的输出电压Uo低于 输入电压Ud。
在实际应用中，有如下问题：
1．实际的负载应该是感性的。即使是阻性负载，也总有 线路电感，电感电流不能突变，因此，图4-1的电路可 能由于电感上的感应电压毁坏开关管。采用图4-3的电 路，则电感中储存的电能可以通过二极管续流释放给 负载；
11
12
图4-2(a)是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压与实 际输出电压经误差放大器得到误差控制信号uco，该信 号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管 的导通和关断，得到期望的输出电压。
图4-2(b)给出了脉宽调制的波形。锯齿波的频率决定 了变换器的开关频率。一般选择开关频率在几千赫兹
第4章 直流-直流变换器
1
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
2
主要内容：
降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器的 拓扑结构、工作原理、在电流连续和断续模式 下的各物理量之间的函数关系；
21
❖ 降压变换器的可能运行情况：
电感电流连续模式
电力电子技术-第4章逆变电路
ON
VD
14
VD
VD b)
VD
固定180°移相方波控制方式
思考2：在导电方式一下工作，如果要改变输出电 压的有效值（即幅值），应该采取什么样的方式？ ★只能靠改变输入直 流电压的大小来改变 输出电压的有效值。 能否不改变直流电 压，直接进行调制 呢？为此提出了导 电方式二：
移相导电方式。
课程回顾
uo S 4
图5-1 i 从电源负极流出，经 S S3流回正极，负载电 2、负载和 o t1时刻断开 St 、 S ，合上 S 、 S ， u 变负，但 u 1 1前： 4 S1、S4通， 2 3 o 和i o o 均为正 io不能立刻 电流从一条支路转移到另一条支路称为换流。 感能量向电源反馈， io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io 反向
负载提供能量。
VD V
2 2
• VD 1 或 VD 2 通时， i o 和 u o 反
a) uo Um O -Um io O t3 t4 t1 t 2 t5 t6 V1 V2 V1 V2 VD 1 VD 2 VD 1 VD 2 b)
向，负载电感中贮藏的能量
向直流侧反馈。
t
• 输出电压 uo 为矩形波，幅
• 全桥逆变电路
*导电方式一： V1,V4同时通断；
uo Um O
V2,V3同时通断；
V1,V4与V2,V3信号 互补，各导电180 ゜。
-Um
io O t3 t1 t 2 V 14 VD
14
t
t4 t5 t6 V 23
23
t
V2
23
ON
V 14
14
VD
VD b)
VD
思考：在导电方式一下工作，如果要改变输出电压
《电力电子技术》电子课件(高职高专第5版) 4.3 电压型逆变电路
0 2
2
(4.3.1)
输出电压瞬时值为:
uo
n 1, 3 , 5 ,
2U d n
s in nt
(4.3.2)
其中， 2f s 为输出电压角频率。
当 n=1时其基波分量的有效
值为:
U O1
2U d
2
0.45U d
(4.3.3)
图4.3.1 电压型半桥逆变电路及 其电压电流波形
4.3.1 电压型单相半桥逆变电路
图4.3.1 电压型半桥逆变电路 及其电压电流波形
4.3.1 电压型单相半桥逆变电路
2、工作原理：
在一个周期内，电力晶体 管 周正T1和偏T，2的半基周极反信偏号，各且有互半补。
若负载为纯电阻，在[0,π] 期 T2通π2截间 ，]期止，T间1，T截1，则有止T驱，u20有动则=U驱信ud0动。号=-信在导Ud号[通π。导，, 动 信信 号若号 ，负截 由载止于为，感纯尽性电管负感载T，1有中T驱的2无动电驱 流i。不能立即改变方向，于 是 D1导通续流，u0=－Ud /2 。
3、特点： 优点： 简单，使用器件少；
缺点：
1）交流电压幅值仅为Ud/2； 2）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接LC 滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输出电压中的高次 谐波。 4、应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；
4.3.2 电压型单相全桥逆变电路
电路工作原理：
(4.3.7)
图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图
4.3.2 电压型单相全桥逆变电路
3）阻感负载RL
0≤ ωt ≤ θ期间，T1和T4有驱动信号， 由于电流i0为负值，T1和T4不导通，D1、
