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1、第五章逆变电路第五章逆变电路2022/9/201第1页，共91页，编辑于2022年，星期三引言引言 5.1 5.1 换流方式换流方式 5.1.1 5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类5.2 5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 5.2.1 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 5.2.2 5.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路 5.3 5.3 电流型逆变电路电流型逆变电路 5.3.1 5.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 5.3.2 5.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路5.4 5
2、.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路和多电平逆变电路 5.4.1 5.4.1 多重逆变电路多重逆变电路 5.4.2 5.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路本章小结本章小结第第5章章逆逆变变电电路路第2页，共91页，编辑于2022年，星期三引言逆变逆变(DC-AC)(DC-AC)概念概念 逆变逆变与整流相对应，直流电变成交流电与整流相对应，直流电变成交流电交流侧接电网，为有源逆变交流侧接负载，为无源逆变本章讲述无源逆变本章讲述无源逆变逆变与变频逆变与变频变频电路：交交变频和交直交变频两种交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变第3页，共91页，编辑于2022年，星期
3、三引引言言逆变电路的应用逆变电路的应用蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路交流电机调速用变频器、不间断电源(UPS)、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路第4页，共91页，编辑于2022年，星期三5.1 5.1 换流方式换流方式5.1.1逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理单相桥式逆变电路为例单相桥式逆变电路为例S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正图图5-1逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例第5页，共91页，编辑于2022年，星期三5.1.1 5.1.1 逆变电路的基本
4、工作原理逆变电路的基本工作原理S1、S4断开，断开，S2、S3闭合时，闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电为负，把直流电变成了交流电改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流io和和uo的波形相同，相位也相同的波形相同，相位也相同5-1逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例第6页，共91页，编辑于2022年，星期三5.1.1 5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理阻感负载时，io相位滞后于uo，波形不同.t1前：S1、S4通，uo和io均为正t1时刻:断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负
5、，但io不能立刻反向io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大第7页，共91页，编辑于2022年，星期三5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类换换流流电电流流从从一一个个支支路路向向另另一一个个支支路路转转移移的的过过程程.(.(也也称称换相换相)开通：适当的门极驱动信号就可使其开通关断：全控型器件可通过门极关断半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断研究换流方式主要是研究如何使器件关断本章换流及换流方式问题最为全面集中本章换流及换流方式问题最为全面集中,
6、因此在本章讲述因此在本章讲述第8页，共91页，编辑于2022年，星期三5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类1.器件换流器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流（DeviceCommutation）2.电网换流电网换流由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路，不需要器件有门极关断能力，也不需要为换流附加元件。3.负载换流负载换流由负载提供换流电压称为负载换流（LoadCommutation）条件（p133）：负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流，负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实
7、现负载换流。第9页，共91页，编辑于2022年，星期三5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类基本的负载换流逆变电路基本的负载换流逆变电路：采用晶闸管负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入直流侧串入大电感直流侧串入大电感Ld id基本没有脉动基本没有脉动图图5-2 负载换流电路及其工作波负载换流电路及其工作波形形第10页，共91页，编辑于2022年，星期三5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类工作过程（工作过程（工作波形图工作波形图5-2b）4个臂的切换仅使电流路径改变
8、，负载电流基本呈矩形波负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦图5-2 负载换流电路及其工作波形第11页，共91页，编辑于2022年，星期三5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类工作过程工作过程t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uot1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成图5-2 负载换流电路及其工作波形第12页，共91页，编辑于2022年，星期三5.1.2
