电力电子DC-AC逆变讲解

sin(t )
电力电子技术——DC-AC逆变
4.2.3 变压器中心抽头推挽式单相逆变电路
负载
a A * * O
1
* b B
仅二个开关T1、T2 轮流导电180度
开关管断态电压高一 倍 2VD 要输出变压器
VD
T1
D
D2
T2
变压器中心抽头推挽式单相逆变电路
适用于低压小功率、 须隔离的应用
交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源
等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。
电力电子技术——DC-AC逆变
4.0.1 逆变电路的基本工作原理
以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工 作原理
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。
uo
Ud S1 io 负载 S3 uo S 4 io t1 t2 t
S2 a)
b)
逆变电路及其波形举例
电力电子技术——DC-AC逆变
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。
直流电
交流电
电力电子技术——DC-AC逆变
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。
电阻负载时，负载电流 io 和uo的波形相同，相位也 相同。
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。
电感耦合式强迫 换流原理图
直接耦合式强迫换 流原理图
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4.0.3 PWM
所谓PWM就是在所需的频率周期内，将直流电压调制成等 幅不等宽的系列交流输出电压脉冲，以达到控制频率、 电压、电流和抑制谐波的目的。
4.1.1 逆变器的类型
4.1.2 逆变器输出波形性能指标
4.1.3 其他指标
电力电子技术——DC-AC逆变
4.1.1 逆变器的类型
依据直流电源的特性不同可分为：
电压型逆变器VSI 电流型逆变器CSI
按输出电压不同分为CVCF、VVVF、脉冲型 按逆变器电路结构不同分为：
单相半桥 单相全桥 推挽逆变 三相桥
4.0.0 引言
逆变的概念
电力电子技术——DC-AC逆变
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。
主要应用
各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。
4.2.1 电压型单相全桥逆变电路 4.2.2 电压型单相半桥逆变电路
4.2.3 变压器中心抽头推挽式(Push-Pull)单相逆变电 路
电力电子技术——DC-AC逆变
4.2.1 电压型单相全桥逆变电路 V
ab
驱动
T1
T4
驱动 驱动
T2 T3
T1
T4
iD VD
T1
a
0
t
ia
(b)负载电压 t
ia
D1 T3
电力电子技术——DC-AC逆变
4.3 三相逆变电路工作原理
4.3.1 电压型三相逆变工作原理 4.3.2 电流型三相逆变工作原理
电力电子技术——DC-AC逆变
4.3.1 电压型三相逆变工作原理
三个相差120度的单相逆变器组成一个三相逆变器
+
逆变器 1 逆变器 2 逆变器 3
A
VAD D
B
Va n
uo io O i
uo a)
iVT iVT
1
io
?t
4
O i
O uVT O
iVT
2
iVT
3
?t ?t
t1
uVT
uVT
1
4
?t
b)
负载换流电路 及其工作波形
电力电子技术——DC-AC逆变
4)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
T1
VD
n
Co2
Z
ia
D1
van
1 VD 2
a
D2
T2
ia
0
驱 动 T1
T0 2
驱 T0 动 T2
3 T0 4
(b)电压波形
3T0 2
t
(a)电路
0
ia
T 1 ON 1 T0 4
T2 ON T 0
(c)电阻负载电流波形
t
电容分压，半桥电路 T1、T2交替通、断
1V d iam 8 f0L
Z b
D3
D4
0
R负载
T2
D2
T4
ia
0
(c)电阻负载电流波形
T0 4 T0 2 3T0 4 T0 D
2
t L负载
(a)电路
D 1 D4
T1 T4
D3
T
2
T3
ia
(d)电感负载电流波形
T
1
T1、T4与T2、T3 交替通、断

0
D1 D4
T4

2
D2 D3 T
2
T3
RL负载
t
iD
Tห้องสมุดไป่ตู้
1
(e)R-L负载电流波形
T
4
T
2
T3
0 (f)输入电流波形
t
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4.2.1 电压型单相全桥逆变电路（续）
iD VD
T1
a
ia
D1 T3
Z b
D3
D4
0
vab
驱动
T1 T4
T2
D2
驱动 T1 驱动
T2 T3
T4
T4
t
(a)电路
(b)负载电压
电阻负载 负载 阻感负载
电感
图4.3
4V D v ab t sin(nt ) n n 1, 3, 5 ,
第4章
直流/交流变换器
1
电力电子技术——DC-AC逆变
4
直流/交流逆变器
4.0 换流方式 4.1 逆变器的类型和性能指标 4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理 4.3 三相逆变电路工作原理
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4.0 换流方式
引言 逆变电路的基本工作原理 换流方式分类 PWM
4.0.0 4.0.1 4.0.2 4.0.3
( a ) 基 本逆 变电 路
n2 0 n次 谐 波 衰 减 了 n 2倍 ，

