4电力电子-逆变电路

9
换流方式分类
归纳——换流方式：
器件换流
适用于全控型器件
电网换流 ——不适用于无源逆变电路
负载换流
主要针对晶闸管
强迫换流
10
换流方式分类
归纳——换流方式：
器件换流 强迫换流
因器件或变流器自身原因引起换流
自换流
电网换流 负载换流
借助于外部手段（电网电压或负载电压）换流 外部换流
11
4.2 电压型逆变电路
VD5 VD2
2
3Ud
sin
t
n
1 n
(1)k
sin
nt
N
基波幅值UAB1m：
-
V4
V6
V2
UAB1m 2
3Ud
1.1Ud
输出线电压的有效值UAB：
UAB 0.816Ud
基波有效值UAB1：
UAB1 UAB1m 2
6
Ud
0.78Ud
26
三相电压型逆变电路
3.参数计算
+
N'
V1
23
三相电压型逆变电路
2.工作原理
+
V1
V3
V5
N'
-
Ud 2
VD1
A B
Ud
VD4
2
V4
V6
VD3
C VD6
V2
VD5 VD2
AB
+ RR
Ud
N
_
R
C
V1、V2、V3同时导通
+
B
R
Ud
N
_R
R
AC
V2、V3、V4同时导通
•触发导通的顺序为V1～V6，依次相差60°。 •任一瞬间有三个桥臂同时导通，导通的组合
只要把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断，
不需要器件具有自关断能力，也不需要为换流附加任何元件。
电网换流不适用于无源逆变电路。
6
换流方式分类
三、负载换流
利用负载的谐振特性来提供换流电压实现换流。 适用于负载电流相位超前于负载电压的场合。
只要负载电流超前于负载电压的时间足够，即可实现可靠换流。 主电路不需要附加换流环节，也称为自然换流。
7
换流方式分类
三、负载换流
Ld
i
d
VT1
C
E d
- i
o
+
R
L
VT
u
2
o
•4个桥臂均由晶闸管组成。 •负载工作在接近并联谐振状态而略 VT3 呈容性。
两组开关切换频率略高于并联谐振频率
VT 4 设换流时：
VT1、VT4关断→VT2、VT3导通
➢ 将负载与其它换流元件接成并联或串联谐振电路，使负载呈容性。 当负载电流下降到零时，负载电压仍未反向，从而给欲关断的管子提供 一定时间的反向电压，只要负载电流超前于负载电压的时间（即管子承 受反压的时间）大于晶闸管的关断时间，就能实现可靠换流 。
V4
电压型逆变电路
共有4个桥臂，桥臂1、4为 VD3 一对，桥臂2、3为另一对，
成对的两个桥臂同时导通， VD4 两对交替工作，各导通
180°——180°导电型。
——纵向换流
18
单相电压型逆变电路
二、全桥逆变电路
2.工作原理
+
V1
V3
VD1
VD3
Ud +C
R io L
+
uo
_
_
V2
VD2
V4
VD4
15
单相电压型逆变电路
一、半桥逆变电路
4.二极管的作用
+
+
1 2 Ud
+ C1
Ud - i_o R
+
V1
L uo +
1
_
2 Ud
-
+ C2
V2
VD1 VD2
uo
1
2 Ud
0
-
1 2
Ud
t
io
0 t1
t3
t5
t2
t4
t6 t
V1
V2
V1
VD1
VD2
VD1
VD2
（1）为(负a) 载电流继续流通提供通路（续流二极管）；
1 2
Ud
io<0 io 反向↑
t4~t5: V2关断，VD1续流
1 uo 2 Ud
电流io<0 io反向↓
14
单相电压型逆变电路
一、半桥逆变电路
3.工作特点
+
+
1 2 Ud
+ C1
Ud - i_o R
+
V1
L uo +
1
_
2 Ud
-
+ C2
V2
VD1 VD2
uo
1
2 Ud
0
-
1 2
Ud
t
io
uAN=uCN=-Ud/3，uBN= 2Ud/3。 其余各时段的工作情况见工作表。
ug1 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
