第5章 無源逆變電路

第5章無源逆變電路電力電子技術(shù)第5章無源逆變電路無源逆變電路的工作原理5.1電壓型逆變電路5.2電流型逆變電路5.3多重逆變器和多電平逆變器5.4脈寬調(diào)制型逆變器5.5無源逆變電路的應(yīng)用5.65.1無源逆變電路的工作原理無源逆變基本工作原理(1)S1、S4閉合，S2、S3斷開，加在負載R上的電壓為左正右負，輸出電壓uo=Ud；

該電路有兩種工作狀態(tài)：(2)S2、S3閉合，S1、S4斷開，加在負載R上的電壓為左負右正，輸出電壓uo=－Ud。5.1無源逆變電路的工作原理換流方式分類逆變電路工作過程中，電流會從S1到S2、S4到S3的轉(zhuǎn)移。電流從一個支路向另一個支路轉(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無源逆變電路的工作原理(3)負載換流由負載提供換流電壓稱為負載換流（LoadCommutation）。負載換流電路及其工作波形5.1無源逆變電路的工作原理(4)強迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向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儲存的能量來實現(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迫換流。直接耦合式強迫換流原理圖電感耦合式強迫換流原理圖5.1無源逆變電路的工作原理逆變電路的其他分類方式(1)根據(jù)輸入直流電源特點分類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。5.1無源逆變電路的工作原理(2)根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點分類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)負載特點分類①非諧振式逆變電路②諧振式逆變電路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電壓型逆變電路電壓型單相橋式逆變器1．半橋逆變電路電壓型單相半橋逆變電路及其工作波形5.2電壓型逆變電路2．單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路5.2電壓型逆變電路單相全橋逆變電路的輸出電壓為方波，定量分析時，將uo展開成傅氏級數(shù)，得

其中基波分量的幅值Uo1m和有效值Uo1分別為5.2電壓型逆變電路電壓型三相橋式逆變器電壓型三相橋式逆變電路5.2電壓型逆變電路180o導(dǎo)電型180o導(dǎo)電型三橋式逆變電路的工作波形圖。為分析方便，將一個工作周期分為6個區(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)值如表所示。表中，負載為三相星形對稱負載：Za＝Zb＝Zc5.2電壓型逆變電路180o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5.2電壓型逆變電路電壓型逆變電路的特點(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，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，與負載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)電流波形和相位因負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)為電感性負載時需提供無功功率，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)傳送的功率是脈動的，因直流電壓無脈動，故功率的脈動是由直流電流的脈動來體現(xiàn)的。(5)當(dāng)逆變電路用于交-直-交變頻器且負載為電動機時，如果電動機工作在再生制動狀態(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。5.3電流型逆變電路電流型單相橋式逆變器1．電路結(jié)構(gòu)單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路5.3電流型逆變電路2．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，負載感應(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。5.3電流型逆變電路逆變電路工作時的換流過程并聯(lián)諧振式逆變電路的換流過程5.3電流型逆變電路逆變電路換流過程的波形。在交流電流的一個周期內(nèi)，有兩個穩(wěn)定的導(dǎo)通階段和兩個換流階段。并聯(lián)諧振式逆變電路的工作波形5.3電流型逆變電路為了保證可靠換相，應(yīng)在負載電壓uo過零前tf時刻觸發(fā)VT2、VT3，tf稱為觸發(fā)引前時間。

式中，一般取t

＝(2~3)tq。為了關(guān)斷已導(dǎo)通的晶閘管實現(xiàn)換流，必須使整個負載電路呈現(xiàn)容存性，使流入負載電路的電流基波分量io1超前uo中頻電壓，負載電流超前負載電壓的時間t

因此，負載的功率因數(shù)角，即電流超前電壓的相位角為

式中，

為電路的工作角頻率。5.3電流型逆變電路3．中頻電流、電壓和輸出功率的計算中頻負載電流io為交變矩形波，用傅氏級數(shù)展開得

上式中基波電流有效值為

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)，即所以 忽略換相重疊時間t

忽略逆變電路的功率損耗5.3電流型逆變電路中頻輸出功率為

式中，Rf為對應(yīng)于某一逆變角

負載阻抗的電阻分量。

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。5.3電流型逆變電路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機調(diào)速系統(tǒng)。

5.3電流型逆變電路串聯(lián)二極管式電流型三相橋式逆變電路VT1~VT6組成三相橋式逆變器C1~C6為換流電容VD1~VD6為隔離二極管電動機三相負載5.3電流型逆變電路(1)換流前(2)晶閘管換流(3)二極管換流(4)正常運行

