第5章-無源逆變電路課件

第5章無源逆變電路5.1無源逆變電路的工作原理5.2電壓型逆變電路5.3電流型逆變電路5.4多重逆變器和多電平逆變器5.5脈寬調(diào)制型逆變器5.6無源逆變電路的應(yīng)用第5章無源逆變電路5.1無源逆變電路的工作原理15.1無源逆變電路的工作原理5.1.1無源逆變基本工作原理5.1.2換流方式分類5.1.3逆變電路的其他分類方式5.1無源逆變電路的工作原理5.1.1無源逆變基本工作原理25.1.1無源逆變基本工作原理圖5-1單相橋式逆變電路工作原理該電路有兩種工作狀態(tài)：(1)S1、S4閉合，S2、S3斷開，加在負(fù)載R上的電壓為左正右負(fù)，輸出電壓uo=Ud；(2)S2、S3閉合，S1、S4斷開，加在負(fù)載R上的電壓為左負(fù)右正，輸出電壓uo=－Ud。5.1.1無源逆變基本工作原理圖5-1單相橋式逆變電路工作原35.1.2換流方式分類逆變電路工作過程中，電流會(huì)從S1到S2、S4到S3的轉(zhuǎn)移。電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程稱為換流，也稱換相。換流及換流方式(1)器件換流利用全控型器件（GTO、GTR、IGBT等）的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流（DeviceCommutation）。(2)電網(wǎng)換流由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流（LineCommutation）。

5.1.2換流方式分類逆變電路工作過程中，電流會(huì)從S1到S24(3)負(fù)載換流由負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)載換流（LoadCommutation）。

圖5-2負(fù)載換流電路及其工作波形(3)負(fù)載換流圖5-2負(fù)載換流電路及其工作波形5(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。強(qiáng)迫換流通常利用附加電容上儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，也稱為電容換流。通過換流電路內(nèi)電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流稱為電感耦合式強(qiáng)迫換流。圖5-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖圖5-4電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖(4)強(qiáng)迫換流圖5-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖圖5-4電65.1.3逆變電路的其他分類方式(1)根據(jù)輸入直流電源特點(diǎn)分類①電壓型：電壓型逆變器的輸入端并接有大電容，輸入直流電源為恒壓源，逆變器將直流電壓變換成交流電壓。②電流型：電流型逆變器的輸入端串接有大電感，輸入直流電源為恒流源，逆變器將輸入的直流電流變換為交流電流輸出。(2)根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類①半橋式逆變電路；②全橋式逆變電路；③推換式逆變電路；④其他形式：如單管晶體管逆變電路。(3)根據(jù)負(fù)載特點(diǎn)分類①非諧振式逆變電路②諧振式逆變電路5.1.3逆變電路的其他分類方式(1)根據(jù)輸入直流電源特點(diǎn)75.2電壓型逆變電路按照直流側(cè)電源性質(zhì)，逆變電路可分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路兩類，直流側(cè)電源是電壓源的逆變電路稱為電壓型逆變電路，而直流側(cè)電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。5.2.1電壓型單相橋式逆變器5.2.2電壓型三相橋式逆變器5.2.3電壓型逆變電路的特點(diǎn)5.2電壓型逆變電路按照直流側(cè)電源性質(zhì)，逆變電路可分為電壓型85.2.1電壓型單相橋式逆變器1．半橋逆變電路圖5-5電壓型單相半橋逆變電路及其工作波形5.2.1電壓型單相橋式逆變器1．半橋逆變電路圖5-5電92．單相全橋逆變電路圖5-6單相全橋逆變電路2．單相全橋逆變電路圖5-6單相全橋逆變電路10單相全橋逆變電路的輸出電壓為方波，定量分析時(shí)，將uo展開成傅氏級(jí)數(shù)，得

