第5章逆變電路1

1、5-1 5-2逆變的概念 逆變與整流相對應，直流電變成交流電。l交流側接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。l交流側接負載，為無源逆變無源逆變。l 逆變與變頻l變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。l交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。主要應用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。交流電機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。本章講述無源逆變5-35-4l 以單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理圖5-1 逆變電路及其波形舉例負載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是橋式電路的4個

2、臂，由電力電子器件及輔助電路組成。5-5S1、S4閉合閉合，S2、S3斷開斷開時，負載電壓uo為正正。S1、S4斷開斷開，S2、S3閉合閉合時，負載電壓uo為負負。直流電交流電5-6逆變電路最基本的工作逆變電路最基本的工作原理原理 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a)b)tuoiot1t2電阻負載電阻負載時，負載電流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感負載阻感負載時，i io o相位滯后于u uo o，波形也不同。5-7l 換流換流電流從一個支路向另一個支路轉移的過程，也稱為換相換相。開通：適當?shù)拈T極驅動信號就可使器件開通。關斷：全控

3、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,因此安排在本章集中講述。5-81) 器件換流（Device Commutation）利用全控型器件的自關斷能力進行換流。在采用IGBT 、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2) 電網(wǎng)換流（Line Commutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關斷的晶閘管上即可使其關斷。不需要器件具有門極可關斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路

4、。3) 負載換流（Load Commutation）4) 強迫換流（Forced Commutation）5-9圖5-2 負載換流電路及其工作波形 由負載提供換流電壓的換流方式。負載電流的相位超前于負載電壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流。如圖是基本的負載換流負載換流電路，4個橋臂均由晶閘管組成。整個負載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。直流側串電感，工作過程可認為id 基本沒有脈動。負載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小。所以uo接近正弦波接近正弦波。注意注意觸發(fā)VT2、VT3的時刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTi

5、VT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT43)負載換流（ （Load Commutation） ）5-104)強迫換流（Forced Commutation）由換流電路內電容直接提供換流電壓直接耦合式強迫換流通過換流電路內的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流電感耦合式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壓或反電流的換流方式稱為強迫換流強迫換流。 通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電容換流電容換流。分類5-11直接耦合式直接耦合式強迫換流 當晶閘管VT處于通態(tài)時，預先給電容充電。當S合上，就可使VT被施加反壓而關斷。 也叫電壓換流電壓換流。圖5-3直接耦

6、合式強迫換流原理圖圖5-4 電感耦合式強迫換流原理圖電感耦合式電感耦合式強迫換流 先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓。 也叫電流換流電流換流。5-12換流方式總結：器件換流適用于全控型器件。其余三種方式針對晶閘管。器件換流和強迫換流屬于自換流。電網(wǎng)換流和負載換流屬于外部換流。當電流不是從一個支路向另一個支路轉移，而是在支路內部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅熄滅。5-131）逆變電路的分類 根據(jù)直流側電源性質的不同根據(jù)直流側電源性質的不同電壓型逆變電路又稱為電壓源型逆變電路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流側是電壓源電壓源電流型逆變電路又

7、稱為電流源型逆變電路Current Source Type Inverter-CSTI直流側是電流源電流源5-142）電壓型逆變電路的特點圖5-5 電壓型全橋逆變電路 (1)直流側為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側電壓基本無脈動無脈動。 (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功率。為了給從交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。5-15 5-161）半橋逆變電路u圖56 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理V1和V2柵極信號

8、在一周期內各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo o為矩形波，幅值為Um=Ud/2。V1或V2通時，io和uo o同方向，直流側向負載提供能量；VD1或VD2通時，i io o和u uo o反向，電感中貯能向直流側反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管反饋二極管, ,它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管續(xù)流二極管。5-17l 優(yōu)點優(yōu)點：電路簡單，使用器件少。缺點缺點：輸出交流電壓幅值為U Ud d/2/2，且直流側需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應用應用：用于幾kW以下的小功率逆變電源。l單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。5-182) 全橋逆變電路共四個橋臂，可

