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1、第5章 无源逆变电路第1页，共63页，编辑于2022年，星期一第5章无源逆变电路5.1无源逆变电路的工作原理5.2电压型逆变电路5.3电流型逆变电路5.4多重逆变器和多电平逆变器5.5脉宽调制型逆变器5.6 无源逆变电路的应用第2页，共63页，编辑于2022年，星期一5.1无源逆变电路的工作原理5.1.1无源逆变基本工作原理5.1.2换流方式分类5.1.3 逆变电路的其他分类方式第3页，共63页，编辑于2022年，星期一5.1.1无源逆变基本工作原理图5-1单相桥式逆变电路工作原理该电路有两种工作状态：(1)S1、S4闭合，S2、S3断开，加在负载R上的电压为左正右负，输出电压uo=Ud；(2
2、)S2、S3闭合，S1、S4断开，加在负载R上的电压为左负右正，输出电压uo=Ud。第4页，共63页，编辑于2022年，星期一5.1.2换流方式分类逆变电路工作过程中，电流会从S1到S2、S4到S3的转移。电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也称换相。换流及换流方式(1)器件换流利用全控型器件（GTO、GTR、IGBT等）的自关断能力进行换流（Device Commutation）。(2)电网换流由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）。第5页，共63页，编辑于2022年，星期一(3)负载换流由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）
3、。图5-2 负载换流电路及其工作波形第6页，共63页，编辑于2022年，星期一(4)强迫换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。强迫换流通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流。通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流称为电感耦合式强迫换流。图5-3 直接耦合式强迫换流原理图图5-4 电感耦合式强迫换流原理图第7页，共63页，编辑于2022年，星期一5.1.3 逆变电路的其他分类方式(1)根据输入直流电源特点分类 电压型：电压型逆变器的输入端并接有大电容，输入直流电源为恒压源，逆变器将直流电压变换成交流电压。电流型：电流型逆
4、变器的输入端串接有大电感，输入直流电源为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出。(2)根据电路的结构特点分类半桥式逆变电路；全桥式逆变电路；推换式逆变电路；其他形式：如单管晶体管逆变电路。(3)根据负载特点分类非谐振式逆变电路谐振式逆变电路第8页，共63页，编辑于2022年，星期一5.2电压型逆变电路按照直流侧电源性质，逆变电路可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路两类，直流侧电源是电压源的逆变电路称为电压型逆变电路，而直流侧电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。5.2.1电压型单相桥式逆变器5.2.2电压型三相桥式逆变器5.2.3电压型逆变电路的特点第9页，共63页，编辑于202
5、2年，星期一5.2.1电压型单相桥式逆变器1半桥逆变电路半桥逆变电路图5-5 电压型单相半桥逆变电路及其工作波形第10页，共63页，编辑于2022年，星期一2 2单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路图5-6 单相全桥逆变电路第11页，共63页，编辑于2022年，星期一单相全桥逆变电路的输出电压为方波，定量分析时，将uo 展开成傅氏级数，得(5-1)其中基波分量的幅值Uo1m和有效值Uo1分别为(5-2)(5-3)第12页，共63页，编辑于2022年，星期一5.2.2电压型三相桥式逆变器电压型三相桥式逆变电路如图5-7所示。图5-7 电压型三相桥式逆变电路第13页，共63页，编辑于2022年，星期一
6、就180导电型进行分析。180导电型三桥式逆变电路的工作波形如图5-8所示。为分析方便，将一个工作周期分为6个区间，每区间占60。每隔60的各阶段等值电路图形及相电压、线电压的数值如表5-1所示。表中，负载为三相星形对称负载：ZaZbZc图5-8 180导电型三桥式逆变电路的工作波形第14页，共63页，编辑于2022年，星期一表5-1 180导电型三相桥式逆变电路各阶段等效电路及相电压和线电压第15页，共63页，编辑于2022年，星期一5.2.3电压型逆变电路的特点(1)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。(2)由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形