(5-1)其中基波分量的幅值Uo1m和有效值Uo1分別為

(5-2)

(5-3)單相全橋逆變電路的輸出電壓為方波，定量分析時(shí)，將uo展開成115.2.2電壓型三相橋式逆變器電壓型三相橋式逆變電路如圖5-7所示。

圖5-7電壓型三相橋式逆變電路5.2.2電壓型三相橋式逆變器電壓型三相橋式逆變電路如圖5-12就180o導(dǎo)電型進(jìn)行分析。180o導(dǎo)電型三橋式逆變電路的工作波形如圖5-8所示。為分析方便，將一個(gè)工作周期分為6個(gè)區(qū)間，每區(qū)間占60o。每隔60o的各階段等值電路圖形及相電壓、線電壓的數(shù)值如表5-1所示。表中，負(fù)載為三相星形對(duì)稱負(fù)載：Za＝Zb＝Zc圖5-8180o導(dǎo)電型三橋式逆變電路的工作波形就180o導(dǎo)電型進(jìn)行分析。圖5-8180o導(dǎo)電型三橋式13表5-1180o導(dǎo)電型三相橋式逆變電路各階段等效電路及相電壓和線電壓表5-1180o導(dǎo)電型三相橋式逆變電路各階段等效電路及相145.2.3電壓型逆變電路的特點(diǎn)(1)直流側(cè)接有大電容，相當(dāng)于電壓源，直流電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。(2)由于直流電壓源的箝位作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)電流波形和相位因負(fù)載阻抗角的不同而異，其波形接近三角波或接近正弦波。(3)當(dāng)交流側(cè)為電感性負(fù)載時(shí)需提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋能量提供通道，各逆變臂都并聯(lián)了續(xù)流二極管。(4)逆變電路從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的，因直流電壓無脈動(dòng)，故功率的脈動(dòng)是由直流電流的脈動(dòng)來體現(xiàn)的。(5)當(dāng)逆變電路用于交-直-交變頻器且負(fù)載為電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)工作在再生制動(dòng)狀態(tài)，就必須向交流電源反饋能量。因直流側(cè)電壓方向不能改變，所以只能靠改變直流電流的方向來實(shí)現(xiàn)，這就需要給交-直整流橋再反并聯(lián)一套逆變橋，或在整流側(cè)采用四象限脈沖變流器。5.2.3電壓型逆變電路的特點(diǎn)(1)直流側(cè)接有大電容，相當(dāng)于155.3電流型逆變電路5.3.1電流型單相橋式逆變器5.3.2電流型三相橋式逆變器5.3.3電流型逆變器的特點(diǎn)5.3電流型逆變電路5.3.1電流型單相橋式逆變器165.3.1電流型單相橋式逆變器1．電路結(jié)構(gòu)圖5-9(a)所示是一種單相橋式電流型逆變電路的原理圖。電路由四個(gè)晶閘管橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂均串聯(lián)一個(gè)電抗器LT，用來限制晶閘管的電流上升率di/dt。橋臂1、4和橋臂2、3以1000~2500Hz的中頻輪流導(dǎo)通，從而使負(fù)載獲得中頻交流電。圖5-9(a)中的負(fù)載是一個(gè)中頻電爐，如圖5-9(b)所示實(shí)際上是一個(gè)電磁感應(yīng)線圈，用來加熱置于線圈內(nèi)的鋼料。5.3.1電流型單相橋式逆變器1．電路結(jié)構(gòu)17圖5-9單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路圖5-9單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路182．工作原理當(dāng)逆變橋?qū)蔷чl管以一定頻率交替觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載感應(yīng)線圈通入中頻電流，線圈中產(chǎn)生中頻交變磁通。如將金屬(鋼鐵、銅、鋁)放入線圈中，在交變磁場(chǎng)的作用下，金屬中產(chǎn)生渦流與磁滯(鋼鐵)效應(yīng)，使金屬發(fā)熱熔化，如圖5-9(b)所示。圖5-10是該逆變電路工作時(shí)的換流過程，圖5-11是該逆變電路換流過程的波形。在交流電流的一個(gè)周期內(nèi)，有兩個(gè)穩(wěn)定的導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。