第4章 逆變電路2015

1、1 第四章第四章 逆變電路逆變電路 4.1 逆變的基本概念逆變的基本概念 4.2 換流方式換流方式 4.3 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 4.4 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路 2 4.1 逆變的基本概念 4.1.1 4.1.1 逆變的概念逆變的概念 與整流相對(duì)應(yīng)，直流電變成交流電。與整流相對(duì)應(yīng)，直流電變成交流電。 固定直流固定直流幅值和頻率都可控的正弦交流幅值和頻率都可控的正弦交流 有源逆有源逆變變、無源逆、無源逆變變的的概概念和念和區(qū)別區(qū)別 逆變電路的應(yīng)用（直流電源、逆變器）逆變電路的應(yīng)用（直流電源、逆變器） 逆變器的分類（按照相數(shù)、輸入端電源、逆變器的分類（按照相數(shù)、輸入端

2、電源、 控制方式分類）控制方式分類） 何謂交流電何謂交流電 3 4.1.2 逆變電路基本原理 1、開關(guān)型逆變器基本結(jié)構(gòu)、開關(guān)型逆變器基本結(jié)構(gòu) 2、逆變器輸出特性、逆變器輸出特性 負(fù)載 a)b) t S 1 S 2 S 3 S 4 i o u o U d u o i o t1t2 方波、正弦波（特殊控制）方波、正弦波（特殊控制） 圖圖4-1 逆變電路及其波形舉例逆變電路及其波形舉例 負(fù)載負(fù)載-RL 4 4.1.3 逆變電路分類和特點(diǎn) 電壓型電壓型逆變電路：直流側(cè)是電壓源。逆變電路：直流側(cè)是電壓源。 電流型電流型逆變電路：直流側(cè)是電流源。逆變電路：直流側(cè)是電流源。 輸出電壓輸出電壓-矩形波，矩形波

3、， 輸出電流輸出電流-負(fù)載阻抗不負(fù)載阻抗不 同而不同。同而不同。 圖圖4-2 全橋電壓型逆變電路全橋電壓型逆變電路 1、根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)、根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì) 2、電壓型逆變電路的特點(diǎn)、電壓型逆變電路的特點(diǎn) 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián) 大電容，電壓基本無脈動(dòng)。大電容，電壓基本無脈動(dòng)。 R;RL,RC? 5 4.1.3 逆變電路分類和特點(diǎn) 續(xù)流二極管作用續(xù)流二極管作用 圖圖4-2 全橋電壓型逆變電路全橋電壓型逆變電路 阻感負(fù)載時(shí)需提供無阻感負(fù)載時(shí)需提供無 功功率，并聯(lián)反饋二功功率，并聯(lián)反饋二 極管給交流側(cè)向直流極管給交流側(cè)向直流 側(cè)反饋的無功能量提側(cè)反饋的無功能量提 供通道供通道

4、思考：無思考：無D如何？如何？ 6 3、電流型逆變電路的特點(diǎn)、電流型逆變電路的特點(diǎn) 直流側(cè)串直流側(cè)串大電感大電感，電流基本無脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源。，電流基本無脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源。 交流輸出電流為交流輸出電流為矩形波矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)，輸出電壓波形和相位因，與負(fù)載阻抗角無關(guān)，輸出電壓波形和相位因 負(fù)載不同而不同。負(fù)載不同而不同。 直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。 電流型逆變電路中，采用電流型逆變電路中，采用半控型器件半控型器件的電路仍應(yīng)用較多，換流方式有的電路仍應(yīng)用較多，換流方式有 負(fù)載換流負(fù)載換流、強(qiáng)迫

