第五章逆變電路

復習：第4章交流電力控制電路和交交變頻電路交流變交流第3章直流斬波電路直流變直流第2章整流電路交流變直流直流變交流有源逆變返回逆變概念

逆變——與整流相對應，直流電變成交流電交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變交流側(cè)接負載，為無源逆變第5章逆變電路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部分都是逆變電路逆變與變頻變頻電路：交交變頻和交直交變頻兩種交直交變頻由交直變換和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變特別提示：本內(nèi)容是下學期《電力拖動自動控制系統(tǒng)》中交流調(diào)速的基本知識。5.1

換流方式逆變電路的基本工作原理換流方式分類5.2電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路5.1換流方式

5.1.1逆變電路的基本工作原理

單相橋式逆變電路S1~S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同直流電交流電+--+5.1.2換流方式分類換流：電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱換相。開通：適當?shù)目刂茦O驅(qū)動信號就可使其開通關斷：全控型器件可通過控制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1.器件換流利用全控型器件的自關斷能力進行換流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由電網(wǎng)提供換流電壓IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR只要把負的電網(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，也不需要為換流附加任何元件。但不適用于沒有交流電網(wǎng)的直流斬波和無源逆變電路3.負載換流負載為電容性負載時

負載為同步電動機時由負載提供換流電壓4個橋臂均由晶閘管組成負載是電阻電感串聯(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。+-負載電流相位超前于負載電壓的場合實現(xiàn)負載換流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直接耦合式強迫換流由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓晶閘管VT通態(tài)時，預先給電容C充電。合上開關S，就可使晶閘管被施加反向電壓而關斷。SVT負載+C電感耦合式強迫換流通過換流電路內(nèi)電容和電感的耦合提供換流電壓或換流電流CL+VDSCVT負載+LSVT負載VDb)a)圖a中，接通S后，LC振蕩電流將反向流過VT，與VT的負載電流相減，直到VT的合成正向電流減至零后，再流過二極管VD。LC振蕩第一個半周期內(nèi)關斷LC振蕩第二個半周期內(nèi)關斷圖b中，接通S后，LC振蕩電流先正向流過VT并和VT中原有的負載電流疊加，經(jīng)過半個振蕩周期振蕩電流反向流過VT，直到VT的合成正向電流減至零后，再流過二極管VD。給晶閘管加上反向電壓而使其關斷的換流電壓換流電流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)換流負載換流針對晶閘管強迫換流器件換流強迫換流因器件或變流器自身原因引起換流自換流電網(wǎng)換流負載換流借助于外部手段（電網(wǎng)電壓或負載電壓）換流外部換流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采用外部換流方式逆變的電路熄滅

當電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱汶娏餍湍孀冸娐罚娏髟葱湍孀冸娐罚╇妷盒湍孀冸娐罚妷涸葱湍孀冸娐罚┲绷鱾?cè)是電壓源直流側(cè)是電流源5.2電壓型逆變電路

逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種逆變電路按輸出電壓相數(shù)分為單相逆變器三相逆變器5.2.1單相電壓型逆變電路

電壓型逆變電路的特點：(1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動。(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功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。1．半橋逆變電路半橋逆變電路有兩個橋臂，每個橋臂有一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的連接點是直流電源的中點。負載連接在直流電源中點和兩個橋臂連接點之間。

V1或V2通時，負載電流io和電壓uo同方向，直流側(cè)向負載提供能量。

VD1或VD2通時，io和uo反向，負載電感中貯藏的能量向直流側(cè)反饋。輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2

輸出電流io波形隨負載情況而異。VD2V2VD1兩橋臂交替各導通180°

負載電感將其吸收的無功能量反饋回直流側(cè)，反饋回的能量暫時儲存在直流側(cè)電容器中，直流側(cè)電容器起著緩沖這種無功能量的作用。二極管反饋二極管續(xù)流二極管負載向直流側(cè)反饋能量的通道使負載電流連續(xù)可控器件是不具有門極可關斷能力的晶閘管時，須附加強迫換流電路才能正常工作。半橋逆變電路特點優(yōu)點簡單，使用器件少缺點輸出交流電壓幅值Um僅為Ud/2，直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，工作時要控制兩個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單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合2．全橋逆變電路電壓型全橋逆變電路可看成由兩個半橋電路組合而成，共4個橋臂，橋臂1和4為一對，橋臂2和3為另一對，成對橋臂同時導通，兩對交替各導通180°Um=UdVD3、VD2V3、V2.輸出電壓定量分析

uo展開成傅里葉級數(shù)：

基波幅值基波有效值以上uo為正負各180°，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實現(xiàn)對半橋逆變電路也適用，將式中的Ud換成Ud