7、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，其波形接近三角波或接近正弦波。(3)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，各逆变臂都并联了续流二极管。(4)逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。(5)当逆变电路用于交-直-交变频器且负载为电动机时，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，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交-直整流桥再反并联一套逆变桥，或在整流侧采用四象限脉冲变流器。第16
8、页，共63页，编辑于2022年，星期一5.3电流型逆变电路5.3.1电流型单相桥式逆变器5.3.2电流型三相桥式逆变器5.3.3电流型逆变器的特点第17页，共63页，编辑于2022年，星期一5.3.1电流型单相桥式逆变器1电路结构图5-9(a)所示是一种单相桥式电流型逆变电路的原理图。电路由四个晶闸管桥臂构成，每个桥臂均串联一个电抗器LT，用来限制晶闸管的电流上升率di/dt。桥臂1、4和桥臂2、3以1 0002 500Hz的中频轮流导通，从而使负载获得中频交流电。图5-9(a)中的负载是一个中频电炉，如图5-9(b)所示实际上是一个电磁感应线圈，用来加热置于线圈内的钢料。第18页，共63页，
9、编辑于2022年，星期一图5-9 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路第19页，共63页，编辑于2022年，星期一2工作原理当逆变桥对角晶闸管以一定频率交替触发导通时，负载感应线圈通入中频电流，线圈中产生中频交变磁通。如将金属(钢铁、铜、铝)放入线圈中，在交变磁场的作用下，金属中产生涡流与磁滞(钢铁)效应，使金属发热熔化，如图5-9(b)所示。图5-10是该逆变电路工作时的换流过程，图5-11是该逆变电路换流过程的波形。在交流电流的一个周期内，有两个稳定的导通阶段和两个换流阶段。第20页，共63页，编辑于2022年，星期一图5-10 并联谐振式逆变电路的换流过程第21页，共63页，编辑于202
10、2年，星期一图5-11 并联谐振式逆变电路的工作波形第22页，共63页，编辑于2022年，星期一为了保证可靠换相，应在负载电压uo过零前tf时刻触发VT2、VT3，tf称为触发引前时间。从图5-11可知：(5-4)式中，一般取t(23)tq。从图5-11还可知，为了关断已导通的晶闸管实现换流，必须使整个负载电路呈现容存性，使流入负载电路的电流基波分量io1超前uo中频电压，负载电流超前负载电压的时间t(5-5)因此，负载的功率因数角，即电流超前电压的相位角为(5-6)式中，为电路的工作角频率。第23页，共63页，编辑于2022年，星期一3中频电流、电压和输出功率的计算中频电流、电压和输出功率的
11、计算 忽略换相重叠时间t，则中频负载电流io为交变矩形波，用傅氏级数展开得(5-7)上式中基波电流有效值为(5-8)忽略逆变电路的功率损耗，则逆变电路输入的有功功率即直流功率等于输出的基波功率(高次谐波不产生有功功率)，即(5-9)所以 (5-10)第24页，共63页，编辑于2022年，星期一中频输出功率为(5-11)式中，Rf为对应于某一逆变角负载阻抗的电阻分量。将式(5-10)代入上式得 (5-12)由式(5-12)可见，调节直流电压Ud或改变逆变角，都能改变中频输出功率的大小。第25页，共63页，编辑于2022年，星期一5.3.2电流型三相桥式逆变器串联二极管式逆变器是电流型逆变器，性能
12、优于电压型逆变器，主要用于中大功率交流电动机调速系统。图5-12即为其主电路，VT1VT6组成三相桥式逆变器，C1C6为换流电容，VD1 VD 6为隔离二极管，其作用是防止换流电容直接通过负载放电。Za、Zb、Zc为电动机三相负载。该逆变器为120导电型，与三相桥式整流相似，任意瞬间只有两只晶闸管同时导通，电动机正转时，管子的导通顺序为VT1VT6，触发脉冲间隔为60，每个管子导通120电角度。第26页，共63页，编辑于2022年，星期一图5-12 串联二极管式电流型三相桥式逆变电路第27页，共63页，编辑于2022年，星期一(1)换流前(2)晶闸管换流(3)二极管换流(4)正常运行 图5-1