5、換流強(qiáng)迫換流。 4.1.3逆變電路分類和特點(diǎn) 圖圖4-3 電流型三相橋式逆變電路電流型三相橋式逆變電路 7 4.2 換流方式 4.2.1 4.2.1 換流的概念換流的概念 電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也 稱為換相。稱為換相。 研究換流的主要目的？研究換流的主要目的？-關(guān)斷關(guān)斷 例：整流電路器件的換流（換相）例：整流電路器件的換流（換相） 8 4.2.2 換流方式的分類 器件換流（器件換流（Device Commutation） 利用利用全控型器件的自關(guān)斷能力全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。進(jìn)行換流。 在采用在采用IGBT 、電力、電力MOSFE

6、T 、GTO 、GTR等全控等全控 型器件的電路中的換流方式是器件換流。型器件的電路中的換流方式是器件換流。 電網(wǎng)換流（電網(wǎng)換流（Line Commutation） 電網(wǎng)電網(wǎng)提供提供換流電壓換流電壓的換流方式。的換流方式。 將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān) 斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒 有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。 反壓時(shí)間反壓時(shí)間 （可控整流電路）（可控整流電路） 9 4.2.2 換流方式的分類 由由負(fù)載負(fù)載提供提供換流電壓換流電壓的換流方式。的

7、換流方式。 負(fù)載負(fù)載電流電流的的相位超前相位超前于負(fù)載于負(fù)載電壓電壓的的 場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流，如電容性場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流，如電容性 負(fù)載和同步電動(dòng)機(jī)。負(fù)載和同步電動(dòng)機(jī)。 圖圖4-2a4-2a是基本的負(fù)載換流逆變電路，是基本的負(fù)載換流逆變電路， 整個(gè)負(fù)載工作在接近整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)并聯(lián)諧振狀態(tài)而而 略呈略呈容性容性，直流側(cè)串大電感，工作過，直流側(cè)串大電感，工作過 程可認(rèn)為程可認(rèn)為i id d基本沒有脈動(dòng)?；緵]有脈動(dòng)。 t t t t O O O O i i t1 b) o uo io io uVT iVT1iVT4 iVT 2 iVT 3 u VT1 u VT4 圖圖4-4

8、 負(fù)載換流電路及其工作波形負(fù)載換流電路及其工作波形 負(fù)載換流（負(fù)載換流（Load Commutation） 10 4.2.2 換流方式的分類 t t t t O O O O i i t1 b) o uo i o io uVT iVT 1 iVT 4 iVT2iVT3 u VT 1 uVT 4 負(fù)載對(duì)基波的阻抗大負(fù)載對(duì)基波的阻抗大 而對(duì)諧波的阻抗小，所而對(duì)諧波的阻抗小，所 以以u(píng) uo o接近接近正弦波正弦波。 觸發(fā)觸發(fā)VTVT2 2、VTVT3 3的時(shí)刻的時(shí)刻 t t1 1必須在必須在u uo o過零前并留有過零前并留有 足夠的裕量，才能使換足夠的裕量，才能使換 流順利完成。流順利完成。 11

9、 設(shè)置設(shè)置附加的換流電路附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施 加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。 通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此 也稱為也稱為電容換流電容換流。 分類分類 直接耦合式強(qiáng)迫換流直接耦合式強(qiáng)迫換流：由換流電路內(nèi)電容直接提供：由換流電路內(nèi)電容直接提供 換流電壓。換流電壓。 電感耦合式強(qiáng)迫換流電感耦合式強(qiáng)迫換流：通過換流電路內(nèi)的電容和電：通過換流電路內(nèi)的電容和電 感的耦合來提供換流電壓或換流電流。感的耦合來提供換流電壓或換流電流。 4.2.2 換流方式的分類 強(qiáng)迫換

