逆變電路的基本工作原理

1、第5章逆變電路主要容：換流方式，電壓型逆變電路，電流型逆變電路，多重逆變電路和多電平逆變 電路。重點：換流方式，電壓型逆變電路。難點：電壓型逆變電路，電流型逆變電路。根本要求：掌握換流方式，掌握電壓型逆變電路，理解電流型逆變電路，了解多重逆 變電路和多電平逆變電路。逆變概念：逆變直流電變成交流電，與整流相對應。本章無源逆變逆變電路的應用：蓄電池、干電池、太陽能電池等直流電源向交流負載供電時，需要逆變電路。交流電 機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心局部都是逆變電路。本章僅講述逆變電路根本容，第6章PWM控制技術和第8章組合變流電路中，有關逆 變電路的容會進一步展開1換流

2、方式1逆變電路的根本工作原理單相橋式逆變電路為例：SiS4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。Si、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓Uo為正Si ； Si、S4斷開，S2、S3閉合時，Uo為負，把直流電變成了交流電。 改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖5-1逆變電路及其波形舉例電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負載時，io滯后于uo, 波形也不同圖5-ib。ti前：Si、S4通，uo和io均為正。ti時刻斷開Si、S4,合上S2、S3, uo變負，但io不能立刻反向。io從電源負極流出，經(jīng)S2、負載和S3流回正極，負載電感能量向電源反應，i

3、o逐漸減 小，t2時刻降為零，之后io才反向并增大(2) 換流方式分類換流電流從一個支路向另一個支路轉移的過程，也稱換相。開通：適當?shù)拈T極驅動信號就可使其開通。關斷：全控型器件可通過門極關斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關斷，一般在晶閘管電流過零后施加一定 時間反壓，才能關斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關斷。本章?lián)Q流及換流方式問題最為全面集中，因此在本章講述1、器件換流利用全控型器件的自關斷能力進行換流(Device Commutation)。2、電網(wǎng)換流由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流(Line Commutation )。可控整流電路、交流調(diào)壓電 路和采用相控方式的交交變頻電

4、路，不需器件具有門極可關斷能力，也不需要為換流附加 元件。3、負載換流由負載提供換流電壓稱為負載換流(Load Commutation)。負載電流相位超前于負載電 壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流。負載為電容性負載時，負載為同步電動機時，可實現(xiàn)負載 換流。圖5-2負載換流電路及其工作波形根本的負載換流逆變電路：采用晶閘管，負載：電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。電容為改善負載功率因數(shù)使其略呈容性而接入，直流側串入大電感Ld，id根本沒有脈動。工作過程:4個臂的切換僅使電流路徑改變，負載電流根本呈矩形波。負載工作在對基波電流接近 并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對基波阻抗很大，對諧波阻抗很

5、小，Uo波形接近正弦。ti 前：VTi、VT4通，VT2、VT3斷，u。、io均為正，VT2、VT3 電壓即為 u。ti時：觸發(fā)VT2、VT3使其開通，uo加到VT4、VTi上使其承受反壓而關斷，電流從VTi、 VT4換至U VT3、VT2。ti必須在uo過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成。4、強迫換流設置附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱 為強迫換流(Forced Commutation)。通常利用附加電容上儲存的能量來實現(xiàn)，也稱為電容 換流。直接耦合式強迫換流 由換流電路電容提供換流電壓。VT通態(tài)時，先給電容C充電。 合上S就可使晶閘管被施加反壓而

6、關斷。tl圖5-3直接耦合式強迫換流原理圖電感耦合式強迫換流 通過換流電路電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流。 兩種電感耦合式強迫換流：圖5-4a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期關斷。圖5-4b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期關斷。負載0a)圖5-4電感耦合式強迫換流原理圖給晶閘管加上反向電壓而使其關斷的換流也叫電壓換流圖5-3。先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加反壓的換流叫電流換流圖5-4。器件換流一一適用于全控型器件。其余三種方式一一針對晶閘管。器件換流和強迫換流一一屬于自換流。電網(wǎng)換流和負載換流一一屬于外部換流。當電流不是從一個支路向另一個支路轉移，而是在支路部終止流通而變?yōu)?/p>

7、零，那么稱為 熄滅。2電壓型逆變電路逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路， 電流型逆變電路或電流源型逆變電路。全橋逆變電路斗£圖5-1電路的具體實現(xiàn)。圖5-5電壓型逆變電路舉例電壓型逆變電路的特點1直流側為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側電壓根本無脈動2輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同3阻感負載時需提供無功。為了給交流側向直流側反應的無功提供通道，逆變橋各臂 并聯(lián)反應二極管1單相電壓型逆變電路1、半橋逆變電路電路結構：見圖5-6。工作原理：V1和V2柵極信號各半周正偏、半周反偏，互補。uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2，io波形隨負載而異，感

