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(diǎn)：換流方式，電壓型逆變電路。難點(diǎn)：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(duì)應(yīng)。本章無(wú)源逆變逆變電路的應(yīng)用：蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等直流電源向交流負(fù)載供電時(shí)，需要逆變電路。交流電 機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)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(shù)和第8章組合變流電路中，有關(guān)逆 變電路的容會(huì)進(jìn)一步展開(kāi)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(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。Si、S4閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓Uo為正Si ； Si、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，Uo為負(fù)，把直流電變成了交流電。 改變兩組開(kāi)關(guān)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(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，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(shí)刻斷開(kāi)Si、S4,合上S2、S3, uo變負(fù)，但io不能立刻反向。io從電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感能量向電源反應(yīng)，i

3、o逐漸減 小，t2時(shí)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(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱換相。開(kāi)通：適當(dāng)?shù)拈T(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使其開(kāi)通。關(guān)斷：全控型器件可通過(guò)門(mén)極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷，一般在晶閘管電流過(guò)零后施加一定 時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。本章?lián)Q流及換流方式問(wèn)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(guān)斷能力進(jìn)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 )?？煽卣麟娐?、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(mén)極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加 元件。3、負(fù)載換流由負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)載換流(Load Commutation)。負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電 壓的場(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，負(fù)載為同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載 換流。圖5-2負(fù)載換流電路及其工作波形根本的負(fù)載換流逆變電路：采用晶閘管，負(fù)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(fù)載功率因數(shù)使其略呈容性而接入，直流側(cè)串入大電感Ld，id根本沒(méi)有脈動(dòng)。工作過(guò)程:4個(gè)臂的切換僅使電流路徑改變，負(fù)載電流根本呈矩形波。負(fù)載工作在對(duì)基波電流接近 并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對(duì)基波阻抗很大，對(duì)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(shí)：觸發(fā)VT2、VT3使其開(kāi)通，uo加到VT4、VTi上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從VTi、 VT4換至U VT3、VT2。ti必須在uo過(guò)零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成。4、強(qiáng)迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱 為強(qiáng)迫換流(Forced Commutation)。通常利用附加電容上儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，也稱為電容 換流。直接耦合式強(qiáng)迫換流 由換流電路電容提供換流電壓。VT通態(tài)時(shí)，先給電容C充電。 合上S就可使晶閘管被施加反壓而

6、關(guān)斷。tl圖5-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式強(qiáng)迫換流 通過(guò)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(qiáng)迫換流：圖5-4a中晶閘管在LC振蕩第一個(gè)半周期關(guān)斷。圖5-4b中晶閘管在LC振蕩第二個(gè)半周期關(guān)斷。負(fù)載0a)圖5-4電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)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(guò)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(duì)晶閘管。器件換流和強(qiáng)迫換流一一屬于自換流。電網(wǎng)換流和負(fù)載換流一一屬于外部換流。當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)。圖5-5電壓型逆變電路舉例電壓型逆變電路的特點(diǎn)1直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓根本無(wú)脈動(dòng)2輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同3阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反應(yīng)的無(wú)功提供通道，逆變橋各臂 并聯(lián)反應(yīng)二極管1單相電壓型逆變電路1、半橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)：見(jiàn)圖5-6。工作原理：V1和V2柵極信號(hào)各半周正偏、半周反偏，互補(bǔ)。uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2，io波形隨負(fù)載而異，感

8、性負(fù)載時(shí)，圖 5-6b, V1或V2通時(shí)，i。和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量，VDi或VD2通時(shí)，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反應(yīng)， VDi、VD2稱為反應(yīng)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(diǎn)：簡(jiǎn)單，使用器件少缺點(diǎn)：交流電壓幅值Ud/2,直流側(cè)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(shè)干個(gè)半橋逆變電路的組合。2、全橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)及工作情況：圖5-5,兩個(gè)半橋電路的組合。1和4 一對(duì)，2和3另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，交替 各導(dǎo)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(yīng)用最多的。輸出電壓定量分析uo成傅里葉級(jí)數(shù)5-1基波幅值5-2基波有效值5-3uo為正負(fù)各180 o時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能改變 Ud來(lái)實(shí)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(hào)為180 o正偏，180o反偏，且V1和V2互補(bǔ)，V3和V4互補(bǔ)關(guān)系不變。V3的基極信號(hào)只比V1落后q 0<q <180，V3、V4的柵極信號(hào)分別比V2、V1的前移180o-q，uo成為正負(fù)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(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。兩個(gè)二極管的作用也是提供無(wú)功能量的反應(yīng)通道，Ud和負(fù)載相同，變壓器匝比為1:1:1時(shí)，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(kāi)關(guān)器件，器件承受的電壓為2Ud,比全橋電路高一倍。必須有一個(gè)變壓器。2三相電壓型逆變電路三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路。應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路 可看成由三個(gè)半橋逆變電路組成。180°導(dǎo)電方式：每橋臂導(dǎo)電180o,同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度差1

11、20o,任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(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(fù)載各相到電源中點(diǎn) N的電壓：U相，1通，uuN=Ud/2, 4通，uuN=-Ud/2(5-4)(5-5)負(fù)載線電壓負(fù)載相電壓負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓(5-6)負(fù)載三相對(duì)稱時(shí)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(fù)載時(shí)，可由UUN波形求出iu波 形，一相上下