10、流（強(qiáng)迫換流（Forced Commutation） 12 4.2.2 換流方式的分類 直接耦合式強(qiáng)迫換流直接耦合式強(qiáng)迫換流 圖圖4-3 直接耦合式強(qiáng)迫直接耦合式強(qiáng)迫 換流原理圖換流原理圖 原電路電流流向？原電路電流流向？ 當(dāng)晶閘管當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時(shí)，預(yù)處于通態(tài)時(shí)，預(yù) 先給電容充電。當(dāng)先給電容充電。當(dāng)S合上，就可合上，就可 使使VT被施加反壓而關(guān)斷。被施加反壓而關(guān)斷。 也叫電壓換流。也叫電壓換流。 13 4.2.2 換流方式的分類 晶閘管上的反向電壓晶閘管上的反向電壓-二極管壓降二極管壓降 圖圖4-4 電感耦合式強(qiáng)迫電感耦合式強(qiáng)迫 換流原理圖換流原理圖 電感耦合式強(qiáng)迫換流電感耦合式強(qiáng)迫換流

11、 LC振蕩振蕩 圖圖4-4a中晶閘管在中晶閘管在LC振蕩振蕩正半波正半波 關(guān)斷；圖關(guān)斷；圖4-4b中晶閘管在中晶閘管在LC振蕩振蕩 負(fù)半波負(fù)半波關(guān)斷，電容電壓極性？關(guān)斷，電容電壓極性？ 也叫也叫電流換流電流換流。 14 4.2.2 換流方式的分類 換流方式總結(jié)換流方式總結(jié) 器件換流器件換流只適用于只適用于全控型器件全控型器件，其余三種方式，其余三種方式 主要是針對(duì)主要是針對(duì)晶閘管晶閘管而言的。而言的。 器件換流和強(qiáng)迫換流屬于器件換流和強(qiáng)迫換流屬于自換流自換流，電網(wǎng)換流和，電網(wǎng)換流和 負(fù)載換流屬于負(fù)載換流屬于外部換流外部換流。 15 4.3 單相電壓型逆變電路的工作原理 4.3.1 4.3.1

12、半橋逆變電路的實(shí)現(xiàn)原理半橋逆變電路的實(shí)現(xiàn)原理 a) t t O O ON b) o Um - -Um io t1t2 t3t4 t5t6 V1V2V1V2 VD1VD2VD1VD2 圖圖4-5 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形 結(jié)構(gòu)：在直流側(cè)接有兩個(gè)結(jié)構(gòu)：在直流側(cè)接有兩個(gè) 相互串聯(lián)的足夠大的相互串聯(lián)的足夠大的電容電容 工作原理工作原理 1、V V1 1和和V V2 2的柵極信號(hào)特點(diǎn)的柵極信號(hào)特點(diǎn) 2、輸出電壓、輸出電壓u uo o 3、阻感負(fù)載的電流特征阻感負(fù)載的電流特征 4 4、續(xù)流二極管、續(xù)流二極管 5 5、中點(diǎn)存在、中點(diǎn)存在 地位：基礎(chǔ)地位：基礎(chǔ) 16

13、 4.3.2 4.3.2 全橋全橋逆變電路的實(shí)現(xiàn)原理逆變電路的實(shí)現(xiàn)原理 圖圖4-6 全橋逆變電路全橋逆變電路 調(diào)壓（有效值）調(diào)壓（有效值）-U Ud d 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：H橋橋-兩個(gè)半橋兩個(gè)半橋 特點(diǎn)：特點(diǎn)：交替導(dǎo)通交替導(dǎo)通180 輸出特征：方波；幅值輸出特征：方波；幅值Um 死區(qū)死區(qū) 17 V14 V32 電流波形？電流波形？ 18 兩橋臂協(xié)調(diào)控制，開兩橋臂協(xié)調(diào)控制，開 關(guān)周期為輸出電壓周關(guān)周期為輸出電壓周 期，占空比為期，占空比為0.50.5 控制和輸出波形控制和輸出波形 oANBN vvv 1 4 od VV 輸出電壓輸出電壓 基波幅值基波幅值 A T on A T on B T on B