9、看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導通180。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)。圖5-7 單相全橋逆變電路tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4iouo1Gu5-19阻感負載時，還可采用移相的方式來調節(jié)輸出電壓移相調壓移相調壓。V3的基極信號比V1落后q （0 q 180 ）。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180q。輸出電壓是正負各為q的脈沖。改變q就可調節(jié)輸出電壓。a)圖5-7 單相全橋逆變電路的移相調壓方式tOtOtOtOtOq qb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo1G

10、u5-203） 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Ud和負載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1時，uo和io o波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。與全橋電路的比較：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 。交替驅動兩個IGBT，經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饋通道。5-21l 三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路l 應用最廣的是三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路圖5-9 三相電壓型橋式逆變電路5-22l 基本工作方式180導電方式導電方式圖5-9 三相電壓型橋式逆變電路每橋

11、臂導電180，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120 。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，也稱為縱向換流縱向換流。5-23波形分析負載各相到電源中點N的電壓：U相，V1通，uUN=Ud/2，V4通，uUN=-Ud/2。負載線電壓負載相電壓 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu0120圖圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud301

12、205-240120圖圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud301205-25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=0，于是 (5-7)負載已知時，可由uUN波形求出iU波形。一相上下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，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側向直流側傳送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個特點。防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時導通而引

13、起直流側電源短路，應采取“先斷后通” 數(shù)量分析見教材。 )(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu)(31 WN VN UNNNuuuu5-265-275-285-29電流型逆變電路主要特特點點 (1) 直流側串大電感，電流基 本無脈動，相當于電流源。直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電流型逆變電路電路。圖5-11 電流型三相橋式逆變電路 (2) 交流輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關。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

14、換流。5-30 5-311) 電路原理圖512 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路由四個橋臂構成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用來限制晶閘管開通時的di/dt。工作方式為負載換相負載換相。電容C和L 、R構成并聯(lián)諧振電路。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波。5-32tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖513并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形2) 工作分析一個周期內有兩個一個周期內有兩個導通階段和兩個換導通階段和兩個換流階段。流階段

15、。t t1 1 t t2 2：VT1和VT4穩(wěn)定導通階段穩(wěn)定導通階段，i i= =I Id d，t t2 2時刻前在C上建立了左正右負的電壓。t t2 2 t t4 4：t t2 2時觸發(fā)VT2和VT3開通，進入換流階段換流階段。LT使VT1、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，負載電容電壓經兩個并聯(lián)的放電回路同時放電。LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一個經LT2、VT2、VT4、LT4到C。5-33t=t4時，VT1、VT4電流減至零而關斷，換流階段結束。t4t2= tg g 稱為換流時間換流時間。保證晶閘管的可靠關斷保證晶閘管

16、的可靠關斷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VT1、VT4承受一段反壓時間tb。tb b= t5- t4應大于晶閘管的關斷時間tq。 。io在t3時刻，即iVT1=iVT2時刻過零，t3時刻大體位于t2和t4的中點。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtd dtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖513并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形5-34為保證可靠換流應在uo過零前td d= t5- t2時刻觸發(fā)VT2、VT3 。. td 為觸發(fā)引前時間觸發(fā)引前時間 (5-16)io超前于uo的時間

17、 (5-17)表示為電角度 (5-18) w為電路工作角頻率；g、b分別是tg g、tb b對應的電角度。忽略換流過程，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)負載電壓有效值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)qttttt bgttt2bgwbg22tttttIiwww5sin513sin31sin4dodd1o9 . 024IIIcos11. 1cos22ddoUUU5-35單相電流型逆變電路負載換流電路按工作頻率不同分為他勵和自勵方式。固定工作頻率的控制方式稱為他勵方式他勵方式。實際工作過程中，感應線圈參數(shù)隨時間變

