逆變電路的基本工作原理

第5章逆變電路

主要內(nèi)容：換流方式，電壓

型逆變電路,電流型逆變電路,

多重逆變電路和多電平逆變電

路。

重點(diǎn)：換流方式，電壓型逆

變電路。

難點(diǎn)：電壓型逆變電路，電

流型逆變電路。

精心整理

基本要求：掌握換流方式,

掌握電壓型逆變電路，理解電

流型逆變電路，了解多重逆變

電路和多電平逆變電路。

逆變概念:

逆變——直流電變成交流電,

與整流相對應(yīng)。

本章無源逆變逆變電路的應(yīng)

用:

蓄電池、干電池、太陽能電

池等直流電源向交流負(fù)載供電

精心整理

時，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

的核心部分都是逆變電路。

本章僅講述逆變電路基本內(nèi)

容，第6章PWM控制技術(shù)和

第8章組合變流電路中，有關(guān)

逆變電路的內(nèi)容會進(jìn)一步展開

1換流方式

(1)逆變電路的基本工作原理

單相橋式逆變電路為例：

精心整理

Si—S4是橋式電路的4個臂，

由電力電子器件及輔助電路組

成。SI、S4閉合，S2、S3斷開

時，負(fù)載電壓Uo為正S1；51、

S4斷開，S2、S3閉合時，Uo為

負(fù)，把直流電變成了交流電。

改變兩組開關(guān)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

精心整理

電阻負(fù)載時，負(fù)載電流i。和

u。的波形相同，相位也相同。

阻感負(fù)載時，i。滯后于W,波

形也不同（圖5-lb）0

ti前：SKS4通,U。和io均為

正。

ti時刻斷開Si、S4,合上S2、

S3,11。變負(fù)，但i。不能立刻反

向。

io從電源負(fù)極流出，經(jīng)§2、負(fù)

載和S3流回正極，負(fù)載電感能

精心整理

量向電源反饋，i。逐漸減小，

tz時刻降為零，之后i。才反向

并增大

(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(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動信號

就可使其開通。

精心整理

關(guān)斷：全控型器件可通過門

極關(guān)斷。

半控型器件晶閘管，必須利

用外部條件才能關(guān)斷，一般在

晶閘管電流過零后施加一定時

間反壓，才能關(guān)斷。

研究換流方式主要是研究如

何使器件關(guān)斷。

本章?lián)Q流及換流方式問題最

為全面集中，因此在本章講述

1、器件換流

精心整理

利用全控型器件的自關(guān)斷能

力進(jìn)行換流(Device

Commutation)o

2、電網(wǎng)換流

由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電

網(wǎng)換流(LineCommutation)。

可控整流電路、交流調(diào)壓電路

和采用相控方式的交交變頻電

路，不需器件具有門極可關(guān)斷

能力，也不需要為換流附加元

件。

精心整理

3、負(fù)載換流

由負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)

載換流(LoadCommutation)o

負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓

的場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。

負(fù)載為電容性負(fù)載時，負(fù)載為

同步電動機(jī)時，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換

a)b)

圖5-2負(fù)載換流電路及其工作波形

基本的負(fù)載換流逆變電路:

精心整理

采用晶閘管，負(fù)載：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。電容為改善負(fù)載功率因數(shù)

使其略呈容性而接入，直流側(cè)

串入大電感Ld,id基本沒有

脈動。

工作過程：

4個臂的切換僅使電流路徑

改變,負(fù)載電流基本呈矩形波。

負(fù)載工作在對基波電流接近并

精心整理

聯(lián)諧振的狀態(tài)，對基波阻抗很

大，對諧波阻抗很小，11。波形

接近正弦。

ti前：VTi、VT4通，VT2、

VT3斷，u。、i。均為正，VT2.

VT3電壓即為Uo

ti時：觸發(fā)VT2,VT3使其開

通，U。加到VT4、VTi上使其

承受反壓而關(guān)斷,電流從VTU

VT4換到VT3、VT2O

精心整理

tl必須在Uo過零前并留有足

夠裕量,才能使換流順利完成。

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(Forced

Commutation)o通常利用附

加電容上儲存的能量來實(shí)現(xiàn),

也稱為電容換流。

精心整理

直接耦合式強(qiáng)迫換流——由

換流電路內(nèi)電容提供換流電

壓。VT通態(tài)時，先給電容C

充電。合上S就可使晶閘管被

施加反壓而關(guān)斷。

圖5-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖

電感耦合式強(qiáng)迫換流——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。

精心整理

兩種電感耦合式強(qiáng)迫換流:

圖5-4a中晶閘管在LC振蕩

第一個半周期內(nèi)關(guān)斷。

圖5-4b中晶閘管在LC振蕩

第二個半周期內(nèi)關(guān)斷。

圖5?4電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖

給晶閘管加上反向電壓而使

其關(guān)斷的換流也叫電壓換流

（圖5?3）o先使晶閘管電流

精心整理

減為零，然后通過反并聯(lián)二極

管使其加反壓的換流叫電流換

流（圖5-4）o

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(qiáng)迫換流——屬

于自換流。

電網(wǎng)換流和負(fù)載換流一一屬

于外部換流。

精心整理

當(dāng)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?，則稱為

熄滅。

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：電壓型逆變

電路或電壓源型逆變電路，

電流型逆變電路或電流源型逆

變電路。

圖5-1電路的具體實(shí)現(xiàn)。

精心整理

圖5?5電壓型逆變電路舉例(全橋逆變電路)

電壓型逆變電路的特點(diǎn)

⑴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(fù)載阻抗不同而不同

(3)阻感負(fù)載時需提供無功。

為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的

精心整理

無功提供通道，逆變橋各臂并

聯(lián)反饋二極管

(1)單相電壓型逆變電路

1、半橋逆變電路

電路結(jié)構(gòu)：見圖5?6。

工作原理：

%和V2柵極信號各半周正

偏、半周反偏，互補(bǔ)。＜1。為矩

形波，幅值為Um=Ud/2,i。波

形隨負(fù)載而異，感性負(fù)載時，

精心整理

圖5?6b,Vi或V2通時，io和

u。同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供

能量，VDi或VD2通時，i。和

u。反向，電感中貯能向直流側(cè)

反饋，VDi、VD2稱為反饋二

極管，還使i。連續(xù)，又稱續(xù)流

二極管。

叫VD2VL]VD2

a)b)

圖5-6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形

優(yōu)點(diǎn)：簡單，使用器件少

精心整理

缺點(diǎn)：交流電壓幅值Ud/2,

直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控

制兩者電壓均衡，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

電路結(jié)構(gòu)及工作情況：

圖5?5,兩個半橋電路的組合。

1和4一對，2和3另一對，成

精心整理

對橋臂同時導(dǎo)通，交替各導(dǎo)通

180%U。波形同圖5.6b。半橋

電路的W,幅值高出一倍

Um=Udoi。波形和圖5?6b中的

i。相同，幅值增加一倍，單相

逆變電路中應(yīng)用最多的。

輸出電壓定量分析

U。成傅里葉級數(shù)

u.=-—-sin^+-3sin3(2^+-5sin5(2rf+A)

(5-1)

基波幅值=--=L27/

(5-2)

精心整理

基波有效值管

(5?3)

<1。為正負(fù)各180。時，要改變

輸出電壓有效值只能改變5

來頭現(xiàn)O

移相調(diào)壓方式(圖5?7)o

可采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電

路的輸出電壓,稱為移相調(diào)壓。

各柵極信號為180。正偏，180°

反偏，且Vi和V2互補(bǔ)，V3和

V4互補(bǔ)關(guān)系不變。V3的基極信

精心整理

號只比V1落后q(Ovq<180°),

V3、V4的柵極信號分別比V2、

%的前移180。7，u。成為正負(fù)

各為q的脈沖，改變q即可

調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。

川h'l

圖5-7單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式

3、帶中心抽頭變壓器的逆變

電路

精心整理

交替驅(qū)動兩個IGBT,經(jīng)變壓

器耦合給負(fù)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，Ud

和負(fù)載相同，變壓器匝比為

1:1:1時,U。和i。波形及幅值與

全橋逆變電路完全相同。

圖5-8帶中心抽頭變壓器的逆變電路

精心整理

與全橋電路的比較，比全橋

電路少用一半開關(guān)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。

(2)三相電壓型逆變電路

三個單相逆變電路可組合成

一個三相逆變電路。應(yīng)用最廣

的是三相橋式逆變電路

可看成由三個半橋逆變電路組

成。

180。導(dǎo)電方式：

精心整理

每橋臂導(dǎo)電180。，同一相上

下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)

電的角度差120。，任一瞬間有

三個橋臂同時導(dǎo)通，每次換流

都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)

行，也稱為縱向換流。

圖5-9三相電壓型橋式逆變電路

波形分析：

精心整理

"UN'A1f

a)

b)

c)

d)

e)

0

g)

h)

圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形

負(fù)載各相到電源中點(diǎn)V的電

壓：u相，1通，UUN=Ud/2,4

通,UUN=-Ud/2O

精心整理

負(fù)載線電壓

(5-4)