12、兩橋臂間的換流過(guò)程和半橋電路相似，橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60°脈動(dòng)一次，直流電壓根本無(wú)脈動(dòng)，因此逆變器從直流側(cè)向交流側(cè)傳 送的功率是脈動(dòng)的，電壓型逆變電路的一個(gè)特點(diǎn)。定量分析：a、輸出線電壓UUV展開(kāi)成傅里葉級(jí)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(fù)載相電壓UUN展開(kāi)成傅里葉級(jí)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(fù)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(kāi)關(guān)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(cè)串聯(lián)大電感，電流 脈動(dòng)很小，可近似看成直流電流源。實(shí)例之一：圖5-11電流型三相橋式逆變電路。交流側(cè)電容用于吸收換流時(shí)負(fù)載電感中 存貯的能量。L+w尹嚴(yán)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(diǎn)：直流側(cè)串大電感，相當(dāng)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(fù)載不同而不同。(3) 直流側(cè)電感起緩沖無(wú)功能量的作用，不必給開(kāi)關(guān)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(yīng)用較多。換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)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(gè)電抗器 Lt限制晶閘管開(kāi)通時(shí)的di/dt。1、4和2、3以 10002500Hz的中頻輪流導(dǎo)通，可得到中頻交流電。采用負(fù)載換相方式，要求負(fù)載電流超 前于電壓。負(fù)載一般是電磁感應(yīng)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(gòu)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(yuǎn)小于基

15、波。因基波頻 率接近負(fù)載電路諧振頻率，故負(fù)載對(duì)基波呈高阻抗，對(duì)諧波呈低阻抗，諧波在負(fù)載上產(chǎn)生 的壓降很小，因此負(fù)載電壓波形接近正弦波。工作波形分析：一周期，兩個(gè)穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。ti-t2： VTi和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，i。=Id，t2時(shí)刻前在C上建立了左正右負(fù)的電壓。t2-t4： t2時(shí)觸發(fā)VT2和VT3開(kāi)通，進(jìn)入換流階段。Lt使VTi、VT4不能立刻關(guān)斷，電流 有一個(gè)減小過(guò)程。VT2、VT3電流有一個(gè)增大過(guò)程。4個(gè)晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電壓經(jīng)兩個(gè) 并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電。t2時(shí)刻后，LTi、VTi、VT3、LT3到C;另一個(gè)經(jīng)LT2、VT2、 VT4、LT4到Co t=t4時(shí)，VT

16、i、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4 -12= tg稱為換流 時(shí)間。io在t3時(shí)刻，即iVTi=iVT2時(shí)刻過(guò)零，t3時(shí)刻大體位于t2和t4的中點(diǎn)。保證晶閘管的可靠關(guān)斷圖 5-i3：晶閘管需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力， 換流結(jié)束后還要使VTi、VT4承受一段反壓 時(shí)間t 3, t = t5- t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。為保證可靠換流應(yīng)在Uo過(guò)零前td= t5- t2時(shí)刻 觸發(fā) VT2、 VT3。td為觸發(fā)引前時(shí)間5-i6io超前于uo的時(shí)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(duì)應(yīng)的電角度5-i8數(shù)量分析： 忽略換流過(guò)程,負(fù)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(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)(5-19)基波電流有效值(5-20)Uo和直流電壓Ud的關(guān)系(忽略Ld的損耗，忽略晶閘管壓降)(5-21)實(shí)際工作過(guò)程中，感應(yīng)線圈參數(shù)隨時(shí)間變化，必須使工作頻率適應(yīng)負(fù)載的變化而自動(dòng) 調(diào)整，這種控制方式稱為自勵(lì)方式。固定工作頻率的控制方式稱為他勵(lì)方式。 自勵(lì)方式存在起動(dòng)問(wèn)題，解決方法： 一是先用他勵(lì)方式，系統(tǒng)開(kāi)始工作后再轉(zhuǎn)入自勵(lì)方式。另一種方法是附加預(yù)充電起動(dòng) 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(dǎo)電方式 每個(gè)臂一周期導(dǎo)電 120°

18、。每時(shí)刻上下橋臂組各有一 個(gè)臂導(dǎo)通，橫向換流。波形分析：輸出電流波形和負(fù)載性質(zhì)無(wú)關(guān)，正負(fù)脈沖各 120°的矩形波。輸出電流和三相橋整流帶 大電感負(fù)載時(shí)的交流電流波形相同，諧波分析表達(dá)式也相同。輸出線電壓波形和負(fù)載性質(zhì) 有關(guān)，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(dòng)機(jī)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(dǎo)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(qiáng)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(guò)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(duì)共陽(yáng)極晶閘管，與導(dǎo)通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負(fù)。不與導(dǎo)通晶閘管相連的電容器電壓為零。共陰極晶閘管與共陽(yáng)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(shí)，C13就是C3與C5串聯(lián)后再與Ci并聯(lián) 的等效電容。設(shè)CiC6的電容量均為C,那么Ci3 = 3C/2。從VTi向VT3換流的過(guò)程：換流前VTi和VT2通，Ci3電

20、壓Uco左正右負(fù)。換流過(guò)程可分為恒流放電和二極管換流 兩個(gè)階段vt3:zV§ZVTTOVT匸b)圖5-16換流過(guò)程各階段的電流路徑a恒流放電階段ti時(shí)刻觸發(fā)VT3導(dǎo)通，相負(fù)載、W相負(fù)載、VD2、VTi被施以反壓而關(guān)斷。Id從VTi換到VT3, Ci3通過(guò)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(shí)間大于tq就能保證關(guān)斷。b、二極管換流階段t2時(shí)刻UC13降到零，之后C13反向充電。忽略負(fù)載電阻壓降，那么二極管VD3導(dǎo)通，電流為iv，VD1電流為iu=|d-iv，VD1和VD3同時(shí)通，進(jìn)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(shí)刻iu減到零, 結(jié)束。t3以后，VT2、VT3穩(wěn)定導(dǎo)通階段波形分析：電感負(fù)載時(shí)，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(guò)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