upc柔性电力技术(电力电子技术在电力系统中的应用)课件第四章
与交流输电相比，高压直流输电的优点：
1、经济方面：
(1) 线路造价低。
对于架空输电线，交流用三根导线，而直流一般用两根采用大地或 海水作回路时只要一根，能节省大量的线路建设费用。对于电缆， 由于绝缘介质的直流强度远高于交流强度，如通常的油浸纸电缆， 直流的允许工作电压约为交流的3倍，直流电缆的投资少得多。
电压等级的划分：
交流：
330kV、500kV 和 750kV – 超高压；
1000kV- 特高压。
直流：
±500kV、±600kV– 超高压；
±660kV、±800kV 和 ±1000kV- 特高压。
西部能源基地与东部负荷中心距离在800-3000公 里左右，远距离、大容量输电是我国未来电网发展的必 然趋势。
2004年
2005年 2006年
葛洲坝换流站
南桥换流站
• （2003-04-29 ）三常直流工程（三峡至常州±500千伏 ）创下 两项世界记录：一项是在29个月的时间内，按计划完成全部 工程建设任务，世界其他类似工程没有一个工程能按期完成； 一项是单级输送功率160万千瓦，超过单级输送功率150万千 瓦的世界记录。” • （2006年12月15日）世界上首个最高电压等级的±800千伏特 高压直流输电工程：云南至广东±800千伏特高压直流输电工 程，西起云南楚雄州禄丰县，东至广州增城市，输电距离 1438公里，动态总投资137亿元，额定输电容量500万千瓦， 是我国在建单条输电容量最大的工程之一，是云电送粤的主 力通道。该条线路的输电能力相当于目前云南省全省用电负 荷的80％。据了解，此前世界上已有的直流输电最高电压等 级为±600千伏。 • （2009年11.17） ±800千伏特高压向家坝－上海直流输电示 范工程，被誉为迄今为止世界上电压等级最高、输送容量最 大、输电距离最长等18项世界纪录的直流输电工程。
电力电子技术_王兆安第五版_第4章
➢ 输出相电流波形和负载性质无关，为正负各120° 的矩形波，线电流为阶梯波。
➢ 输出线电压波形和负载性质有关，若有电感，因 电感的作用，每次换相时会产生电压冲击。
（2）串联二极管式晶闸管逆变电路
（串联二极管式晶 闸管逆变电路）
①主要用于中大功率交 流电动机调速系统。 ②电流型三相桥式逆 变电路，输出波形与 全控型器件时一样。
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并电抗个采电限C应谐联压，桥和用压制称振谐波谐臂L负（晶之式振形波、，载呈闸为逆回接在R每换容管容变构路近负桥相性开性电成对正载臂方）通小路并基弦上晶式。时失（联波波产闸，的谐但谐呈。生管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
③各桥臂的晶闸管和 二极管串联使用。
④ 120°导电工作方式
⑤强迫换流方式，电 容C1~C6为换流电容。
重点分析：换流过程（因电容C，强迫换流）
➢电容器充电规律：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
➢等效换流电容概念：分析从 VT1向VT3换流时，C13就是 C3与C5串联后再与C1并联的 等效电容.
※两个重要参数：
触发引前时间 :
t=t+ tb io超前于uo的 时间 :
t = t / 2 + tb
即为功率因数角。
4.3.2 三相电流型逆变电路（桥式）
（1）采用全控型器件GTO
基本工作方式是1200导电方式：每个臂一周期内 导电1200，每时刻上下桥臂组各有一个臂导通， 为横向换流。
三相电流型逆变输出特性（全控型器件）：
➢ 输出线电压波形和负载性质有关，若有电感，因 电感的作用，每次换相时会产生电压冲击。
（2）串联二极管式晶闸管逆变电路
（串联二极管式晶 闸管逆变电路）
①主要用于中大功率交 流电动机调速系统。 ②电流型三相桥式逆 变电路，输出波形与 全控型器件时一样。
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并电抗个采电限C应谐联压，桥和用压制称振谐波谐臂L负（晶之式振形波、，载呈闸为逆回接在R每换容管容变构路近负桥相性开性电成对正载臂方）通小路并基弦上晶式。时失（联波波产闸，的谐但谐呈。生管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
③各桥臂的晶闸管和 二极管串联使用。
④ 120°导电工作方式
⑤强迫换流方式，电 容C1~C6为换流电容。
重点分析：换流过程（因电容C，强迫换流）
➢电容器充电规律：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
➢等效换流电容概念：分析从 VT1向VT3换流时，C13就是 C3与C5串联后再与C1并联的 等效电容.