2．工作原理19圖5-10并聯(lián)諧振式逆變電路的換流過程圖5-10并聯(lián)諧振式逆變電路的換流過程20圖5-11并聯(lián)諧振式逆變電路的工作波形圖5-11并聯(lián)諧振式逆變電路的工作波形21為了保證可靠換相，應(yīng)在負(fù)載電壓uo過零前tf時(shí)刻觸發(fā)VT2、VT3，tf稱為觸發(fā)引前時(shí)間。從圖5-11可知： (5-4)式中，一般取t＝(2~3)tq。從圖5-11還可知，為了關(guān)斷已導(dǎo)通的晶閘管實(shí)現(xiàn)換流，必須使整個(gè)負(fù)載電路呈現(xiàn)容存性，使流入負(fù)載電路的電流基波分量io1超前uo中頻電壓，負(fù)載電流超前負(fù)載電壓的時(shí)間t (5-5)因此，負(fù)載的功率因數(shù)角，即電流超前電壓的相位角為 (5-6)式中，為電路的工作角頻率。為了保證可靠換相，應(yīng)在負(fù)載電壓uo過零前tf時(shí)刻觸發(fā)VT2、223．中頻電流、電壓和輸出功率的計(jì)算忽略換相重疊時(shí)間t，則中頻負(fù)載電流io為交變矩形波，用傅氏級(jí)數(shù)展開得 (5-7)上式中基波電流有效值為 (5-8)忽略逆變電路的功率損耗，則逆變電路輸入的有功功率即直流功率等于輸出的基波功率(高次諧波不產(chǎn)生有功功率)，即 (5-9)所以 (5-10)3．中頻電流、電壓和輸出功率的計(jì)算23中頻輸出功率為 (5-11)式中，Rf為對(duì)應(yīng)于某一逆變角負(fù)載阻抗的電阻分量。將式(5-10)代入上式得 (5-12)由式(5-12)可見，調(diào)節(jié)直流電壓Ud或改變逆變角，都能改變中頻輸出功率的大小。中頻輸出功率為245.3.2電流型三相橋式逆變器串聯(lián)二極管式逆變器是電流型逆變器，性能優(yōu)于電壓型逆變器，主要用于中大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。圖5-12即為其主電路，VT1~VT6組成三相橋式逆變器，C1~C6為換流電容，VD1~VD6為隔離二極管，其作用是防止換流電容直接通過負(fù)載放電。Za、Zb、Zc為電動(dòng)機(jī)三相負(fù)載。該逆變器為120導(dǎo)電型，與三相橋式整流相似，任意瞬間只有兩只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，管子的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1~VT6，觸發(fā)脈沖間隔為60，每個(gè)管子導(dǎo)通120電角度。5.3.2電流型三相橋式逆變器串聯(lián)二極管式逆變器是電流型逆變25圖5-12串聯(lián)二極管式電流型三相橋式逆變電路圖5-12串聯(lián)二極管式電流型三相橋式逆變電路26(1)換流前(2)晶閘管換流(3)二極管換流(4)正常運(yùn)行圖5-13串聯(lián)二極管式逆變電路換流過程(1)換流前(2)晶閘管換流(3)二極管換流(4)正常27圖5-14為電流型三相橋式逆變電路的輸出波形。由于在換流期間引起電動(dòng)機(jī)繞組中電流的迅速變化，在繞組漏感中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，疊加在原有電壓上，所以在電流型逆變器輸出的近似正弦波的電壓波形上，出現(xiàn)換流尖峰電壓(毛刺)，其數(shù)值較大，在選擇晶閘管耐壓時(shí)必須考慮。圖5-14電流型三相橋式逆變電路的輸出波形圖5-14為電流型三相橋式逆變電路的輸出波形。由于在換流期間285.3.3電流型逆變器的特點(diǎn)(1)直流側(cè)串聯(lián)有大電感，直流側(cè)電流基本無脈動(dòng)，由于大電感抑流作用，直流回路呈現(xiàn)高阻抗，短路的危險(xiǎn)性也比電壓型逆變電路小得多。(2)電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出的電流為矩形波，與負(fù)載性質(zhì)無關(guān)。而交流側(cè)電壓波形因負(fù)載阻抗角的不同而不同。(3)直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用不能反向，故不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管，電路相對(duì)電壓型也較簡(jiǎn)單。