=UUW1

負(fù)載相電壓

(5-5)

負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓

1/、1/、

"mr=1("四+"w+"WIT)-1("uw+"VH+"WN)

(5-6)

負(fù)載三相對稱時有

UUN+UVN+UWN=O,于是

"mr=，("mr+"w+"WM')

(5-7)

利用式(5?5)和(5?7)可給出

UUN、UVN>UWN波形。負(fù)載已

精心整理

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(cè)電

流id的波形，id每60。脈動一

次，直流電壓基本無脈動，因

此逆變器從直流側(cè)向交流側(cè)傳

送的功率是脈動的，電壓型逆

變電路的一個特點(diǎn)。

定量分析：

a、輸出線電壓

精心整理

UUV展開成傅里葉級數(shù)

“nv=Rin--Lsin5&-Lin7H+-j-sinl1"+—sinl3(2/-A1

燈I571113)

=亞弘_|sinH+Zl(-iysinnotf

(5-8)

式中±0k為自然數(shù)

輸出線電壓有效值2佛r--

(5-9)

基波幅值.叫

(5-10)

=亞5=0.73%

基波有效值72w

(5-11)

b、負(fù)載相電壓

UUN展開成傅里葉級數(shù)得:

精心整理

2a(.i.\-i-—112d

=——-sinH+-sinc5H+—sin7d+——sin11a/+——sinl3H+AA

加汗［571113

=2刀(sincut+sinno/)

(5-12)

,n=6k±l，k為自然數(shù)

負(fù)載相電壓有效值Ki川”“

(5-13)

orr

^=—=0-637^

基波幅值JT

(5-14)

基波有效值Ug=^^=0.45q

(5-15)

防止同一相上下兩橋臂開關(guān)

器件直通，采取“先斷后通''的

方法。

精心整理

3電流型逆變電路

直流電源為電流源的逆變電

路電流型逆變電路。

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。

實(shí)例之一：圖5?11電流型三

相橋式逆變電路。交流側(cè)電容

用于吸收換流時負(fù)載電感中存

貯的能量。

精心整理

L

4VT

VTT.3V7VT5V

Lt記

dl3

VD^ZTOSZ

?3Kz5U

T

/zW

VD4Kze嚴(yán)6Kz叫KZ

”Z"Z

—o

圖5?11電流型三相橋式逆變電路

電流型逆變電路主要特點(diǎn):

(1)直流側(cè)串大電感，相當(dāng)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(fù)載不

同而不同。

精心整理

(3)直流側(cè)電感起緩沖無功

能量的作用，不必給開關(guān)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(yīng)用較多。

換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換

流。

(1)單相電流型逆變電路

精心整理

圖5?12單相僑式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路

4橋臂，每橋臂晶閘管各串一

個電抗器LT限制晶閘管開通

時的di/dt。1、4和2、3以

1000-2500Hz的中頻輪流導(dǎo)

通，可得到中頻交流電。采用

負(fù)載換相方式，要求負(fù)載電流

超前于電壓。

負(fù)載一般是電磁感應(yīng)線C3

加熱線圈內(nèi)的鋼料，RL串聯(lián)

為其等效電路。因功率因數(shù)很

低，故并聯(lián)C。C和L、R構(gòu)

精心整理

成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱

為并聯(lián)諧振式逆變電路。

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(yuǎn)小于基波。因基波頻率

接近負(fù)載電路諧振頻率，故負(fù)

載對基波呈高阻抗，對諧波呈

低阻抗，諧波在負(fù)載上產(chǎn)生的

壓降很小，因此負(fù)載電壓波形

接近正弦波。

工作波形分析:

精心整理

一周期內(nèi)，兩個穩(wěn)定導(dǎo)通階

段和兩個換流階段。

ti-t2:VTi和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階

段，io=Id,t2時刻前在C上建

立了左正右負(fù)的電壓。

：時觸發(fā)和開

t2-t4t2VT2VT3

通,進(jìn)入換流階段。LT使VT1、

VT4不能立刻關(guān)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(dǎo)通，負(fù)載電壓經(jīng)兩個并

精心整理

聯(lián)的放電回路同時放電。t2時

亥卮LTi、VTi、VT3、LT3

到C;另一個經(jīng)LT2、VT2、

VT4、LT4SJCot=t4時，VTK

VT4電流減至零而關(guān)斷，換流

階段結(jié)束。t4—t2=tg稱為換流

時間。始在t3時刻，即ivTl=ivT2

時刻過零，t3時刻大體位于t2

和t4的中點(diǎn)。

保證晶閘管的可靠關(guān)斷（圖

5-13）:

精心整理

晶閘管需一段時間才能恢復(fù)

正向阻斷能力，換流結(jié)束后還

要使VTi、VT4承受一段反壓

時間tp,tp=t5-t4應(yīng)大于晶閘管

的關(guān)斷時間tq。為保證可靠換

流應(yīng)在Uo過零前td=t5-12時刻

觸發(fā)VT2、VT3O

td為觸發(fā)引前時間…，,

(5-16)

io超前于Uo的時間為3號。

(5-17)

精心整理

表示為電角度…舁卜*

(5-18)

co為電路工作角頻率；八

P分別是t八聞對應(yīng)的電角度)

精心整理

數(shù)量分析:

精心整理

忽略換流過程，i?？山瞥删?/p>

形波，展開成傅里葉級數(shù)

i。=￡^(sinH+gsin3H+*sin5"+A)

(5-19)

基波電流有效值

(5-20)

負(fù)載電壓有效值U。和直流電

壓Ud的關(guān)系(忽略Ld的損耗,

忽略晶閘管壓降)

U「*=1.11-^-

2J2cosg>cosy

(5-21)

實(shí)際工作過程中，感應(yīng)線圈

參數(shù)隨時間變化，必須使工作

精心整理

頻率適應(yīng)負(fù)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：

一是先用他勵方式，系統(tǒng)開

始工作后再轉(zhuǎn)入自勵方式。另

一種方法是附加預(yù)充電起動電

路。

(2)三相電流型逆變電路

精心整理

電流型三相橋式逆變電路

（圖5?11,采用全控型器件）。

基本工作方式是120。導(dǎo)電方

式每個臂一周期內(nèi)導(dǎo)電

120。。每時刻上下橋臂組各有

一個臂導(dǎo)通，橫向換流。

波形分析:

輸出電流波形和負(fù)載性質(zhì)無

關(guān)，正負(fù)脈沖各120。的矩形波。

輸出電流和三相橋整流帶大電

感負(fù)載時的交流電流波形相

精心整理

同，諧波分析表達(dá)式也相同。

輸出線電壓波形和負(fù)載性質(zhì)有

關(guān)，大體為正弦波。

輸出交流電流的基波有效值

%=好小0.7風(fēng)

(5-22)

串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路如圖5-15所示。這種電路因各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用

而得名，主要用于中大功率交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

電流型三相橋式逆變電路:電

路仍為前述的120°導(dǎo)電工作

方式，輸出波形和圖5-14的波

形大體相同。各橋臂的晶閘管

和二極管串聯(lián)使用，各橋臂之

精心整理

間換流采用強(qiáng)迫換流方式，連

接于各臂之間的電客C-C6

即為換流電容。

換流過程分析（圖5-16）

電容器充電規(guī)律：

圖5-14電流型三相橋式逆變電路的輸出波形

精心整理

Z

4-0--

4寰在嚴(yán)其VT5^7

11

VD]\Zg3Kz叫文u

V

4zw

VP4Kze嚴(yán)豈Z叫文

-ell

華I---

VT

4“"6"fZ

—o-------

圖5.15串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路

對共陽極晶閘管，與導(dǎo)通晶

閘管相連一端極性為正，另一

端為負(fù)。不與導(dǎo)通晶閘管相連

的電容器電壓為零。共陰極晶

閘管與共陽極晶閘管情況類

似,只是電容器電壓極性相反。

精心整理

等效換流電容：例如分析從

VTi向VT3換流時，C13就是

C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的

-

等效電容。設(shè)Clc6的電容量

均為C,則Ci3=3C/2。

從VTi向VT3換流的過程：

換流前VTi和VT2通，Ci3

電壓Uco左正右負(fù)。換流過程

可分為恒流放電和二極管換流

兩個階段。

精心整理

圖5-16換流過程各階段的電流路徑

a、恒流放電階段

ti時刻觸發(fā)VT3導(dǎo)通，VTi

被施以反壓而關(guān)斷。Id從VTi

換到VT3,C13通過VDKU相

負(fù)載、W相負(fù)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。

精心整理

uci3下降到零之前，VTi承受

反壓，反壓時間大于tq就能保

證關(guān)斷。

b、二極管換流階段

tl時刻UC13降到零，之后C13

反向充電。忽略負(fù)載電阻壓降,

則二極管VD3導(dǎo)通,電流為iv,

VDi電流為iu=L?iv,VDi和

VD3同時通,進(jìn)入二極管換流

階段。隨著C13電壓增高，充

電