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1、4.3 电压型逆变电路4.3 电压型逆变电路电压型逆变电路电力电子技术电力电子技术( (第第5 5版版) )第第4 4章章 无源逆变电路无源逆变电路4.3.1 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路 它由两个导电臂构成，每它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件和个导电臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成。在一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的直流侧接有两个相互串联的足够大的电容足够大的电容C1和和C2，且满且满足足C1=C2。设感性负载连接设感性负载连接在在A、0两点间。两点间。 T1和和T2之间存在死区时间，之间存在死区时间，以避免上、下直通，在死区以避免上、下直通
2、，在死区时间内两晶闸管均无驱动信时间内两晶闸管均无驱动信号。号。图图4.3.1 电压型半桥逆变电路电压型半桥逆变电路 及其电压电流波形及其电压电流波形 1、电路结构：、电路结构： 在一个周期内，电力晶体在一个周期内，电力晶体管管T1和和T2的基极信号各有半的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。周正偏，半周反偏，且互补。 若负载为纯电阻，在若负载为纯电阻，在0,期间，期间，T1有驱动信号导通，有驱动信号导通，T2截止，则截止，则 u0=Ud。在。在, 2期间，期间， T2有驱动信号导通，有驱动信号导通， T1截止，则截止，则u0=-Ud 。 若负载为纯电感，若负载为纯电感， T2无驱无驱动信
3、号截止，尽管动信号截止，尽管T1有驱动有驱动信号，由于感性负载中的电信号，由于感性负载中的电流流i。不能立即改变方向，于不能立即改变方向，于是是 D1导通续流，导通续流，u0=Ud /2 。 图图4.3.1 电压型半桥逆变电路及其电压电流波形电压型半桥逆变电路及其电压电流波形 2 2、工作原理：工作原理：4.3.1 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路 若负载为阻感负载，在若负载为阻感负载，在0, 期间，期间， T2无驱动信号截止，尽管无驱动信号截止，尽管T1有驱有驱动信号，由于电流动信号，由于电流i。为负值，所以为负值，所以T1不导通，不导通， D1导通续流，导通续流， u0=Ud。
4、 输出输出电压有效值电压有效值为为: 输出输出电压瞬时值电压瞬时值为为: 其中，其中， 为输出电压角频率。为输出电压角频率。 当当 n=1时其时其基波分量的有效基波分量的有效值值为为: 4.3.1 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路22122/0dTdSOUdtUTUS tnnUundo sin2, 5, 3, 1ddOUUU45. 0221 (4.3.1)(4.3.2)(4.3.3)sf 2 图图4.3.1 电压型半桥逆变电路及电压型半桥逆变电路及其电压电流波形其电压电流波形 4.3.1 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路3、特点：、特点：优点：优点： 简单，使用器件少；
5、简单，使用器件少；缺点：缺点： 1）交流电压幅值仅为）交流电压幅值仅为Ud/2； 2）直流侧需分压电容器；）直流侧需分压电容器； 3 3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接LC滤波器，输出滤波器滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输出电压中的高次滤除逆变器输出电压中的高次谐波。谐波。 4、应用：、应用：用于几用于几kW以下的小功率逆变电源；以下的小功率逆变电源；4.3.2 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 全控型开关器件全控型开关器件T1和和T4构成一对桥臂，构成一对桥臂，T2和和T3构成一对桥臂构成一对桥臂, T1和和T4同时通、断；同
6、时通、断；T2和和T3同时通、断。同时通、断。T1(T)4与与T2(T3)的驱的驱动信号互补，即动信号互补，即T1和和T4有驱动信号时，有驱动信号时，T2和和T3无驱动信号，反无驱动信号，反之亦然，两对桥臂各之亦然，两对桥臂各交替导通交替导通180。图图4.3.2 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图和电压、电流波形图 电路工作原理：电路工作原理：4.3.2 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 输出方波电压瞬时值：输出方波电压瞬时值： 输出方波电压有效值：输出方波电压有效值： 基波分量的有效值：基波分量的有效值：图图4.3.2 电压型单相全桥逆变电压型单相全
7、桥逆变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 (4.3.5)ddOUUU9 . 0241 dTdsOUdtUTUs 22/01tnnUundo sin4, 5 , 3, 1 (4.3.4)(4.3.6) 同单相半桥逆变电路相比，在相同同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。1 1）纯电阻负载）纯电阻负载4.3.2 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 0tTs4，T Ts s2t3T2t3Ts s4 4期间，期间，D1、D4导通起负载电流续导通起负载电流续流
8、作用，在此期间流作用，在此期间T T1 1 T T4 4均不导通。均不导通。图图4.3.2 电压型单相全桥逆变电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 2 2）电感负载）电感负载22somodTILdtdiLU dsomULTI4 由由可得负载电流峰值为：可得负载电流峰值为：(4.3.7) 4.3.2 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 0 t 期间，期间，T1和和T4有驱动信号，有驱动信号，由于电流由于电流i0为负值，为负值，T1和和T4不导通，不导通，D1、D4导通起负载电流续流作用，导通起负载电流续流作用， u0=+Ud。 t期间，期间， i0为正值，为