/2還可采用移相的方式來調(diào)節(jié)輸出電壓－移相調(diào)壓。采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓實際就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度移相調(diào)壓

各IGBT柵極信號為180°正偏，180°反偏，且V1和V2柵極信號互補，V3和V4柵極信號互補

V3的基極信號不是比V1落后180°，而是只落后θ

(0<θ<180°)V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180°-θ

輸出電壓uo是正負各為θ的脈沖tOtOtOtOtOquG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iououo成為正負各為θ的脈沖，改變θ即可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。

在純電阻負載時，VD1—VD4不再導通，不起續(xù)流作用，uo為零的期間，4個橋臂均不能導通，負載沒有電流。V1、V4V1、VD3VD3、VD2V2、V3.三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路，采用IGBT作為開關器件的電壓型三相橋式逆變電路可看成由三個半橋逆變電路組成。

電壓型三相橋式逆變電路也是180°導電方式每橋臂導電角度180°，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度依次相差120°在任一瞬間將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5.2.2三相電壓型逆變電路負載線電壓負載相電壓三相對稱負載橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60°脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的。定量分析負載線電壓輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)

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問題:負載相電壓的展開式、有效值、基波幅值、基波有效值？復習：電壓型逆變電路的特點：(1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動。(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功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。直流電源為電流源的逆變電路——電流型逆變電路一般在直流側(cè)串聯(lián)大電感，電流脈動很小，可近似看成直流電流源交流側(cè)電容用于吸收換流時負載電感中存貯的能量應用：在經(jīng)常啟、制動和正反轉(zhuǎn)變頻控制系統(tǒng)中，得到了更廣泛的應用。5.3電流型逆變電路

電流型三相橋式逆變電路電流型逆變電路主要特點

(1)

直流側(cè)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(cè)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、強迫換流(4)

容易實現(xiàn)四象限運行(5)

由于可以使用電流環(huán)控制電流，響應速度快，動態(tài)性能好，更適合電動機頻繁啟、制動，正反轉(zhuǎn)運行。5.3.1單相電流型逆變電路5.3.2三相電流型逆變電路5.3電流型逆變電路大多采用橋式電路，利用負載諧振原理換流，稱為并聯(lián)諧振逆變器。多用于金屬熔煉、淬火的中頻加熱電源。1)電路由四個橋臂構(gòu)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/dt5.3.1單相電流型逆變電路

1、4和2、3以1000-2500Hz的中頻輪流導通，可得到中頻交流電Ud中頻爐，為一個感應線圈工作方式為負載換相電容C和L

、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路因晶閘管交替觸發(fā)頻率接近負載電路諧振頻率，故負載對外加矩形波電壓的基波呈高阻抗，對諧波呈低阻抗，輸出電壓波形是很好的中頻正弦波。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一個周期內(nèi)有兩個導通階段和兩個換流階段2)工作分析t2之前：VT1和VT4穩(wěn)定導通階段，iｏ=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(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電:LT1、VT1、VT3、LT3到C；LT2、VT2、VT4、LT4到C。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。t=t4時，VT1、VT4電流減至零而關斷，換流階段結(jié)束。t4－t2=tγ

稱為換流時間。保證晶閘管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(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時間tβ。tβ=t5-t4應大于晶閘管的關斷時間tq。tδ為觸發(fā)引前時間

io超前于uo的時間為

表示為電角度

φ是負載的功率因數(shù)角；ω為電路工作角頻率；γ、β分別是tγ、tβ對應的電角度。為保證可靠換流應在uo過零前tδ=t5-t2時刻觸發(fā)VT2、VT3脈動頻率為交流輸出電壓頻率的2倍緩沖無功能量3)

數(shù)量分析

忽略換流過程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級數(shù)

基波電流有效值

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）

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：先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵方式附加預充電起動電路5.3.2三相電流型逆變電路

1)電路分析基本工作方式是120°導電方式－每個臂一周期內(nèi)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。2)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。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(diào)速系統(tǒng)。是電流型三相橋式逆變電路。各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用。120°導電工作方式，輸出波形與前面的波形大體相同。強迫換流方式，電容C1～C6為換流電容。容電器充電規(guī)律：共陽極晶閘管，電容器與導通晶閘管相連接的一端為正，另一端為負；不與導通晶閘管相連接的另一電容器電壓為零。等效換流電容等效換流電容概念：從VT1向VT3換流的過程換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負恒流放電階段t1時刻觸發(fā)VT3導通，VT1被施以反壓而關斷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，故稱恒流放電階段uC13下降到零之前，VT1承受反壓，反壓時間大于tq就能保證關斷二極管換流階段t2時刻uC13降到零，之后C13