第五章逆變電路

1、1第第5 5章章 逆變電路逆變電路(DC/AC(DC/AC變換）變換）5.1 換流方式5.2 電壓型逆變電路5.3 電流型逆變電路5.4 多重逆變電路和多電平逆變電路 本章小結(jié)2逆變把直流電變成交流電源逆變交流側(cè)接有電源逆變電路無(wú)源逆變交流側(cè)直接和負(fù)載連接一般指無(wú)源逆變電路第第5 5章章 逆變電路逆變電路(DC/AC(DC/AC變換）變換）3 逆變電路應(yīng)用廣泛，在各種直流電源電池向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。 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其電路的核心部分都是逆變電路。換流換流 變流電路在工作過(guò)程中不斷發(fā)生電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路的轉(zhuǎn)移。4第第5 5章章 逆

2、變電路逆變電路(DC/AC(DC/AC變換）變換）5.1 換流方式5.2 電壓型逆變電路5.3 電流型逆變電路5.4 多重逆變電路和多電平逆變電路 本章小結(jié)55.1 換流方式5.1.1 逆變電路的基本工作原理5.1.2 換流方式分類(lèi)65.1.1 5.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理負(fù)載a)S1S2S3S4iouoUdb)tuoiot1t2圖5-1 逆變電路及其波形舉例uS1S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。u當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S4 閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正；u當(dāng)S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，uo為負(fù)。u直流電變成了交流電，改變兩組開(kāi)關(guān)的切換

3、頻率，即可改變輸出交流電的頻率。u 當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，io和uo的波形相同，相位也相同u 當(dāng)負(fù)載為阻感時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同u 設(shè)t1時(shí)刻前S1、S4導(dǎo)通，uo和io均為正u t1時(shí)刻斷開(kāi)S1、S4，合上S2、S3，uo極性立刻變負(fù)，但io不能立刻改變而維持原方向u io從直流電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感中儲(chǔ)存的能量向直流電源反饋，io逐漸減小，到t2時(shí)刻降為零，之后io才反向并逐漸增大。75.1 換流方式5.1.1 逆變電路的基本工作原理5.1.2 換流方式分類(lèi)85.1.2 5.1.2 換流方式分類(lèi)換流方式分類(lèi)換流換流全控型器件可通過(guò)門(mén)極得控制使其關(guān)斷，半控型

4、器件晶閘管，必須利用外部條件或采取其它措施才能使其關(guān)斷。一般在晶閘管電流過(guò)零后施加一定時(shí)間反向電壓，才能關(guān)斷。開(kāi)通時(shí)關(guān)斷時(shí)無(wú)論支路是有全控型還是半控型電力電子器件組成，只要有適當(dāng)?shù)拈T(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就可使其開(kāi)通。換相換相91. 器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流2. 電網(wǎng)換流可控整流電路三相交流調(diào)壓電路 電網(wǎng)換流采用相控方式的交交變頻電路只要把負(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(mén)極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加任何元件。但不適用于沒(méi)有交流電網(wǎng)的無(wú)源逆變電路由電網(wǎng)提供換流電壓103. 負(fù)載換流負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí) 實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流負(fù)載為同

5、步電動(dòng)機(jī)時(shí)由負(fù)載提供換流電壓圖5-2 a) 負(fù)載換流電路RLCEdLdVT1VT2VT3VT4uoioida)4個(gè)橋臂均由晶閘管組成負(fù)載是電阻電感串聯(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。直流側(cè)串入大電感Ld，工作過(guò)程中可認(rèn)為 id基本沒(méi)有脈動(dòng) 11b)wtwtwtwtOOOOiit1uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4圖5-2 b) 負(fù)載換流 工作波形l 4個(gè)臂的切換僅使電流路徑改變，負(fù)載電流基本呈矩形波l 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)基波阻抗很大而對(duì)諧波阻抗很小，uo波形接近正弦波l T1時(shí)刻前：VT1、VT4為通態(tài)，VT2、VT