14、T on 1 1/ s Tf 4.3.2 4.3.2 全橋全橋逆變電路的實(shí)現(xiàn)原理逆變電路的實(shí)現(xiàn)原理 19 方波控制方式下方波控制方式下, 優(yōu)點(diǎn)是器件開關(guān)頻率低，適用于優(yōu)點(diǎn)是器件開關(guān)頻率低，適用于大功大功 率場合率場合。 缺點(diǎn)是諧波含量高，且逆變器缺點(diǎn)是諧波含量高，且逆變器不能控制輸出電壓幅值不能控制輸出電壓幅值。 4.3.2 4.3.2 全橋全橋逆變電路的實(shí)現(xiàn)原理逆變電路的實(shí)現(xiàn)原理 矩形波矩形波uo展開展開 ttt U u 5sin 5 1 3sin 3 1 sin 4 d o d d o1m 27. 1 4 U U U 其中基波的幅值其中基波的幅值Uo1m 基波有效值基波有效值U Uo1 o

15、1 d d 1o 9 . 0 22 U U U 20 交變電壓 移相調(diào)壓方式移相調(diào)壓方式 a) b) 輸出電壓是正負(fù)各為輸出電壓是正負(fù)各為 的脈的脈 沖。沖。 工作過程：工作過程： 輸出電壓分別經(jīng)過輸出電壓分別經(jīng)過Ud、0、 -Ud、 結(jié)論：結(jié)論：改變改變 就可調(diào)節(jié)輸出就可調(diào)節(jié)輸出 電壓電壓。 4.3.2 4.3.2 全橋全橋逆變電路的實(shí)現(xiàn)原理逆變電路的實(shí)現(xiàn)原理 圖圖4-10 移相調(diào)壓逆變電路移相調(diào)壓逆變電路 驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)方式 V1，V2互補(bǔ)；互補(bǔ)； V3，V4互補(bǔ)互補(bǔ) ；V3、V4分別分別 比比V2、V1的前移的前移180- 。 21 圖圖4-11 帶中心抽頭變帶中心抽頭變 壓器的逆變電路壓

16、器的逆變電路 交替驅(qū)動(dòng)交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)兩個(gè)IGBT，經(jīng)變壓，經(jīng)變壓 器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電 壓。壓。 兩個(gè)二極管的作用也是提供兩個(gè)二極管的作用也是提供 無功能量的反饋通道無功能量的反饋通道。 Ud和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器 匝比為匝比為1：1：1時(shí)，時(shí)，uo和和io波形及波形及 幅值與全橋逆變電路完全相同。幅值與全橋逆變電路完全相同。 與全橋電路比較？與全橋電路比較？ 帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭變壓器的逆變電路 22 4.4 三相電壓型逆變電路的工作原理 三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路。三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路

17、。 三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路 基本工作方式是基本工作方式是180導(dǎo)電方式導(dǎo)電方式。 同一相（即同一半橋）上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始同一相（即同一半橋）上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始 導(dǎo)電的角度差導(dǎo)電的角度差120 ，任一瞬間有，任一瞬間有三個(gè)橋臂三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。同時(shí)導(dǎo)通。 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱縱 向換流向換流。 4.4.1 4.4.1 逆變電路的基本結(jié)構(gòu)逆變電路的基本結(jié)構(gòu) 23 圖圖4-12 三相電壓型橋式逆變電路三相電壓型橋式逆變電路 4.4.1 4.4.1 逆變電路的基本結(jié)構(gòu)逆變電路的基本結(jié)構(gòu) 假想中點(diǎn)假想中點(diǎn) 1

18、80導(dǎo)電方式導(dǎo)電方式 120角度差角度差 縱向換流縱向換流。 24 橋臂橋臂1導(dǎo)導(dǎo)-uUN=Ud/2 橋臂橋臂4導(dǎo)通導(dǎo)通-uUN=-Ud/2, uUN-幅值為幅值為Ud/2的矩形的矩形 波波 圖圖4-15 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 U相輸出相輸出 V、W兩相的情況兩相的情況 和和U相類似。相類似。 UVUNVN uuu UVUNVN uuu 4.4.2 4.4.2 逆變電路的工作波形分析逆變電路的工作波形分析 25 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN u UN u UV