13、3 串联二极管式逆变电路换流过程第28页，共63页，编辑于2022年，星期一图5-14为电流型三相桥式逆变电路的输出波形。由于在换流期间引起电动机绕组中电流的迅速变化，在绕组漏感中产生感应电动势，叠加在原有电压上，所以在电流型逆变器输出的近似正弦波的电压波形上，出现换流尖峰电压(毛刺)，其数值较大，在选择晶闸管耐压时必须考虑。图5-14 电流型三相桥式逆变电路的输出波形第29页，共63页，编辑于2022年，星期一5.3.3电流型逆变器的特点(1)直流侧串联有大电感，直流侧电流基本无脉动，由于大电感抑流作用，直流回路呈现高阻抗，短路的危险性也比电压型逆变电路小得多。(2)电路中开关器件的作用仅是
14、改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出的电流为矩形波，与负载性质无关。而交流侧电压波形因负载阻抗角的不同而不同。(3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用不能反向，故不必给开关器件反并联二极管，电路相对电压型也较简单。第30页，共63页，编辑于2022年，星期一5.4多重逆变器和多电平逆变器5.4.1多重逆变器5.4.2多电平逆变器第31页，共63页，编辑于2022年，星期一5.4.1多重逆变器如图5-15(a)所示，逆变器和是电路完全相同的两个电压型逆变器，将两变压器二次侧按图5-15(a)所示方法串联起来(图中只画了A相)，则可获得图5-15(b)所示波形。通过傅氏级数分析可知，该输出相电压的波
15、形中不含11次以下的谐波。图5-15逆变器电压叠加第32页，共63页，编辑于2022年，星期一图5-16是电流型逆变器三重化的一种方案。逆变器、之间相差20电角度，通过三台变压器耦合并联输出。图5-16逆变器电压叠加第33页，共63页，编辑于2022年，星期一5.4.2多电平逆变器图5-17 三电平逆变电路图5-18 三电平逆变电路在不同控制时的负载相电压UAN第34页，共63页，编辑于2022年，星期一图5-19三电平逆变电路15时负载相电压波形第35页，共63页，编辑于2022年，星期一5.5脉宽调制型逆变器PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽
16、度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可以改变逆变电路输出电压的大小，又可以改变输出电压的频率。5.5.1 PWM控制的基本原理5.5.2 PWM逆变器及其优点5.5.3 SPWM控制电路第36页，共63页，编辑于2022年，星期一5.5.1 PWM控制的基本原理正弦波脉宽调制的控制思想是利用逆变器的开关元件，由控制线路按一定的规律控制开关元件是否通断，从而在逆变器的输出端获得一组等幅、等距而不等宽的脉冲序列。SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其他所需要
17、的波形。图5-20 SPWM波形第37页，共63页，编辑于2022年，星期一如图5-21(a)(b)，用正弦波和三角波相交点得到一组等幅矩形脉冲，其宽度按正弦规律变化。(1)逆变器输出频率与正弦调制波频率相同；当逆变器输出端需要变频时，只要改变调制波的频率，见图5-21(c)、(e)；(2)三角波与正弦调制波的交点即确定了逆变器输出脉冲的宽度和相位。通常采用恒幅的三角波，而用改变调制波幅值的方法，可以得到逆变器输出波形的不同宽度，从而得到不同的逆变器输出电压，见图5-21(c)、(d)。图5-21 改变SPWM输出电压和频率时的波形 第38页，共63页，编辑于2022年，星期一一般将正弦调制波
18、的峰值urm与三角载波的峰值ucm之比定义为调制度M，亦称调制比或调制系数(Moducation Index)，即(5-13)第39页，共63页，编辑于2022年，星期一5.5.2 PWM逆变器及其优点1单相桥式PWM变频电路工作原理图5-22 单相桥式PWM变频电路第40页，共63页，编辑于2022年，星期一(1)单极性PWM控制方式工作原理如图5-23所示，按照PWM控制的基本原理，把所希望输出的正弦波作为调制信号ur，把接受调制的等腰三角形波作为载波信号uc。逆变电路输出的uo为PWM波形，如图5-23所示，uof为uo的基波分量。由于在这种控制方式中的PWM波形只能在一个方向变化，故称
19、为单极性PWM控制方式。第41页，共63页，编辑于2022年，星期一图5-23 单极性PWM控制方式原理波形第42页，共63页，编辑于2022年，星期一(2)双极性PWM控制方式工作原理电路仍然是图5-22，调制信号ur仍然是正弦波，而载波信号uc改为正负两个方向变化的等腰三角形波，如图5-24所示。第43页，共63页，编辑于2022年，星期一图5-24 双极性PWM控制方式原理波形第44页，共63页，编辑于2022年，星期一2三相桥式PWM变频电路的工作原理电路如图5-25所示，本电路采用GTR作为电压型三相桥式逆变电路的自关断开关器件，负载为电感性。第45页，共63页，编辑于2022年，星