9、 5.1.2 换流方式分类换流方式分类4.强迫换流强迫换流设设置置附附加加的的换换流流电电路路，给给欲欲关关断断的的晶晶闸闸管管强强迫迫施施加加反反向向电电压压或或反反向向电电流流的的换换流流方方式式称称为为强强迫迫换换流流（ForcedCommutation）通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流直直接接耦耦合合式式强强迫迫换换流流由由换换流流电电路路内电容提供换流电压内电容提供换流电压VT通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断图图5-3 直接耦合式强迫换直接耦合式强迫换流原理图流原理图第13页，共91页，编辑于2022年，星期三5.1.2 5.1.2 换流方
10、式分类换流方式分类电电感感耦耦合合式式强强迫迫换换流流：通通过过换换流流电电路路内内电电容容和和电电感感耦耦合合提提供供换换流流电电压压或或换换流流电电流流两种电感耦合式强迫换流：两种电感耦合式强迫换流：图5-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断图5-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断图图5-4电感耦合式强电感耦合式强迫换流原理图迫换流原理图给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流电压换流（图（图5-3）先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压反压的换流叫的换流叫电流换流电流换
11、流第14页，共91页，编辑于2022年，星期三5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类器件换流器件换流适用于全控型器件适用于全控型器件其余三种方式其余三种方式针对晶闸管针对晶闸管器件换流和强迫换流器件换流和强迫换流属于自换流属于自换流电网换流和负载换流电网换流和负载换流外部换流外部换流当当电电流流不不是是从从一一个个支支路路向向另另一一个个支支路路转转移移，而而是是在在支支路路内部终止流通而变为零，内部终止流通而变为零，则称为熄灭熄灭第15页，共91页，编辑于2022年，星期三5.2 5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路逆逆变变电电路路按按其其直直流流电电源源性性质质不不同同分分为为两
12、种两种电压型逆变电路或电压源型逆变电路电流型逆变电路或电流源型逆变电路电压型逆变电路的特点电压型逆变电路的特点(1)直直流流侧侧为为电电压压源源或或并并联联大大电电容容，直直流流侧侧电电压基本无脉动压基本无脉动(2)输输出出电电压压为为矩矩形形波波，输输出出电电流流因因负负载载阻阻抗不同而不同抗不同而不同(3)阻阻感感负负载载时时需需提提供供无无功功。为为了了给给交交流流侧侧向向直直流流侧侧反反馈馈的的无无功功提提供供通通道道，逆逆变变桥桥各各臂臂并并联联反馈二极管反馈二极管图图5-5 电压型逆变电路举例电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）（全桥逆变电路）图图5-1电路的具体实现电路的具体实现第
13、16页，共91页，编辑于2022年，星期三理想电压源与理想电流源理想电压源与理想电流源理想电压源：理想电压源：输出电压不随时间的变化而变输出电压不随时间的变化而变化，而电压源的电流随外电路的改变而改变。化，而电压源的电流随外电路的改变而改变。理想电流源：理想电流源：输出电流不随时间的变化而变输出电流不随时间的变化而变化，而电流源的端电压随外电路的改变而改化，而电流源的端电压随外电路的改变而改变。变。返回返回第17页，共91页，编辑于2022年，星期三5.2.1 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路1半桥逆变电路半桥逆变电路电路结构电路结构工作原理工作原理V1和V2栅极信号在一周期内
14、各半周正偏、半周反偏，互补uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2图5-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形第18页，共91页，编辑于2022年，星期三5.2.1 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路io波形随负载而异，感性负载时，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈VD1、VD2称为反馈二极管,还使io连续，又称续流二极管图图5-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形单相半桥电压型逆变电路及其工作波形第19页，共91页，编辑于2022年，星期三5.2.1 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路特点特点优
15、点：简单，使用器件少缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡用于几kW以下的小功率逆变电源单单相相全全桥桥、三三相相桥桥式式都都可可看看成成若若干干个个半半桥桥逆逆变电路的组合变电路的组合第20页，共91页，编辑于2022年，星期三5.2.1 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路2全桥逆变电路全桥逆变电路电路结构及工作情况电路结构及工作情况(图5-5)，两个半桥电路的组合1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180uo波形同图5-6b半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Udio波形和图5-6b中的io相同，幅值增加一倍单相逆变电路中应用
16、最多的第21页，共91页，编辑于2022年，星期三输出电压定量分析输出电压定量分析 uo成傅里叶级数成傅里叶级数基波幅值基波幅值(5-2)基波有效值基波有效值(5-3)uo为正负各为正负各180时，要改变输出电压有效值只能改变时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现来实现(5-1)5.2.1 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路第22页，共91页，编辑于2022年，星期三5.2.1 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路移相调压移相调压（图5-7）可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压各栅极信号为180正偏，180反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不
17、变V3的栅极信号只比V1落后 (0 0时，V12和VD1导通iUR，所以，所以由此可得由此可得并联谐振频率并联谐振频率f012 LC 01LC 或或Z=1j C(R+j L)+(R+j L)1j CLRC+uii1iC返回返回第90页，共91页，编辑于2022年，星期三并联谐振电路特征并联谐振电路特征(1)阻抗模为阻抗模为(2)电路呈电阻性。电路呈电阻性。(3)支路电流可能会大于总电流。支路电流可能会大于总电流。3.10.3并联谐振并联谐振第第3 3章章 3 3 1010Z0=LRC比非比非谐振情况下阻抗要大，电谐振情况下阻抗要大，电流流I为最小值。为最小值。0fRf0Z0I所以所以并联谐振又称电流谐振并联谐振又称电流谐振。Q=I1I0 0CR1 0L=R=Q值越大，谐振时阻抗模越大，选择性也就越强。值越大，谐振时阻抗模越大，选择性也就越强。U I1ICI0返回返回第91页，共91页，编辑于2022年，星期三