8、性負載時，圖 5-6b, V1或V2通時，i。和uo同方向，直流側向負載提供能量，VDi或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側反應， VDi、VD2稱為反應二極管，還使io連續(xù)，又稱續(xù)流二極管Avdb)圖5-6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形優(yōu)點：簡單，使用器件少缺點：交流電壓幅值Ud/2,直流側需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡，用于幾kw以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成假設干個半橋逆變電路的組合。2、全橋逆變電路電路結構及工作情況：圖5-5,兩個半橋電路的組合。1和4 一對，2和3另一對，成對橋臂同時導通，交替 各導通180°。uo波形同圖5-6b。半

9、橋電路的uo,幅值高出一倍Um=Ud0 io波形和圖5-6b中 的io相同，幅值增加一倍，單相逆變電路中應用最多的。輸出電壓定量分析uo成傅里葉級數(shù)5-1基波幅值5-2基波有效值5-3uo為正負各180 o時，要改變輸出電壓有效值只能改變 Ud來實現(xiàn)。移相調(diào)壓方式圖5-70可采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱為移相調(diào)壓。各柵極信號為180 o正偏，180o反偏，且V1和V2互補，V3和V4互補關系不變。V3的基極信號只比V1落后q 0<q <180，V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180o-q，uo成為正負各為q的脈沖，改變 q即可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。圖5-7單相全橋

10、逆變電路的移相調(diào)壓方式3、帶中心抽頭變壓器的逆變電路交替驅動兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負載加上矩形波交流電壓。兩個二極管的作用也是提供無功能量的反應通道，Ud和負載相同，變壓器匝比為1:1:1時，uo和io波形及幅值 與全橋逆變電路完全相同。圖5-8帶中心抽頭變壓器的逆變電路與全橋電路的比擬，比全橋電路少用一半開關器件，器件承受的電壓為2Ud,比全橋電路高一倍。必須有一個變壓器。2三相電壓型逆變電路三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路。應用最廣的是三相橋式逆變電路 可看成由三個半橋逆變電路組成。180°導電方式：每橋臂導電180o,同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差1

11、20o,任一瞬間有三個橋臂同時導通，每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流。波形分析:N*aVi.KXVD】VDWvd6VD圖5-9三相電壓型橋式逆變電路004)60OUN'U -圖 5-100MirirA%V0oo電壓型三相橋式逆變電路的工作波形負載各相到電源中點 N的電壓：U相，1通，uuN=Ud/2, 4通，uuN=-Ud/2(5-4)(5-5)負載線電壓負載相電壓負載中點和電源中點間電壓(5-6)負載三相對稱時有UUN + UVN+UWN=O，于是(5-7)利用式(5-5)和(5-7)可繪出UUN、UVN、UWN波形。負載時，可由UUN波形求出iu波 形，一相上下

12、兩橋臂間的換流過程和半橋電路相似，橋臂1、3、5的電流相加可得直流側電流id的波形，id每60°脈動一次，直流電壓根本無脈動，因此逆變器從直流側向交流側傳 送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個特點。定量分析：a、輸出線電壓UUV展開成傅里葉級數(shù)Ein Esin SdjS sinllaf51112筋sintutf-f 工_( 一1sinntui式中，k為自然數(shù)輸出線電壓有效值基波幅值基波有效值(5-8)(5-9)(5-10)(5-11)(5-12)(5-13)(5-14)(5-15)b、負載相電壓UUN展開成傅里葉級數(shù)得:<11 1 1 sin7+ Mini IM了血+ A57

13、1113)sin曲 +遲式中，k為自然數(shù)負載相電壓有效值基波幅值基波有效值防止同一相上下兩橋臂開關器件直通，采取 先斷后通的方法。3電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路 一一電流型逆變電路。一般在直流側串聯(lián)大電感，電流 脈動很小，可近似看成直流電流源。實例之一：圖5-11電流型三相橋式逆變電路。交流側電容用于吸收換流時負載電感中 存貯的能量。L+w尹嚴尊z仇再丫VDVT孚叫異圖5-11電流型三相橋式逆變電路 電流型逆變電路主要特點：直流側串大電感，相當于電流源。(2) 交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因負載不同而不同。(3) 直流側電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關器件反并聯(lián)二極

14、管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應用較多。換流方式有負載換流、強迫 換流。(1)單相電流型逆變電路£ Aoz_zVTVT丄71圖5-12單相橋式電流型(并聯(lián)諧振式)逆變電路4橋臂，每橋臂晶閘管各串一個電抗器 Lt限制晶閘管開通時的di/dt。1、4和2、3以 10002500Hz的中頻輪流導通，可得到中頻交流電。采用負載換相方式，要求負載電流超 前于電壓。負載一般是電磁感應線圈， 加熱線圈的鋼料， RL 串聯(lián)為其等效電路。 因功率因數(shù)很低， 故并聯(lián)C。C和L、R構成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振式逆變電路。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基