6、3為斷態(tài)，uo、io均為正，VT2、VT3上施加的電壓即為uol t1時(shí)刻觸發(fā)VT2、VT3使其開(kāi)通，uo通過(guò)VT2、VT3本別加到VT4、VT1上使其承受反向電壓而關(guān)斷，電流從VT1、VT4換到VT3、VT2l 觸發(fā)VT2、VT3時(shí)刻， t1必須在uo過(guò)零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成124. 強(qiáng)迫換流（電容換流）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)電容直接提供換流電壓SVT負(fù)載負(fù)載+圖5-3 直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖晶閘管VT通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容C按圖5-3中所示極性充電。合上開(kāi)關(guān)S，就可使晶閘管被施加

7、反向電壓而關(guān)斷13電感耦合式強(qiáng)迫換流電感耦合式強(qiáng)迫換流通過(guò)換流電路內(nèi)電容和電感的耦合提供換流電壓或換流電流CL+VDSCVT負(fù)載負(fù)載+LSVT負(fù)載負(fù)載VDb)a)圖5-4 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖圖5-4a中晶閘管在LC振蕩第一個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷圖5-4b中晶閘管在LC振蕩第二個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷圖a中，接通S后，LC振蕩電流將反向流過(guò)VT，與VT的負(fù)載電流相減，直到VT的合成正向電流減至零后，再流過(guò)二極管VD。LC圖b中，接通S后，LC振蕩電流先正向流過(guò)VT并和VT中原有的負(fù)載電流疊加，經(jīng)過(guò)半個(gè)振蕩周期 振蕩電流反向流過(guò)VT，直到VT的合成正向電流減至零后，再流過(guò)二極管VD。14給晶閘管加上反向電壓而

8、使其關(guān)斷的換流電壓換流電壓換流電流換流電流換流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 反向電壓的換流器件換流 只適用于全控型器件電網(wǎng)換流負(fù)載換流 針對(duì)晶閘管強(qiáng)迫換流15器件換流強(qiáng)迫換流因器件或變流器自身原因引起換流自換流電網(wǎng)換流負(fù)載換流借助于外部手段（電網(wǎng)電壓或負(fù)載電壓）換流外部換流自換流逆變電路自換流逆變電路 采用自換流方式逆變的電路外部換流逆變電路外部換流逆變電路 采用外部換流方式逆變的電路熄滅熄滅 當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?16第第5 5章章 逆變電路逆變電路(DC/AC(DC/AC變換）變換）5.1 換流方式5.2 電壓型逆變電路5

9、.3 電流型逆變電路5.4 多重逆變電路和多電平逆變電路 本章小結(jié)175.2 5.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路5.2.1 單相電壓型逆變電路5.2.2 三相電壓型逆變電路185.2 5.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路電流型逆變電路（電流源型逆變電路）電壓型逆變電路（電壓源型逆變電路）直流側(cè)是電壓源直流側(cè)是電流源+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio圖5-5 電壓型全橋逆變電路(全橋逆變電路）19電壓型逆變電路的特點(diǎn)電壓型逆變電路的特點(diǎn)1）直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，滯留賄賂呈現(xiàn)低阻抗。2）輸出電壓為矩形波，與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)

10、，交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)反饋二極管。 205.2 5.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路5.2.1 單相電壓型逆變電路5.2.2 三相電壓型逆變電路215.2.1 5.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路1半橋逆變電路+- -RLa)UdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2圖5-6 a) 單相半橋電壓型逆變電路半橋逆變電路有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂有一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個(gè)電

11、容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)是直流電源的中點(diǎn)。負(fù)載聯(lián)結(jié)在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。22ttOOONb)uoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖5-6 b)單相半橋電壓型逆變電路工作波形設(shè)開(kāi)關(guān)器件V1和V2柵極信號(hào)在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，工作波形如圖5-6b所示 輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2 輸出電流io波形隨負(fù)載情況而異。 t2時(shí)刻以前V1通，V2斷 t2時(shí)刻給V1關(guān)斷信號(hào)，給 V2開(kāi)通信號(hào)，則V1關(guān)斷，但感性負(fù)載中io不能立即改變方向，于是V2導(dǎo)通續(xù)流。 t3時(shí)刻io降為零時(shí)，VD2截止，V2開(kāi)通，io開(kāi)始