5.3.3電流型逆變器的特點(diǎn)(1)直流側(cè)串聯(lián)有大電感，直流側(cè)295.4多重逆變器和多電平逆變器5.4.1多重逆變器5.4.2多電平逆變器5.4多重逆變器和多電平逆變器5.4.1多重逆變器305.4.1多重逆變器如圖5-15(a)所示，逆變器Ⅰ和Ⅱ是電路完全相同的兩個(gè)電壓型逆變器，將兩變壓器二次側(cè)按圖5-15(a)所示方法串聯(lián)起來(圖中只畫了A相)，則可獲得圖5-15(b)所示波形。通過傅氏級(jí)數(shù)分析可知，該輸出相電壓的波形中不含11次以下的諧波。圖5-15逆變器電壓疊加5.4.1多重逆變器如圖5-15(a)所示，逆變器Ⅰ和Ⅱ是電31圖5-16是電流型逆變器三重化的一種方案。逆變器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之間相差20電角度，通過三臺(tái)變壓器耦合并聯(lián)輸出。圖5-16逆變器電壓疊加圖5-16是電流型逆變器三重化的一種方案。逆變器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之325.4.2多電平逆變器圖5-17三電平逆變電路圖5-18三電平逆變電路在不同控制α?xí)r的負(fù)載相電壓UAN5.4.2多電平逆變器圖5-17三電平逆變電路圖5-1833圖5-19三電平逆變電路α＝15時(shí)負(fù)載相電壓波形圖5-19三電平逆變電路α＝15時(shí)負(fù)載相電壓波形345.5脈寬調(diào)制型逆變器PWM控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可以改變逆變電路輸出電壓的大小，又可以改變輸出電壓的頻率。5.5.1PWM控制的基本原理5.5.2PWM逆變器及其優(yōu)點(diǎn)5.5.3SPWM控制電路5.5脈寬調(diào)制型逆變器PWM控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的355.5.1PWM控制的基本原理正弦波脈寬調(diào)制的控制思想是利用逆變器的開關(guān)元件，由控制線路按一定的規(guī)律控制開關(guān)元件是否通斷，從而在逆變器的輸出端獲得一組等幅、等距而不等寬的脈沖序列。SPWM控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或者其他所需要的波形。圖5-20SPWM波形5.5.1PWM控制的基本原理正弦波脈寬調(diào)制的控制思想是利36如圖5-21(a)(b)，用正弦波和三角波相交點(diǎn)得到一組等幅矩形脈沖，其寬度按正弦規(guī)律變化。(1)逆變器輸出頻率與正弦調(diào)制波頻率相同；當(dāng)逆變器輸出端需要變頻時(shí)，只要改變調(diào)制波的頻率，見圖5-21(c)、(e)；(2)三角波與正弦調(diào)制波的交點(diǎn)即確定了逆變器輸出脈沖的寬度和相位。通常采用恒幅的三角波，而用改變調(diào)制波幅值的方法，可以得到逆變器輸出波形的不同寬度，從而得到不同的逆變器輸出電壓，見圖5-21(c)、(d)。圖5-21改變SPWM輸出電壓和頻率時(shí)的波形如圖5-21(a)(b)，用正弦波和三角波相交點(diǎn)得到一組等37一般將正弦調(diào)制波的峰值urm與三角載波的峰值ucm之比定義為調(diào)制度M，亦稱調(diào)制比或調(diào)制系數(shù)(ModucationIndex)，即 (5-13)一般將正弦調(diào)制波的峰值urm與三角載波的峰值ucm之比定義為385.5.2PWM逆變器及其優(yōu)點(diǎn)1．單相橋式PWM變頻電路工作原理圖5-22單相橋式PWM變頻電路5.5.2PWM逆變器及其優(yōu)點(diǎn)1．單相橋式PWM變頻電路工39(1)單極性PWM控制方式工作原理如圖5-23所示，按照PWM控制的基本原理，把所希望輸出的正弦波作為調(diào)制信號(hào)ur，把接受調(diào)制的等腰三角形波作為載波信號(hào)uc。逆變電路輸出的uo為PWM波形，如圖5-23所示，uof為uo的基波分量。由于在這種控制方式中的PWM波形只能在一個(gè)方向變化，故稱為單極性PWM控制方式。(1)單極性PWM控制方式工作原理40圖5-23單極性PWM控制方式原理波形圖5-23單極性PWM控制方式原理波形41(2)雙極性PWM控制方式工作原理電路仍然是圖5-22，調(diào)制信號(hào)ur仍然是正弦波，而載波信號(hào)uc改為正負(fù)兩個(gè)方向變化的等腰三角形波，如圖5-24所示。(2)雙極性PWM控制方式工作原理42圖5-24雙極性PWM控制方式原理波形圖5-24雙極性PWM控制方式原理波形432．三相橋式PWM變頻電路的工作原理電路如圖5-25所示，本電路采用GTR作為電壓型三相橋式逆變電路的自關(guān)斷開關(guān)器件，負(fù)載為電感性。