20、期一图5-25 三相桥式PWM变频电路第46页，共63页，编辑于2022年，星期一三相调制信号urU、urV和urW为相位依次相差120的正弦波，而三相载波信号是公用一个正负方向变化的三角形波uc，如图5-26所示。图5-26所示的uUN波型就是三相桥式PWM逆变电路，U相输出的波形（相对N点）。第47页，共63页，编辑于2022年，星期一3PWM优点优点(1)既可分别调频、调压，也可同时调频调压，都由逆变器统一完成，仅有一个可控功率级，从而简化了主电路和控制电路的结构，使装置的体积小、重量轻、造价低、可靠性高。(2)直流电压可由二极管整流获得，交流电网的输入功率因数与逆变器输出电压的大小和频
21、率无关而接近1；如有数台装置，可由同一台不可控整流器输出作直流公共母线供电。(3)输出频率和电压都在逆变器内控制和调节，其响应速度取决于电子控制回路，而与直流回路的滤波参数无关，所以调节速度快，且可使调节过程中频率和电压相配合，以获得良好的动态性能。(4)输出电压或电流波形接近正弦，从而减少谐波分量。第48页，共63页，编辑于2022年，星期一5.5.3 SPWM控制电路1由模拟电路生成PWM脉冲的工作原理本方法通常由正弦调制波和三角形载波比较产生，如图5-27所示，正弦波发生器和三角波发生器分别由模拟电路组成，在异步调制方式下，三角波的频率是固定的，而正弦波的频率和幅值随调制深度的增大而线性
22、增大。图5-27 由模拟电路生成PWM脉冲第49页，共63页，编辑于2022年，星期一2由专用集成芯片构成的三相SPWM控制电路实际应用中，三相SPWM控制是由专用的SPWM大规模单片集成电路完成的。常用的专用集成芯片有HEF4752、SLE4520、MA818(828/838)等。图5-28 SLE4520管脚排列第50页，共63页，编辑于2022年，星期一5.6 无源逆变电路的应用5.6.1工业感应加热5.6.2电磁炉第51页，共63页，编辑于2022年，星期一5.6.1工业感应加热1感应加热的原理感应加热的原理(1)感应加热的基本原理当感应线圈内通以交流电流时，在钢管中将感应出电流，从而
23、产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。图5-29 电磁感应第一线圈 第二线圈第52页，共63页，编辑于2022年，星期一利用高频电源来加热通常有两种方法：电介质加热电介质加热通常用来加热不导电材料，比如木材、橡胶等。微波炉就是利用这个原理，如图5-30所示。感应加热感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果，如图5-31所示。(2)感应加热发展历史在19世纪末期，技术人员又发现这一现象的有利面，就是可以将之利用到加热场合，来取代一些传统的加热方法。第53页，共63页，编辑于2022年，星期一图5-31感应加热示意图图5-30电介质
24、加热示意图第54页，共63页，编辑于2022年，星期一2中频电源装置中频电源装置是一种利用晶闸管元件把三相工频电流变换成某一频率的中频电流的装置。第55页，共63页，编辑于2022年，星期一3中频感应加热电源的用途感应加热的最大特点是将工件直接加热，工人劳动条件好、工件加热速度快、温度容易控制等，因此应用非常广泛。主要用于淬火、透热、熔炼、各种热处理等方面。第56页，共63页，编辑于2022年，星期一12图5-34 熔炼炉1感应线圈 2金属溶液 12图5-35 铜洁具钎焊1感应线圈 2零件 12图5-32 螺丝刀口淬火1螺丝刀口 2感应线圈 图5-33 弯管的工作过程1感应线圈 2钢管 第57
25、页，共63页，编辑于2022年，星期一4中频感应加热电源的组成中频感应加热电源的组成目前应用较多的中频感应加热电源主要由可控或不可控整流电路、滤波器、逆变器、和一些控制保护电路组成。组成框图如图5-36所示。第58页，共63页，编辑于2022年，星期一图5-36 中频感应加热电源组成原理框图第59页，共63页，编辑于2022年，星期一5.6.2电磁炉在电饭煲和煤气炉加热过程中，大量热量逸出到空间，造成热效率下降和能源的浪费。感应加热可以避免上述加热方法的缺点。采用感应加热原理的电磁炉的结构如图5-37所示。图5-37电磁炉结构 第60页，共63页，编辑于2022年，星期一第61页，共63页，编辑于2022年，星期一图5-38电磁炉的高频电源 图5-39 电磁炉的等效电路第62页，共63页，编辑于2022年，星期一图5-40 电磁炉主电路原理图第63页，共63页，编辑于2022年，星期一