12、反向。 t4時(shí)刻給V2關(guān)斷信號(hào)，給V1開(kāi)通信號(hào)，V2關(guān)斷，VD1先導(dǎo)通續(xù)流，t5時(shí)刻V才開(kāi)通。 V1或V2通時(shí)，負(fù)載電流io和電壓uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量 VD1或VD2通時(shí)，io和uo反向，負(fù)載電感中貯藏的能量向直流側(cè)反饋23負(fù)載電感將其吸收的無(wú)功能量反饋回直流側(cè)，反饋回的能量暫時(shí)儲(chǔ)存在直流側(cè)電容器中，直流側(cè)電容器起著緩沖這種無(wú)功能量的作用。二極管反饋二極管反饋二極管續(xù)流二極管續(xù)流二極管是負(fù)載向直流側(cè)反饋能量的通道使負(fù)載電流連續(xù)u可控器件是不具有門(mén)極可關(guān)斷能力的晶閘管時(shí)，須附加強(qiáng)迫換流電路才能正常工作。24半橋逆變電路特點(diǎn)半橋逆變電路特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 簡(jiǎn)單，使用器件少 缺點(diǎn) 輸出交流電壓幅

13、值Um僅為Ud/2，直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，工作時(shí)要控制兩個(gè)電容器電壓均衡半橋逆變電路常用于幾kW以下的小功率逆變電源252全橋逆變電路+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio圖5-5 電壓型全橋逆變電路(全橋逆變電路）電壓型全橋逆變電路可看成由兩個(gè)半橋電路組合而成，共4個(gè)橋臂，橋臂1和4為一對(duì)，橋臂2和3為另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通18026ttOOONb)uoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖5-6 b)單相半橋電壓型逆變電路工作波形l電壓型全橋逆變電路輸出電壓uo的波形和圖5-6b的半橋電路的波形uo

14、形狀相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，Um=Udl 輸出電流io波形和圖5-6b中的io形狀相同，幅值增加一倍l VD1 、V1、VD2、V2相繼導(dǎo)通的區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)VD1和VD4、V1和V4、VD2和VD3、V2和V3相繼導(dǎo)通的區(qū)間27全橋逆變電路是單相逆變電路中應(yīng)用最多的，對(duì)電壓波形進(jìn)行定量分析將幅值為Uo的矩形波uo展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)，得其中基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為 上述公式對(duì)半橋逆變電路也適用，將式中的ud換成Ud /2 uo為正負(fù)電壓各為180的脈沖時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能通過(guò)改變輸出直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)tttUuwww5sin513sin31sin4do(5-1)(

15、5-1)ddo1m27. 14UUUdd1o9 . 022UUU(5-3)(5-3)(5-2)(5-2)28采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓實(shí)際就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度移相調(diào)壓移相調(diào)壓+- -CRLUdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4圖5-7 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式a) 各IGBT柵極信號(hào)為180正偏，180反偏，且V1和V2柵極信號(hào)互補(bǔ)，V3和V4柵極信號(hào)互補(bǔ) V3的基極信號(hào)不是比V1落后180，而是只落后q ( 0 q 180) V3、V4的柵極信號(hào)分別比V2、V1的前移180-q 輸出電壓uo是正負(fù)各為q 的脈沖29tOtOtOtOtOq qb)uG1uG2u