19、 i U i d u VN u WN u NN U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 圖圖4-15 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 負(fù)載線電壓負(fù)載線電壓uUV、uVW、uWU 可由下式求出可由下式求出 UNWNWU WNVNVW VNUNUV uuu uuu uuu 負(fù)載各相的相電壓分別為負(fù)載各相的相電壓分別為 NN WNWN NN VNVN NN UNUN uuu uuu uuu 4.4.2 4.4.2 逆變電路的工作波形分析逆變電路的工作波形分析 26 4.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路 3/ t O t O t O t

20、 O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN u UN u UV i U i d u VN u WN u NN U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 圖圖4-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 把上面各式相加并整理可求得把上面各式相加并整理可求得 )( 3 1 )( 3 1 WNVNUN WN VN UN NN uuuuuuu 設(shè)負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)載，則有設(shè)負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)載，則有 uUN+uVN+uWN=0，故可得，故可得 )( 3 1 WN VN UNNN uuuu 負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可

21、以由負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可以由uUN的波形的波形 求出求出U相電流相電流iU的波形，圖的波形，圖4-10g給出的給出的 是阻感負(fù)載下時(shí)是阻感負(fù)載下時(shí)iU的波形。的波形。 把橋臂把橋臂1、3、5的電流加起來，就可的電流加起來，就可 得到直流側(cè)電流得到直流側(cè)電流id的波形，如圖的波形，如圖4-10h所所 示，可以看出示，可以看出id每隔每隔60脈動(dòng)一次。脈動(dòng)一次。 UNUN NN uuu 27 4.4.2 4.4.2 逆變電路的工作波形分析逆變電路的工作波形分析 輸出線電壓輸出線電壓uUV展開成傅里葉級(jí)數(shù)展開成傅里葉級(jí)數(shù) n k tn n t U ttttt U u sin)1( 1 sin 32 1

22、3sin 13 1 11sin 11 1 7sin 7 1 5sin 5 1 sin 32 d d UV 16 kn 輸出線電壓有效值輸出線電壓有效值UUV為為 d 2 0 2 UVUV 816.0d 2 1 UtuU 基波幅值基波幅值UUV1m d d UV1m 1 .1 32 U U U dd UV1m UV1 78. 0 6 2 UU U U 基波有效值基波有效值UUV1 基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 28 n tn n t U ttttt U u sin 1 sin 2 13sin 13 1 11sin 11 1 7sin 7 1 5sin 5 1 sin 2 d d UN 16 kn

23、 負(fù)載相電壓有效值負(fù)載相電壓有效值UUN為為 d 2 0 2 UNUN 471.0d 2 1 UtuU 基波有效值基波有效值UUN1 d d UN1m 637.0 2 U U U d UN1m UN1 45.0 2 U U U 防直通防直通-“先斷后通先斷后通” 4.4.2 4.4.2 逆變電路的工作波形分析逆變電路的工作波形分析 基波幅值基波幅值UUN1m 相電壓相電壓 29 UUV7 =2 Ud/（3.147 ）=22.3（V） 例：三相橋式電壓型逆變電路，例：三相橋式電壓型逆變電路，180導(dǎo)電方式，導(dǎo)電方式，Ud=200V。 試求輸出相電壓的基波幅值試求輸出相電壓的基波幅值UUN1m和有效值和有效值UUN1、輸出線電、輸出線電 壓的基波幅值壓的基波幅值UUV1m和有效值和有效值UUV1、輸出線電壓中、輸出線電壓中7次諧波的次諧波的 有效值有效值UUV7。 解：解： 2 d UN