15、波。因基波頻 率接近負載電路諧振頻率，故負載對基波呈高阻抗，對諧波呈低阻抗，諧波在負載上產(chǎn)生 的壓降很小，因此負載電壓波形接近正弦波。工作波形分析：一周期，兩個穩(wěn)定導通階段和兩個換流階段。ti-t2： VTi和VT4穩(wěn)定導通階段，i。=Id，t2時刻前在C上建立了左正右負的電壓。t2-t4： t2時觸發(fā)VT2和VT3開通，進入換流階段。Lt使VTi、VT4不能立刻關斷，電流 有一個減小過程。VT2、VT3電流有一個增大過程。4個晶閘管全部導通，負載電壓經(jīng)兩個 并聯(lián)的放電回路同時放電。t2時刻后，LTi、VTi、VT3、LT3到C;另一個經(jīng)LT2、VT2、 VT4、LT4到Co t=t4時，VT

16、i、VT4電流減至零而關斷，換流階段結束。t4 -12= tg稱為換流 時間。io在t3時刻，即iVTi=iVT2時刻過零，t3時刻大體位于t2和t4的中點。保證晶閘管的可靠關斷圖 5-i3：晶閘管需一段時間才能恢復正向阻斷能力， 換流結束后還要使VTi、VT4承受一段反壓 時間t 3, t = t5- t4應大于晶閘管的關斷時間tq。為保證可靠換流應在Uo過零前td= t5- t2時刻 觸發(fā) VT2、 VT3。td為觸發(fā)引前時間5-i6io超前于uo的時間 為5-17表示為電角度3為電路工作角頻率；Y 3分別是t Y t 3對應的電角度5-i8數(shù)量分析： 忽略換流過程,負載電壓有效值%1刖0

17、L圖5-13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形io可近似成矩形波，展開成傅里葉級數(shù)(5-19)基波電流有效值(5-20)Uo和直流電壓Ud的關系(忽略Ld的損耗，忽略晶閘管壓降)(5-21)實際工作過程中，感應線圈參數(shù)隨時間變化，必須使工作頻率適應負載的變化而自動 調(diào)整，這種控制方式稱為自勵方式。固定工作頻率的控制方式稱為他勵方式。 自勵方式存在起動問題，解決方法： 一是先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉入自勵方式。另一種方法是附加預充電起動 電路。 2 三相電流型逆變電路電流型三相橋式逆變電路圖 5-11，采用全控型器件。根本工作方式是 120°導電方式 每個臂一周期導電 120°

18、。每時刻上下橋臂組各有一 個臂導通，橫向換流。波形分析：輸出電流波形和負載性質(zhì)無關，正負脈沖各 120°的矩形波。輸出電流和三相橋整流帶 大電感負載時的交流電流波形相同，諧波分析表達式也相同。輸出線電壓波形和負載性質(zhì) 有關，大體為正弦波。輸出交流電流的基波有效值 5-22 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路如圖 5-15 所示。這種電路因各橋臂的晶閘管和二極管串 聯(lián)使用而得名，主要用于功率交流電動機調(diào)速系統(tǒng)。電流型三相橋式逆變電路：電路仍為前述的 120°導電工作方式，輸出波形和圖 5-14 的波形大體相同。 各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用， 各橋臂之間換流采用強迫換流方式， 連接

19、于各臂之間的電容 C1C6即為換流電容。換流過程分析圖 5-16電容器充電規(guī)律：owO'u0圖5-14電流型三相橋式逆變電路的輸出波形h vtlZrrL'用ZVI).VD,Zvt4圖5-15串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路對共陽極晶閘管，與導通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負。不與導通晶閘管相連的電容器電壓為零。共陰極晶閘管與共陽極晶閘管情況類似，只是電容器電壓極性相反。 等效換流電容：例如分析從 VTi向VT3換流時，C13就是C3與C5串聯(lián)后再與Ci并聯(lián) 的等效電容。設CiC6的電容量均為C,那么Ci3 = 3C/2。從VTi向VT3換流的過程：換流前VTi和VT2通，Ci3電

20、壓Uco左正右負。換流過程可分為恒流放電和二極管換流 兩個階段vt3:zV§ZVTTOVT匸b)圖5-16換流過程各階段的電流路徑a恒流放電階段ti時刻觸發(fā)VT3導通，相負載、W相負載、VD2、VTi被施以反壓而關斷。Id從VTi換到VT3, Ci3通過VDi、UVT2、直流電源和VT3放電，放電電流恒為Id，故稱恒流放電階段。UC13下降到零之前，VTi承受反壓，反壓時間大于tq就能保證關斷。b、二極管換流階段t2時刻UC13降到零，之后C13反向充電。忽略負載電阻壓降，那么二極管VD3導通，電流為iv，VD1電流為iu=|d-iv，VD1和VD3同時通，進入二極管換流階段。隨著 C13電壓增高,充電電流漸小，iv漸大，t3時刻iu減到零, 結束。t3以后，VT2、VT3穩(wěn)定導通階段波形分析：電感負載時，UC13、 iu、iv及 uc1、uc3、 波形如圖5-17所示。圖中給出了各換流電 容電壓UC1、UC3和UC5的波形。UC1的波形 和UC13完全相同，在換流過程中，從 UC0 降為一Uco, C3和C5是串聯(lián)后再和C1并 聯(lián)的，電壓變化的幅度是C1的一半。換流