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1、第五章第五章逆变电路Inverters青岛科技大学自动化学院制作青岛科技大学自动化学院制作第第5 5章章 逆变电路引言引言 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
2、流型逆变电路5.4 5.4 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 5章章 逆变电路逆变电路引言引言l逆变的概念：逆变与整流相对应，直流电变成交流电l交流侧接电网，为有源逆变有源逆变有源逆变有源逆变l交流侧接负载，为无源逆变无源逆变无源逆变无源逆变本章讲述无源逆变l逆变与变频l变频电路：交交变频交交变频交交变频交交变频和交直交变频交直交变频交直交变频交直交变频两种l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第5 5章章 逆变电路逆变电
3、路引言引言直流电源如蓄电池、干电池和太阳能电池逆变电路逆变电路逆变电路逆变电路交流负载供电交流负载供电交流负载供电交流负载供电l逆变电路的应用交流电机调速用变频器、不间断电源、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第5 5章章 逆变电路逆变电路引言引言5.1节换流方式5.2节电压型逆变电路5.3节电流型逆变电路5.4节逆变电路的多重化和多电平逆变电路。本章仅讲述逆变电路基本内容，第6章PWM控制技术和第8章组合变流电路中，有关逆变电路的内容会进一步展开。l本章内容 换流方式l5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理以单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路单
4、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图5-1逆变电路及其波形举例 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负直流直流直流直流交流交流交流交流改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率频率频率频率电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理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，但io不能立刻反向 io从电源负极流出
5、，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才反向并增大过程分析：l换换流流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相换相开通：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研究换流方式主要是研究如何使器件关断l本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此在本章讲述5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类总共有四种换流方式1.器件换流器件换流 Device commutationDevice comm
6、utation 2.电网换流电网换流 Line commutationLine commutation 3.负载换流负载换流 Load commutationLoad commutation 4.强迫换流Forced commutationForced commutation 5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类1.1.器件换流器件换流器件换流器件换流 Device commutationDevice commutation 2.2.电网换流电网换流电网换流电网换流 Line commutationLine commutation 5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类由
7、电网提供换流电压称为电网换流由电网提供换流电压称为电网换流可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件利用全控型器件全控型器件的自关断能力进行换流设置附加的换流电路设置附加的换流电路设置附加的换流电路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强迫换流换流,通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流。电容换流。由负载提供换流电压称为负载换流由负载提供换流电压称为负载换流由负载提供换流电压称为负载换流由负载提供换流电压称为负载换流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
8、载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流4.4.强迫换流强迫换流强迫换流强迫换流 Forced commutationForced commutation 3.3.负载换流负载换流负载换流负载换流 Load commutationLoad commutation l负载换流逆变电路负载换流逆变电路负载换流逆变电路负载换流逆变电路：Load commutationLoad commutation 采用晶闸管负载：负载：负载：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。略呈容性。略呈容性。略呈容性。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Ld，i id d
9、基本没有脉动基本没有脉动5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类讨论：图5-2 负载换流电路及其工作波形工作过程工作过程:l4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波l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lt1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uolt1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、VT2lt1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类Load cu
10、rrent is leading load voltageLoad Load commutationcommutationl强迫换流强迫换流强迫换流强迫换流逆变电路直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流由换流电路内电容电容电容电容提供换流电压5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类SVT负载负载+-图5-3 直接耦合式强迫换流原理图VT通态时，先给电容通态时，先给电容C充电。合上充电。合上S就可使晶就可使晶闸管被施加反压而关断闸管被施加反压而关断电压换流电压换流Forced com
11、mutationForced commutation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5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类图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CL+VDSCVT负载负载+LSVT负载负载VDb)a)图图5-45-4图5-4电感耦合式强迫换流原理图电电电电感感感感耦耦耦耦合合合合式式式式强强强强迫迫迫迫换换换换流流流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两种。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的换流叫电电流换流流换流电流换流电流换流器件换流适用于全控型器件其余
12、三种方式针对晶闸管器件换流和强迫换流属于自换流电网换流和负载换流外部换流当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭熄灭5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类换流方式小结：电压型逆变电路电压型逆变电路Voltage source inverter(VSI)l逆变电路按其逆变电路按其直流电源性质直流电源性质不同分为两种：不同分为两种：电电电电压压压压型型型型逆逆逆逆变变变变电电电电路路路路或或或或电电电电压压压压源源源源型型型型逆逆逆逆变变变变电电电电路路路路直流侧是电压源电电电电流流流流型型型型逆逆逆逆变变变变电电电电路路路路或或或或电电电电流流流
13、流源源源源型型型型逆逆逆逆变变变变电电电电路路路路直流侧是电流源电压型逆变电路举例:为什么要加二极管？为什么要加二极管？l电压型逆变电路的电压型逆变电路的特点：特点：(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；(3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管反馈二极管。电压型逆变电路电压型逆变电路Voltage source inverter(VSI)1 1半桥逆变电路半桥逆变电路半桥逆变电路半桥逆变电路 Single-phase half bridge VSISingle-pha
14、se half bridge VSI 电路结构：V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2工作原理：（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称为反馈二极管反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。续流二极管。.1.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路l特点特点 优点优点：简单，使用器件少 缺点缺点：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l单相全桥、三相桥式都可