9、正值，T1和和T4才才导通。导通。 t+期间，期间，T2和和T3有驱动信有驱动信号，由于电流号，由于电流i0为负值，为负值，T2、T3不导通，不导通，D2、D3导通起负载电流续流作用，导通起负载电流续流作用， u0=Ud 。 +t2期间，期间，T2和和T3才导通。才导通。3 3）阻感负载）阻感负载RLRL图图4.3.2 电压型单相全桥逆变电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 图图4.3.2(e)所示是所示是RL负载时直流电源输负载时直流电源输入电流的波形。图入电流的波形。图4.3.2(f)所示是所示是RL负载时负载时直流电源输入电流的波形。直流电源输入电流的波形。4
10、.3.3 电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路 电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为的基本工作方式为180180导电型，导电型，即每个桥臂的导电角为即每个桥臂的导电角为180180，同一相上下桥臂交替导电的纵同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各相开始导电的向换流方式，各相开始导电的时间依次相差时间依次相差120120。 在一个周期内，在一个周期内，6 6个开关管个开关管触发导通的次序为触发导通的次序为T T1 1TT2 2 T T3 3 TT4 4 T T5 5TT6 6 ，依次相隔依次相隔6060，任一时刻均有三个管子同时导任一时刻均有三个管子同时导通，导
11、通的组合顺序为通，导通的组合顺序为T T1 1T T2 2T T3 3，T T2 2T T3 3T T4 4，T T3 3T T4 4T T5 5，T T4 4T T5 5T T6 6，T T5 5T T6 6T T1 1，T T6 6T T1 1T T2 2，每种组合工作每种组合工作6060。图图4.3.3 电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路 1 1、工作原理：、工作原理：4.3.3 电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路 将一个工作周期分成将一个工作周期分成6个区域。个区域。 在在00, ug20, ug30，则有则有T1，T2，T3导通，导通， dcadbcabUuUuu
12、0 dcNdbNdaNUuUuUu3231312 2、各相负载相电压和线电压波形：、各相负载相电压和线电压波形：线线电电压压相相电电压压图图4.3.4 4.3.4 电压型三相桥式逆变电路及其工作波形电压型三相桥式逆变电路及其工作波形式中式中Ud为逆变器输入直流电压。为逆变器输入直流电压。根据同样的思根据同样的思路可得其余路可得其余5个时域的值个时域的值4.3.3 电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路表三相桥式逆变电路的工作状态表表三相桥式逆变电路的工作状态表4.3.3 电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路 3 3、负载相电压和线电压幅值分析：、负载相电压和线电压幅值分析：相电压
13、的瞬时值为：相电压的瞬时值为： tttttUudBN 13sin13111sin1117sin715sin51sin2 dmBNUU21 相电压基波幅值相电压基波幅值 (4.3.8)(4.3.9)负载相电压中无负载相电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波幅值为基波幅次谐波幅值为基波幅值的值的1/n。线电压的瞬时值为：线电压的瞬时值为： tttttUudBC 13sin13111sin1117sin715sin51sin32线电压基波幅值线电压基波幅值 dmBCUU21(4.3.11)(4.3.10)由上式可知，负载由上式可知，负载线线电压中无电压中无3次谐波
14、，只含更高阶奇次谐波，次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波次谐波幅值为基波幅值的幅值为基波幅值的1/n。 直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗，回路呈现低阻抗， 由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形接近三角波或正弦波。形接近三角波或正弦波。 当交流侧为电感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无当交流侧为
15、电感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各臂都并联功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各臂都并联了反馈二极管。了反馈二极管。 逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动，因直流电压无脉逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动，因直流电压无脉动，故传输功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。动，故传输功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。 当用于交当用于交-直直-交变频器中且负载为电动机时，如果电动机工作在再交变频器中且负载为电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交-直整流桥再反并直整流桥再反并联一套逆变桥。联一套逆变桥。4.3.4 电压型逆变电路的特点电压型逆变电路的特点