串聯(lián)二極管式逆變電路換流過程5.3電流型逆變電路由于在換流期間引起電動機繞組中電流的迅速變化，在繞組漏感中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，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必須考慮。電流型三相橋式逆變電路的輸出波形5.3電流型逆變電路電流型逆變器的特點(1)直流側(cè)串聯(lián)有大電感，直流側(cè)電流基本無脈動，由于大電感抑流作用，直流回路呈現(xiàn)高阻抗，短路的危險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，與負載性質(zhì)無關(guān)。而交流側(cè)電壓波形因負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，電路相對電壓型也較簡單。5.4多重逆變器和多電平逆變器多重逆變器逆變器電壓疊加5.4多重逆變器和多電平逆變器逆變器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之間相差20

電角度，通過三臺變壓器耦合并聯(lián)輸出。逆變器電壓疊加5.4多重逆變器和多電平逆變器多電平逆變器三電平逆變電路三電平逆變電路在不同控制α?xí)r的負載相電壓UAN5.4多重逆變器和多電平逆變器三電平逆變電路α＝15

時負載相電壓波形5.5脈寬調(diào)制型逆變器

PWM控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，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)則對各脈沖的寬度進行調(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脈寬調(diào)制型逆變器PWM控制的基本原理SPWM波形正弦波脈寬調(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控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，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。

5.5脈寬調(diào)制型逆變器用正弦波和三角波相交點得到一組等幅矩形脈沖，其寬度按正弦規(guī)律變化。5.5脈寬調(diào)制型逆變器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，只要改變調(diào)制波的頻率5.5脈寬調(diào)制型逆變器三角波與正弦調(diào)制波的交點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5.5脈寬調(diào)制型逆變器一般將正弦調(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5.5脈寬調(diào)制型逆變器PWM逆變器及其優(yōu)點1．單相橋式PWM變頻電路工作原理單相橋式PWM變頻電路5.5脈寬調(diào)制型逆變器(1)單極性PWM控制方式工作原理單極性PWM控制方式原理波形5.5脈寬調(diào)制型逆變器(2)雙極性PWM控制方式工作原理圖5-24雙極性PWM控制方式原理波形5.5脈寬調(diào)制型逆變器1．單相橋式PWM變頻電路工作原理三相橋式PWM變頻電路三相負載為電感性VT1~VT6為GTR5.5脈寬調(diào)制型逆變器三相調(diào)制信號urU、urV和urW為相位依次相差120°的正弦波，而三相載波信號是公用一個正負方向變化的三角形波uc5.5脈寬調(diào)制型逆變器3．PWM優(yōu)點由以上分析可以看出，不管從調(diào)頻、調(diào)壓的方便和為了減少諧波等方面，PWM逆變器都有著明顯的優(yōu)點：(1)既可分別調(diào)頻、調(diào)壓，也可同時調(diào)頻調(diào)壓，都由逆變器統(tǒng)一完成，僅有一個可控功率級，從而簡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)臺裝置，可由同一臺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。5.5脈寬調(diào)制型逆變器SPWM控制電路1．由模擬電路生成PWM脈沖的工作原理由模擬電路生成PWM脈沖5.5脈寬調(diào)制型逆變器1．由模擬電路生成PWM脈沖的工作原理實際應(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。SLE4520管腳排列5.6無源逆變電路的應(yīng)用工業(yè)感應(yīng)加熱1．感應(yīng)加熱的原理(1)感應(yīng)加熱的基本原理電磁感應(yīng)①第一線圈②第二線圈5.6無源逆變電路的應(yīng)用電介質(zhì)加熱利用高頻電源來加熱感應(yīng)加熱5.6無源逆變電路的應(yīng)用(2)感應(yīng)加熱發(fā)展歷史非接觸式加熱，熱源和受熱物件可以不直接接觸可減小占地，熱輻射，噪聲和灰塵加熱效率高，速度快，可以減小表面氧化現(xiàn)象容易控制溫度，提高加工精度可實現(xiàn)自動化控制可實現(xiàn)局部加熱感應(yīng)加熱優(yōu)點5.6無源逆變電路的應(yīng)用2．中頻電源裝置中頻電源裝置是一種利用晶閘管元件把三相工頻電流變換成某一頻率的中頻電流的裝置。晶閘管中頻電源優(yōu)點：(1)降低電力消耗。(2)中頻電源的輸出裝置的輸出頻率是隨著負載參數(shù)的變化而變化的，所以保證裝置始終運行在最佳狀態(tài)，不必像機組那樣頻繁調(diào)節(jié)補償電容。5.6無源逆變電路的應(yīng)用3．中頻感應(yīng)加熱電源的用途感應(yīng)加熱的最大特點是將工件直接加熱，工人勞動條件好、工件加熱速度快、溫度容易控制等，因此應(yīng)用非常廣泛。主要用于淬火、透熱、熔煉、各種熱處理等方面。1 2 螺絲刀口淬火1—螺絲刀口2—感應(yīng)線圈彎管的工作過程1—感應(yīng)線圈2—鋼管1 2 熔煉爐1—感應(yīng)