18、化，必須使工作頻率適應負載的變化而自動調整，這種控制方式稱為自勵方式自勵方式,即逆變電路的觸發(fā)信號取自負載端，其工作頻率受負載諧振頻率的控制而比后者高一個適當?shù)闹?。自勵方式存在起動問題，因為在系統(tǒng)未投入運行時，負載端沒有輸出，無法取出信號，解決方法：先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉入自勵方式。附加預充電起動電路，即預先給電容器充電，起動時將電容能量釋放到負載上，形成衰減振蕩，檢測出衰減信號實現(xiàn)自勵。5-36全控器件電流型逆變電路1) 電路分析 基本工作方式是120導電方式導電方式每個臂一周期內導電120，每個時刻上下橋臂組各有一個臂導通，換流方式為橫向換流橫向換流。itOtOtOtOIdiVi

19、WuUVU圖5-14 電流型三相橋式逆變電路的輸出波形 圖5-11 電流型三相橋式逆變電路2) 波形分析輸出電流波形和負載性質無關，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有關，大體為正弦波。輸出交流電流的基波有效值:dUII78. 01 5-37tOtOtOtOIdiViWuUVU圖5-14 電流型三相橋式逆變電路的輸出波形 圖5-11 電流型三相橋式逆變電路5-38串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 強迫換流型圖5-15 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 主要用于中大功率交流電動機調速系統(tǒng)。是電流型電流型三相橋式逆變電

20、路。各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用。120導電工作方式導電工作方式，輸出波形和圖5-14的波形大體相同。強迫換流強迫換流方式，電容C1C6為換流電容。5-39- - +U VW+ - -U VWa)+ - -U VWb)- - +UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV圖5-16 換流過程各階段的電流路徑換流過程分析電容器所充電壓的規(guī)律電容器所充電壓的規(guī)律： 對于共陽極晶閘管，它與導通晶閘管相連一端極性為正，另

21、一端為負，不與導通晶閘管相連的電容器電壓為零。等效換流電容概念等效換流電容概念： 分析從VT1向VT3換流時，圖516中的C13就是圖514中的C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容。圖5-15 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 5-40分析從從VTVT1 1向向VTVT3 3換流換流的過程: 假設換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負。如圖516a。 換流階段分為恒流放電恒流放電和二極管換二極管換流流兩個階段。t t1 1時刻觸發(fā)VT3導通導通，VT1被施以反壓而關斷關斷。Id從VT1換到VT3，C13通過VD1、U相負載、W相負載、VD2、VT2、直流電源和VT3放電，放電電流恒為Id

22、，故稱恒流放電階段恒流放電階段。如圖516b。uC13下降到零之前，VT1承受反壓，反壓時間大于tq就能保證關斷。圖5-16 換流過程各階段的電流路徑 a) b）+ - -UVW+ - -UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdttOuOiUCOuC13uC5uC3- -UCOIdiUiVt1t2t35-41- -+UVW- -+UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13iViViU=Id- -iV圖5-16 換流過程各階段的電流路徑c) d）t t2 2時刻u uC13C13降到零，

23、之后C13反向充電。忽略負載電阻壓降，則二極管VD3導通，電流為i iV V，VD1電流為i iU U= =I Id d- -i iV V，VD1和VD3同時通，進入二極管換流階段二極管換流階段。隨著C13電壓增高，充電電流漸小，iV漸大，t3時刻iU減到零，iV=Id，VD1承受反壓而關斷，二極管換流階段結束結束。 t3以后，VT2、VT3穩(wěn)定導通階段穩(wěn)定導通階段。ttOuOiUCOuC13uC5uC3- -UCOIdiUiVt1t2t35-42波形分析電感負載時，u uC13C13、i iU U、i iV V及u uC1C1、u uC3C3、u uC5C5波形如右圖。u uC1C1的波形和