※两个重要参数：
触发引前时间 :
t=t+ tb io超前于uo的 时间 :
t = t / 2 + tb
即为功率因数角。
4.3.2 三相电流型逆变电路（桥式）
（1）采用全控型器件GTO
基本工作方式是1200导电方式：每个臂一周期内 导电1200，每时刻上下桥臂组各有一个臂导通， 为横向换流。
三相电流型逆变输出特性（全控型器件）：
电力电子技术 第3版课件第4章
（2）交流调功电路或无触点开关电路对交流电源实现 通断控制，电路结构与相控交流调压类似。区别在于 调功电路仅在交流电过零时刻开关。在接通期间，负 载上承受的电压与流过的电流均是正弦波，仅仅表现 为负载通断。
交流调压和交流调功技术统称为交流开关控制技术 或交流电力控制技术。 （3）交-交变频电路也称直接变频电路（或周波变流 器），它不通过中间直流环节把电网频率的交流电直 接变换成不同频率的交流电的变换电路，包括相控式 交-交变频和矩阵式交-交变频。
4.2、交流调压电路
交流调压就是把固定幅值、频率的交流电变成幅值 可调的交流电。 （1）自耦变压器调压：输入输出电压波形如图4-1(a) 所示。 （2）相控式交流调压：用两只反并联晶闸管实现可 控双向开关，通过改变触发脉冲相位来调节输出电压， 如图4-1(b) 。 （3）斩控式交流调压：用全控型器件实现可控双向 开关，在图中阴影部分的时间内关断开关，在其他时 间内接通开关，如图4-1(c) 。
u
uu
uv
uw
(a) 0
t1 t 2 π
2π
t
ug (b)
61 2345
0
VT1 VT2 (c) VT3 VT4 VT5 VT6
(d)
VT1 VT2
VT3
VT4
VT5
VT6
（e）uRU
t
uu
0
u RU
t
u
uu
uv
(a) 0 图43 /-π9 π
uw 2π
ug 6 1 2 3 4 5 6 (b)
0
VT1 VT2 (c) VT3 VT4 VT5 VT6
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
u
uu
uv
uw
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PWM脉宽调制变频电路
综合以上分析可知，图4-2b、c和图4-3电路结构在运 行中存在以下缺点：
(1)调压与调频需要两套可控晶闸管变换器，开关元件多， 控制线路复杂。
(2)晶闸管可控整流侧在低频低压下功率因数太低。 (3)逆变器输出的阶梯波交流电压(电流)谐波分量较大， 因此变频器输出转矩的脉动率 大，低速时影响电动机的 稳定工作。 (4)由于储能电容的充放电时间长，变频器的动态反应慢。 (5)变压器漏抗对电网产生的影响较大。
PWM脉宽调制变频电路
PWM型变频器有以下几个优势： (1)主电路只有一个可控的功率环节，开关元件少，控 制线路简单。 (2)整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变 器输出电压无关而接近于1。 (3)通过对PWM控制方式的控制，能有效地抑制或消除低 次谐波，实现接近正弦形的输出交流电压波形。 (4)调频调压在同一环节实现，无中间储能环节，动态 响应加快。
PWM脉宽调制变频电路
图4-3 交—直—交电流型变频器结构图 a）可控整流器调节电压，逆变器调节频率。 b）二重化结构。
PWM脉宽调制变频电路
图4-3a中可控整流器调节电压和电流的大小，逆
变器调节输出电压频率，电容Cd为电流型滤波环节， Ld为限流电感。由于电流型变频器很少进行脉冲宽度调
制，而图4-3a结构的电路输出电流波形(方波)中谐波 分量太大，影响了电动机的低速性能，因此，对电流 型变频器可以采用图4-3b所示的二重化结构。该结构 中，上下两套变频器的输出方波电流频率一致，但相 位上错开一定角度，输出时将两套变频器的输出电流 进行叠加，叠加之后输出的交流电流将成为多阶梯的 波形，更接近于正弦波，有利于抑制低速运行时的转 矩脉动，扩大运行范围。
PWM脉宽调制变频电路