15、看成若干个半桥逆变电路的组合.1.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路2 2全桥逆变电路全桥逆变电路全桥逆变电路全桥逆变电路两个半桥电路的组合工作情况：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最多.1.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路Single-phase full bridge VSI 输出电压定量分析输出电压定量分析 Quantitative analysis uo成傅里叶级数Fourierseriesextensionofoutp
16、utvoltage基波幅值基波幅值基波幅值基波幅值(5-2)基波有效值基波有效值(5-3)uo为正负各180时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现(5-1).1.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路l三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路l应用最广的是三相桥式逆变电路l可看成由三个半桥逆变电路组成l180导电方式导电方式(180 conduction)每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120任一瞬间有三个桥臂同时导通每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流纵向换流.2 .2 三三相电压型逆变电路相电压型逆变电路 Three-phase VSI
17、tOuG1tOuG3tOuG4tOuG5tOuG6tOuG2NN+-UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2idl波形分析波形分析图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形负载各相到电源中点负载各相到电源中点N的电的电压压：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2 负载线电压负载线电压负载线电压负载线电压(5-4)负载相电压负载相电压负载相电压负载相电压(5-5).2.2 三三相电压型逆变电路相电压型逆变电路 Three-phase VSI 负载中点和电源中点间电压(5-6)利用式(5-5)和(5-7)可绘出uUN、uVN、uWN波形负载已知
18、时，可由uUN波形求出iU波形一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每每60脉脉动动一一次次，直直流流电电压压基基本本无无脉脉动动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点(5-7)负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是.2.2 三三相电压型逆变电路相电压型逆变电路 Three-phase VSI 图5-11电流型三相桥式逆变电路电流型逆变电路直流电源为电流源直流电源为电流源的逆变电路一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源直流电流源实例之一：图5-11电流型三相桥式逆变电路 电流
19、型逆变电路电流型逆变电路Current source inverter(CSI)吸收换流时负载电感中存贮的能量电流型逆变电路主要特点电流型逆变电路主要特点(1)直流侧串大电感，相当于电流源(2)交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多换流方式有负载换流、强迫换流 电流型逆变电路电流型逆变电路 Current source inverter(CSI)图5-12单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路l4桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器LT，用来限制晶闸管开通时的di/dtl1、4和2、3以10002500Hz的中频轮流导通，可得到中频
20、交流电l采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负载电压负载一般是电磁感应线圈，加热线圈内的钢料，R和L串联为其等效电路因功率因数很低，故并联CC和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并并联联谐谐振振式式逆逆变电路变电路l输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波l因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，谐波在负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路Single-phase bridge CSI中频加热电源l工作波形分析：图5-13并联谐振式逆变电路工作波形 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路l一周
21、期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段t1t2：VT1和VT4稳定导通阶段稳定导通阶段，i=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压t2t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段换流阶段LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程VT2、VT3电流有一个增大过程4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到Ct=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束t4t2=tg g 称为换流时间换流时间io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点保保证证晶晶
22、闸闸管管的的可可靠靠关断关断（图5-13）晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tbtb b=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq图5-13并联谐振式逆变电路工作波形 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路Three-phase CSI图5-14电流型三相桥式逆变电路的输出波形l电流型三相桥式逆变电路电流型三相桥式逆变电路（采用全控型器件）基本工作方式是120导电方式导电方式每个臂一周期内导电120每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，横向换流iUiViWl串联二极管式晶闸管逆变电路串联二极管式晶闸管逆变电路主要用于中
23、大功率交流电动机调速系统电流型三相桥式逆变电路各桥臂的晶闸管和二极管串联使用120导电工作方式，输出波形和图5-14的波形大体相同强迫换流方式，电容C1C6为换流电容图5-15串联二极管式晶闸管逆变电路 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路电容器充电规律电容器充电规律：等等效效换换流流电电容容概概念念：分析从VT1向VT3换流时，C13就是C3与C5串联后再与C1并联的等效电容，（见图5-15）图5-16换流过程各阶段的电流路径l换流过程分析换流过程分析对共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路 三相电流
24、型逆变电路三相电流型逆变电路从VT1向VT3换流的过程:假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负恒流放电阶段 t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于tq就能保证关断 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路从VT1向VT3换流的过程:假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负二极管换流阶段t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。忽略负载电阻压降，则二极管VD3导通，电流为iV，VD1
25、电流为iU=Id-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段随着C13电压增高，充电电流渐小，iV渐大，t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束 t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段电感负载时，uC13、iU、iV及uC1、uC3、uC5波形uC1的波形和uC13完全相同，从UC0降为UC0C3和C5是串联后再和C1并联的，电压变化的幅度是C1的一半uC3从零变到-UC0，uC5从UC0变到零这些电压恰好符合相隔120后从VT3到VT5换流时的要求图5-17串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形l波形分析波形分析 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路第5章小结1.逆变的概念及分类2.逆变的基本原理及换流方式3.电压型逆变电路、电流型逆变电路各自的特点4.单相半桥电压型逆变电路工作过程分析5.三相电压型逆变电路工作过程6.单相桥式电流型逆变电路换流过程7.三相电流型逆变电路的基本控制方式作业：1，2，3，4，6主要参考书：见绪论