24、u uC13C13完全相同，從UC0降為UC0 。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。u uC3C3從零變到-U UC0C0，u uC5C5從U UC0C0變到零。這 些 電 壓 恰 好 符 合 相 隔120后從VT3到VT5換流時的要求。ttOuOiUCOuC13uC5uC3- -UCOIdiUiVt1t2t3圖5-17 串聯(lián)二極管晶閘管逆變電路換流過程波形5-43l 電流型逆變電路應用實例：無換向器電動機電流型三相橋式逆變器驅動同步電動機，負載換流。工作特性和調速方式和直流電動機相似，但無換向器，因此稱為無換向器電動機。圖518 無換相器電動機的基本電路5-44w

25、tuuuuOOOOOwtwtwtOwtwtVT4導通UVWiViWiUudMVT1導通VT3導通VT6導通VT5導通VT2導通uVT1BQ轉子位置檢測器轉子位置檢測器，檢測磁極位置以決定什么時候給哪個晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖。圖5-19 無換相器電動機電路工作波形圖518 無換相器電動機的基本電路5-45l 電壓型電壓型逆變電路輸出電壓是矩形波，l 電流型電流型逆變電路輸出電流是矩形波，含有較多諧波。l 多重逆變電路多重逆變電路把幾個矩形波組合起來，接近正弦。l 多電平逆變電路多電平逆變電路輸出較多電平，使輸出接近正弦。5-46 5-47多重逆變電路多重逆變電路 電壓型、電流型都可多重化，以電壓型電

26、壓型為例。l 單相電壓型二重逆變電路兩個單相全橋逆變電路組成，輸出通過變壓器T1和T2串聯(lián)起來。輸出波形：兩個單相的輸出u1和u2是180矩形波。圖5-21 二重逆變電路的工作波形12060180tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo圖5-20 二重單相逆變電路5-48u1和u2相位錯開 =60,其中的3次諧波就錯開了 360=180。變壓器串聯(lián)合成后，3次諧波互相抵消，總輸出電壓中不含3次諧波。uo波形是120矩形波，含6k1次諧波，3k次諧波都被抵消。多重逆變電路有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種串聯(lián)多重串聯(lián)多重把幾個逆變電路的輸出串聯(lián)起來，多用于電壓型電壓型。并聯(lián)多重并聯(lián)多重把幾個逆變電路的輸出

27、并聯(lián)起來，多用于電流型電流型。12060180tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo圖5-21 二重逆變電路的工作波形圖5-20 二重單相逆變電路5-49 三相電壓型二重逆變電路三相電壓型二重逆變電路的工作原理圖5-22 三相電壓型二重逆變電路由兩個三相橋式逆變電路構成，輸出通過變壓器串聯(lián)合成。兩個逆變電路均為180導通方式。逆變橋II的相位逆變橋I滯后30。T1為/ Y聯(lián)結，線電壓變比為 （一次和二次繞組匝數(shù)相等)。T2一次側聯(lián)結，二次側兩繞組曲折星形接法，其二次電壓相對于一次電壓而言，比T1的接法超前30，以抵消逆變橋II比逆變橋I滯后的30。這樣，uU2和uU1的基波相位就相同。若T2

28、與T1二次雜數(shù)比為 ，則uU2和uU1幅值相等3:131UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)圖5-23 二次側基波電壓合成相量圖 5-50由圖524可看出uUN比uU1接近正弦波。具體數(shù)量關系見教材P147。直流側電流每周期脈動12次，稱為12脈波逆變電路脈波逆變電路。使m個三相橋逆變電路的相位依次錯開 /(3m)，連同合成輸出電壓并抵消上述相位差的變壓器，就可構成6m的脈波逆變電路。UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud圖5-23 二次側基波電壓合成相量圖 圖5-24 三相電壓型二重逆變電路波形圖 5-51 回顧圖5-9三相電壓型橋式逆變電路和圖5-10的波形。 以N為參考點，輸出相電壓有U Ud d/2/2和-U-Ud d/2/2兩種電平，稱為兩電平逆變電路兩電平逆變電路。圖5-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud35-52 三電平逆變電路三電平逆變電路也稱中