Vn
2
(
Vn n
0
)2
vo
v1
VD
0 D
C
vo

t
X-Axis
第n次 谐 波 的 畸 变 系 数 : Vn HF DFn 2 2n n V1 n
Vn 2 1 总畸变系数 : DF ( 2) V1 n 2, 3,4 n 1 2
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换流方式总结：
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——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。
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4.1 逆变器的类型和性能指标
负载
a A * * O
1
* b B
P
Vd 2
0 Vd 2
VD
D1 T3 ia
a
T1
D
D2
T2
T1
D3 T5
ib
D5 ic
c
推挽式单相逆变电路
b
T4 D4
T6
D6
T2
D2
Q 电压型三相桥式逆变电路
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4.1.2 逆变器输出波形性能指标
(1)谐 波 系 数 HFn Vn / V1
1 2 ( 2)总 谐 波 系 数 THD Vn V1 n 2, 3,4


12
1 2 2 THD （Vn V1 ) V1 n 1, 2
12

V V 1 1
2
V 2 V1 2 V2 2 V3 2
由换流电路内电容 直接提供换流电压 通过换流电路内的 电容和电感的耦合 来提供换流电压或 换流电流 直接耦合式 强迫换流 电感耦合式 强迫换流
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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。 电感耦合式强迫换流
本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在 本章集中讲述。
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1) 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。
2VD van sinnt n1, 3 , 5 , n
基 波v a 1 2VD sint

T2
(a)电路
van
1 VD 2

0
驱 动 T1
T0 2
2VD V1 0.45VD 2
驱 T T2 0 动
(b)电压波形
3T0 2
t
ia (t )
2V1 R (L)
2 2
VD
驱动 T1 T4
i ab
t
驱动 T1 T4
ID
0
驱动 T1 T4
驱动
T2
T3
VD
0
驱动
T2
T3
t
负载电压
I D
负载电流
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Co1
T1
单相半桥
VD
n
Co2
Z
ia
D1
a
D2
T2
id
单相全桥
VD
T1
a
ia
D1 T3
Z b
D3
D4
T2
D2
T4
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阻感负载时，io相位滞后 于uo，波形也不同。
uo
a)
io
t1 t2
t b)
逆变电路及其波形举例
电力电子技术——DC-AC逆变
4.0.2 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，也称为换相。
开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 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。
4.1.2 逆变器输出波形性能指标（续）
畸变系数DF
A S1 S3
逆变电路输出的n次谐波有效值Vn经LC 滤波后在负载上的n次谐波电压VLn为:
L C
v0
C D
v1
R
V Ln
Vn n L 1 nc

1 n c

Vn n 2 2 LC 1
VD
S2 B
S4
V Ln
Vn n 2 2 LC
a
VBE E
C
Vb n
Vcn
b c n
VCF F
（a）框图
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2) 电网换流（Line Commutation）

3) 负载换流（Load Commutation） 4) 强迫换流（Forced Commutation）
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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。 如图是基本的负载换流电路，4 个桥臂均由晶闸管组成。 整个负载工作在接近并联谐振状 态而略呈容性。 直流侧串电感，工作过程可认为 id 基本没有脉动。 负载对基波的阻抗大而对谐波的 阻抗小。所以uo接近正弦波。 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。
180 方波 VD
v1 ( t ) VD
0
V1 V3
2 2

VD

T 2
X-Axis
t t
180 o 方波
1 HF3 V3 / V1 0.33 V1 3 1 HF5 0.2 V5 V1 5 VD 2 V1 2 THD 0.48 2 V1
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T 2
t

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4.1.3 其他指标
逆变器的性能指标除输出波形性能指标外，还应包 括：
逆变效率
单位重量（或单位体积）输出功率
可靠性指标
逆变器输入直流电流中交流分量的数值和脉动频率 电磁干扰EMI及电磁兼容性EMC
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4.2 电压型单相方波逆电路工作原理
按开关器件不同及换流关断方式不同分类： 自关断、强迫关断、有源逆变、负载反电动势、负载 谐振换流逆变器。
电力电子技术——DC-AC逆变
电压型逆变器VSI
iD
电流型逆变器CSI
iD
C
VD
T1
a
ia
D1 T3
Z
D3
b
L
VD
T1
a
ia
D1
Z
T3
b
D3
D4
T2
D2 T4
D4
T2
D2 T4
Vab
驱动 T1
T4


不同负载时，D、T 导电情况不同 T导电供电，D导电 续流（反回）
总有效值 Vab
2 T 0
4VD 2

T0 2 0
2 VD dt

VD
基波有效值 V1

2 2

VD 0.9VD
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4.2.2 电压型单相半桥逆变电路
Co1
D1 RL
0
T1
D
2 T2
t
iam
(d)电感负载电流波形
ia
0
二级管D的功用
R、L负载时，T、D交替 导电
t
D 1 T1
D2
T2
(e)R-L负载电流波形
单相半桥逆变电路及电压电流波形
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4.2.2 电压型单相半桥逆变电路（续）
Co1
T1
VD
n
Co2
Z
ia
D1
a
D2