2．三相橋式PWM變頻電路的工作原理44圖5-25三相橋式PWM變頻電路圖5-25三相橋式PWM變頻電路45三相調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW為相位依次相差120°的正弦波，而三相載波信號(hào)是公用一個(gè)正負(fù)方向變化的三角形波uc，如圖5-26所示。圖5-26所示的uUN'波型就是三相橋式PWM逆變電路，U相輸出的波形（相對(duì)N’點(diǎn)）。三相調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW為相位依次相差120°的正463．PWM優(yōu)點(diǎn)(1)既可分別調(diào)頻、調(diào)壓，也可同時(shí)調(diào)頻調(diào)壓，都由逆變器統(tǒng)一完成，僅有一個(gè)可控功率級(jí)，從而簡(jiǎn)化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，使裝置的體積小、重量輕、造價(jià)低、可靠性高。(2)直流電壓可由二極管整流獲得，交流電網(wǎng)的輸入功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小和頻率無關(guān)而接近1；如有數(shù)臺(tái)裝置，可由同一臺(tái)不可控整流器輸出作直流公共母線供電。(3)輸出頻率和電壓都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，其響應(yīng)速度取決于電子控制回路，而與直流回路的濾波參數(shù)無關(guān)，所以調(diào)節(jié)速度快，且可使調(diào)節(jié)過程中頻率和電壓相配合，以獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。(4)輸出電壓或電流波形接近正弦，從而減少諧波分量。3．PWM優(yōu)點(diǎn)475.5.3SPWM控制電路1．由模擬電路生成PWM脈沖的工作原理本方法通常由正弦調(diào)制波和三角形載波比較產(chǎn)生，如圖5-27所示，正弦波發(fā)生器和三角波發(fā)生器分別由模擬電路組成，在異步調(diào)制方式下，三角波的頻率是固定的，而正弦波的頻率和幅值隨調(diào)制深度的增大而線性增大。圖5-27由模擬電路生成PWM脈沖5.5.3SPWM控制電路1．由模擬電路生成PWM脈沖的工482．由專用集成芯片構(gòu)成的三相SPWM控制電路實(shí)際應(yīng)用中，三相SPWM控制是由專用的SPWM大規(guī)模單片集成電路完成的。常用的專用集成芯片有HEF4752、SLE4520、MA818(828/838)等。圖5-28SLE4520管腳排列2．由專用集成芯片構(gòu)成的三相SPWM控制電路圖5-28S495.6無源逆變電路的應(yīng)用5.6.1工業(yè)感應(yīng)加熱5.6.2電磁爐5.6無源逆變電路的應(yīng)用5.6.1工業(yè)感應(yīng)加熱505.6.1工業(yè)感應(yīng)加熱1．感應(yīng)加熱的原理(1)感應(yīng)加熱的基本原理當(dāng)感應(yīng)線圈內(nèi)通以交流電流時(shí)，在鋼管中將感應(yīng)出電流，從而產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，再利用交變磁場(chǎng)來產(chǎn)生渦流達(dá)到加熱的效果。圖5-29電磁感應(yīng)①第一線圈②第二線圈5.6.1工業(yè)感應(yīng)加熱1．感應(yīng)加熱的原理圖5-29電磁感應(yīng)51利用高頻電源來加熱通常有兩種方法：①電介質(zhì)加熱電介質(zhì)加熱通常用來加熱不導(dǎo)電材料，比如木材、橡膠等。微波爐就是利用這個(gè)原理，如圖5-30所示。②感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱原理為產(chǎn)生交變的電流，從而產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，再利用交變磁場(chǎng)來產(chǎn)生渦流達(dá)到加熱的效果，如圖5-31所示。(2)感應(yīng)加熱發(fā)展歷史在19世紀(jì)末期，技術(shù)人員又發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的有利面，就是可以將之利用到加熱場(chǎng)合，來取代一些傳