0 ug2
ωt
0 ug3
ωt
ug04
ωt
ug05
ωt
0 ug6
ωt
uA0B
ωt
Ud
0 u-UBCd
ωt
Ud
0 u-CUAd
ωt
Ud
0
ωt-UduA源自 013Ud32Ud
ωt
uBN 0
13Ud
死区时间的长短由器件的开关速度决定，器件的开关速度越快，则 所留的死区时间越短。
22
三相电压型逆变电路
1.电路组成
+
N'
V1
V3
Ud 2
VD1
A B
Ud
VD4
2
-
V4
V6
V5 VD3
C VD6
V2
VD5 VD2
基本工作方式——180°导电方式。 N 任一瞬间将有三个桥臂同时导通。
每次换流都是在同一相上下两桥臂 之间进行。——纵向换流。
一、半桥逆变电路
1.电路组成
++
1 2 Ud
-
Ud
+
+ C1 i_o R
V1
L uo +
_
1 2
U
d
-
+ C2
V2
VD1 VD2
直流侧并联有大(电a) 容，相当于电压源。 电压型逆变电路
13
单相电压型逆变电路
一、半桥逆变电路
2.工作原理
uo
1
2 Ud
+
+
1 2 Ud
+ C1
Ud - i_o R
+
V1
VD 2 V 3
VD4
VD 3
VD 4
VD 3
19
单相电压型逆变电路
二、全桥逆变电路
2.工作原理
+
V1
Ud +C
_
V2
uo Ud
O - Ud
io
V3
VD1
R io L
+
uo
_
VD2
V4
O
V1
V1
V4
V2
V4
VD 1
VD 2 V 3 VD 1
VD 2
VD4
VD 3
VD 4
VD 3
VD3
VD4
t
t
V2 V3
L uo +
1
_
2 Ud
-
+ C2
V2
VD1 VD2
0
-
1 2
Ud
t
io
0 t1
t3
t5
t2
t4
t6 t
V1
V2
V1
VD1
VD2
VD1
VD2
t1~t2: t2~t3:
V1导通(a)
uo
1 2
Ud
V1关断 VD2续流
io>0
1 uo 2 Ud
io ↑ 电流io>0
io ↓
t3~t4: V2导通
uo
半桥式、全桥式、推挽式、多重和多电平式逆变电路。
输出相数
单相逆变器、三相逆变器。
换流方式
器件换流、电网换流、负载换流、强迫换流
3
逆变电路的基本工作原理
S1
i
o
负载
S3
Ud S2
uo S4
uo
+Ud
-Ud
T 实现无源逆变
t
注 意
S1~S4是桥式电路的4个桥臂，由电力电 子器件及辅助电路组成。 当开关S1、S4 闭合，S2、S3断开时，负 载电压uo= +Ud； 当S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电 压uo=-Ud 。 改变两组开关的切换频率，即可调节输 出交流电的频率。
顺序为：V1V2V3、V2V3V4、V3V4V5、V4V5V6、 V5V6V1、V6V1V2。 •每种组合工作60°。
N 第Ⅰ时段：V1、V2、V3同时导通： 输出线电压： uAB=0，uBC= Ud，uCA= −Ud。 输出相电压： uAN=uBN=Ud/3，uCN=-2Ud/3。
第Ⅱ时段：V2、V3、V4同时导通： 输出线电压：
uAB= −Ud，uBC= Ud，uCA=0 。
输出相电压：
uAN=uCN=-Ud/3，uBN= 2Ud/3。
24
三相电压型逆变电路
2.工作原理
+
V1
V3
V5
Ud 2
VD1
VD3
VD5
A
N'
B
N
C
Ud 2
VD4
VD6
VD2
-
V4
V6
V2
第Ⅰ时段： uAB=0，uBC= Ud，uCA= −Ud。
uAN=uBN=Ud/3，uCN=-2Ud/3。 第Ⅱ时段： uAB= −Ud，uBC= Ud，uCA=0 。
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变 为零，称为熄灭。
5
换流方式分类
一、器件换流
利用全控型器件的自关断能力进行换流。