16、G3uG4uoiot1t2t3iouo圖5-7 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式l t1時(shí)刻前V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓uo為udl t1時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)反向，V4截止，因io不能突變，V3不能立即導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流，因V1和VD3同時(shí)導(dǎo)通，所以輸出電壓為零各IGBT柵極信號(hào)uG1uG4及輸出電壓uo、輸出電流io的波形見(jiàn)圖5-7bl t2時(shí)刻V1和V2柵極信號(hào)反向， V1截止， V2不能立即導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，輸出電壓為-Udl 到負(fù)載電流過(guò)零開(kāi)始反向， VD2和VD3截止， V2和V3開(kāi)始導(dǎo)通， uo仍為- Udl t3時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)再次反向， V3截止

17、， V4不能立刻導(dǎo)通， VD4導(dǎo)通續(xù)流， uo再次為零l 輸出電壓uo的正負(fù)脈沖寬度各為 ，改變 ，可調(diào)節(jié)輸出電壓30u在純電阻負(fù)載時(shí)，VD1VD4不再導(dǎo)通，不起續(xù)流作用，uo為零的期間，4個(gè)橋臂均不能導(dǎo)通，負(fù)載沒(méi)有電流。u采用改變正負(fù)脈沖寬度的方法來(lái)調(diào)節(jié)半橋逆變電路的輸出電壓，上下兩橋臂柵極信號(hào)不再是各180正偏、180反偏且互補(bǔ)，而是正偏寬度為，反偏寬度為360- ，兩者相位差為180。這時(shí)輸出電壓uo也是正負(fù)脈沖的寬度各為。313 3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圖5-8 帶中心抽頭變壓器的逆變電路負(fù)載+-iouoUdV1V2VD1VD2l 交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT，經(jīng)

18、變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓l 兩個(gè)二極管的作用也是給負(fù)載電感中貯藏的無(wú)功能量提供反饋通道l Ud和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器一次側(cè)2個(gè)繞組和二次側(cè)繞組的匝比為1:1:11:1:1時(shí)，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同l 帶中心抽頭變壓器的逆變電路比全橋電路少用一半開(kāi)關(guān)器件，但器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高一倍，必須有一個(gè)變壓器 325.2 5.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路5.2.1 單相電壓型逆變電路5.2.2 三相電壓型逆變電路335.2.2 5.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路圖5-9 三相電壓型橋式逆變電路三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路，采用IG

19、BT作為開(kāi)關(guān)器件的電壓型三相橋式逆變電路可看成由三個(gè)半橋逆變電路組成。NN+- -UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2l 電壓型三相橋式逆變電路也是180導(dǎo)電方式l 每橋臂導(dǎo)電角度180，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度依次相差120 l 在任一瞬間將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通l 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱(chēng)為縱向換縱向換流流34圖5-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形U相輸出相輸出 當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)， uUN =Ud /2 當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)， uUN=Ud /2 uUN的波形幅值是為Ud/2 的矩形波 V、W兩相情況和兩相情況和U相類(lèi)

20、似相類(lèi)似uVN 、 uWN的波形形狀與uUN相同，只是依次相差12035 負(fù)載線電壓負(fù)載相電壓將上兩式整理得負(fù)載中點(diǎn)N和電源中點(diǎn)N之間電壓uUN UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu(5-4)NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu(5-5)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu(5-5)36)(31 WN VN UNNNuuuu(5-7)負(fù)載為三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載，則有 uUN+uVN+uWN=0，可得 uNN的 也是矩形波，但其頻率為uUN頻率的3倍，幅值為其1/3,即為Ud / 6負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可由uUN波形求出U相電流iU波形，負(fù)載的阻抗角j不同，iu的波形形狀和相位都有所不同圖5-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形37圖5-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形t 橋臂1和橋臂4之間的換流過(guò)程和半橋電路相似。t上橋臂1中的V1從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時(shí)，因負(fù)載電感中的電流不能突變，下橋臂4中的VD4先導(dǎo)通續(xù)流，待負(fù)載電流降為零，橋臂4中電流反向時(shí)，V4才開(kāi)始導(dǎo)通。t負(fù)載的阻抗角 j越大， VD4 導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)。t iu的上升段為橋臂1導(dǎo)