在图4-2b、c两种电路结构中，因采用不可控整流 器，功率因数高。而在图4-2a电路中，由于采用可控 整流，输出电压有换相电压降产生，谐波的无功功率 使得输入端功率因数降低。在图4-2a、b两种电路结构 中，独立的调压调频环节使之容易分开调试，但系统 的动态反应慢。图4-2c所示的电路结构则具有动态响 应快，功率因数高的特点。
PWM脉宽调制变频电路
图4-1 变频器结构框图 a）交—交变频器 b) 交—直—交变频器
PWM脉宽调制变频电路
图4-2 交—直—交电压型变频器的结构形式。 a） 可控整流器调压，逆变器调频 b）二极管整流，斩波器调压，逆变器调频。 c）二极管整流，PWM逆变器调压，调频。
PWM脉宽调制变频电路
PWM脉宽调制变频电路
变频器的分类
PWM脉宽调制变频电路
如图4-1所示为交—交变频器与交—直—交变频器 的结构框图。图4-1a所示的交—交变频器在结构上没有 明显的中间滤波环节，来自电网的交流电被直接变换为 电压、频率均可调的交流电，所以称为直接变频器。而 图4-1b所示的交—直—交变频器有明显的中间滤波环节， 其工作时首先把来自电网的交流电变换为直流电，经过 中间滤波环节之后，再通过逆变器变换为电压、频率均 可调的交流电，故又称为间接变频器。
PWபைடு நூலகம்脉宽调制变频电路
4.1.1 PWM脉宽调制原理
图4-5为GTR元件作为功率开关的PWM逆变器主电 路原理图。对逆变器的变压变频控制，是通过对功 率开关VT1-VT6的规律性通断控制来实现的，所以， PWM逆变器的通断控制规则即脉冲宽度调制方式决定 着逆变器的输出性能。脉宽调制的方式很多：由调 制脉冲的极性可分为单极性和双极性；由载波信号 和参考信号 (或控制波信号)的频率关系可分为同步 调制方式和异步调制方式。
PWM脉宽调制变频电路
4．1 PWM控制的基本原理 4．2 单相PWM逆变电路 4．3 三相桥式PWM逆变电路 4．4 PWM控制变频系统中的功率接口
PWM脉宽调制变频电路
为负载提供可变交流电源的装置叫变频器，其功 能是将电网电压提供的恒压恒频CVCF交流电变换为变 压变频VVVF(通常简称3VF)交流电。变频器最典型的应 用就是交流电动机的无级调速。变频电路按其电路结 构特点、控制方式或输出波形的不同，可构成不同类 型的变频器。
图4-2a所示电路在整流环节调节可控整流器的控制
角α进行调压，逆变器只进行调频。图4-2b所示电路的
整流器是不可控的，其调压是通过斩波器进行的，逆变 器仅进行调频。图4-2a、b两种电路结构的共同特点在于 都有专门的调压环节调整输出电压的幅值，从最后输出 波形看，它们同属于脉冲幅度调制PAM方式。图4-2c所示 电路则是以不可控制整流器接入电网，整流之后不调节 电压幅度就送入逆变器，在逆变器同时完成调频调压， 因其电压幅值不可变，逆变器的调压靠改变电压输出脉 冲的宽度来完成，从输出波形上看，该电路属于脉冲宽 度调制PWM方式。
PWM脉宽调制变频电路
4.1.1 PWM脉宽调制原理
图4-5 PWM逆变器主电路原理图
PWM脉宽调制变频电路
4.1.1 PWM脉宽调制原理
1.单极性脉宽调制 （1）参考信号为直流电压的脉宽调制方式
在单极性脉宽调制中，控制信号与载波信号都是单极 性的信号。对图4-5所示的电路而言，当参考信号为单极
形成不可调的直流电压Ud。而逆变环节则以六只功率开关
器件和辅助元件构成，这些开关器件可以选用功率晶体管 GTR，功率场效应晶体管MOSFET，绝缘门极晶体管IGBT等。 控制逆变器中的功率开关器件按一定规律导通或断开，逆 变器的输出侧即可获得一系列恒幅调宽的输出交流电压， 该电压为可调频、可调压的交流电——VVVF。
得益于以上这些优势， PWM控制方式正逐步取代其 它形式的电路结构在变频技术和产品中占领主导地位。
PWM脉宽调制变频电路
4.1 PWM控制的基本原理
图4-4 PWM交—直—交变频电路图
PWM脉宽调制变频电路
4.1 PWM控制的基本原理
图4-4是典型PWM交—直—交变频器主电路图，其整流 环节采用不可控二极管整流桥，其输出电压经电容滤波后
性直流电压ur，载波信号为单极性三角波ut时，对电路A
相(即VT1、VT4桥臂)的调制规律如下： 输出电压正半周由VTl提供，VT4截止。