不需要借助于外电路，实现容易，控制简单。
二、电网换流
由电网提供换流电压实现换流
•可控整流电路（整流、逆变） •交流调压电路 •采用相控方式的交交变频电路
电网换流
二、全桥逆变电路 3.参数计算
将幅值为±Ud的矩形波uo展开成傅里叶级数，得
uo
4U d
sin t
1 sin 3t
3
1 sin 5t
5
其中基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为
U o1m
4U d
1.27Ud
2 U o1
2U d
0.9Ud
注意：上述公式对半桥逆变电路也适用，将式中的Ud换成Ud /2即可。
V1、V4导通时
io：+ → V1 →负载→ V4 → -
uo= +Ud
io>0 io↑
直流电源向负载供电
uo
Ud
VD2、VD3续流
O - Ud
t
io：- → VD2 →负载→ VD3 → +
uo= -Ud
io>0 io↓
io
负载向直流侧反馈无功能量
O V1
V1
t
V4
V2
V4
V2
VD 1
VD 2 V 3 VD 1
V2、V3导通时
io：+ → V3 →负载→ V2→ -
uo= -Ud
io<0 io反向↑
直流电源向负载供电
VD1、VD4续流
io：- → VD4 →负载→ VD1→ +
uo= +Ud
io<0 io反向↓
负载向直流侧反馈无功能量
uo的波形与半桥电路相同，幅值为
Uom= ±Ud
20
单相电压型逆变电路
（2）为负载向直流侧反馈无功能量提供通道（反馈二极管）；
（3）防止开关管反向击穿。
16
单相电压型逆变电路
一、半桥逆变电路
uo
1
2 Ud
+
+
1 2 Ud
+ C1
Ud - i_o R
+
V1
L uo +
1
_
2 Ud
-
+ C2
V2
VD1 VD2
0
-
1 2
Ud
t
io
0 t1
t3
t5
t2
t4
t6 t
V1
V2
V1
实现无源逆变的电路称为无源逆变电路，简称为逆变器。
逆变电路（逆变器）—— 一般指无源逆变电路 逆变电路既可用晶闸管构成，也可用全控型器件构成。
2
概述
二、逆变电路的分类
直流电源的性质
储能（滤波）元件 直流侧等效 输出波形
电压型逆变器 电容 恒压源
uo为矩形波
电流型逆变器 电感 恒流源
io为矩形波
电路结构
32Ud
ωt
uCN 0
13Ud
2 3
Ud
ωt
25
三相电压型逆变电路
3.参数计算
将输出线电压uAB展开成傅里叶级数得：
+
V1
V3
V5
uAB
2
3Ud sin t 1 sin 5t 1 sin 7t 1 sin11t 1 sin13t
5
7
11
13
Ud 2
VD1
A
N'
B
Ud
VD4
2
VD3
C VD6
优点 ：简单，使用器件少。
VD1
VD2
VD1
VD2
(a)
缺点 ：输出交流电压幅值Uom仅为Ud/2，且直流侧需两电容器串联
分压，工作时要控制两个电容器电压均衡。
常用于几kW以下的小功率逆变电路
17
单相电压型逆变电路
二、全桥逆变电路 1.电路组成
+
V1
Ud +C
_
V2
V3
VD1
R io L
+
uo
_
VD2
8
换流方式分类
四、强迫换流（电容换流、脉冲换流）
设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管施加一个短暂反向脉 冲电压来迫使原导通的管子关断。
换流电路通常由电感、电容、小容量的晶闸管等元件构成
S -
VT + C
晶闸管VT导通时，预先给电容C充电。
合上开关S，就可使晶闸管被施加反向电压而关 断。
由换流电路内电容直接提供换流电压 ——电容换流
改变直流电压Ud → 调节输出电压有效值Uo1
21
单相电压型逆变电路
+
V1
V3
VD1
VD3
Ud +C
R io L
+
uo
_
_
V2
VD2
V4
VD4
为防止串联桥臂开关器件同时导通而引起的直流侧电源短路，应采 取“先断后通”的方法。