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1、逆变把直流电变成交流电有源逆变交流侧接有电源逆变电路无源逆变交流侧直接和负载连接一般指无源逆变电路第4章 无源逆变电路1 逆变电路应用广泛，在各种直流电源电池向交流负载供电时，就需要逆变电路。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其电路的核心部分都是逆变电路。无源逆变电路是将直流电转换为频率、幅值固定或无源逆变电路是将直流电转换为频率、幅值固定或可变的交流电并直接供给负载的逆变电路。所谓可变的交流电并直接供给负载的逆变电路。所谓“无源无源”是指逆变电路输出与电网的交流电无关。是指逆变电路输出与电网的交流电无关。2第4章 无源逆变电路4.1 4.1 概述概述4.2 4.2
2、电压型逆变电路电压型逆变电路4.34.3 电流型逆变电路电流型逆变电路4.44.4 谐振型逆变电路谐振型逆变电路34.1 4.1 概述概述4.1.1 4.1.1 逆变器的分类逆变器的分类4.1.2 4.1.2 换流方式换流方式44.1.1 4.1.1 逆变器的分类逆变器的分类：按相数：按相数：单相、三相单相、三相按输入侧直流电源：按输入侧直流电源：电压型、电流型电压型、电流型按接线方式：按接线方式：半桥式、全桥式、推挽式半桥式、全桥式、推挽式按换流方式：按换流方式：全控型开关器件换流逆变器、负载谐振全控型开关器件换流逆变器、负载谐振式换流逆变器、强迫换流逆变器式换流逆变器、强迫换流逆变器5 如
3、果不经过调制，逆变器的输出电压或者输出电流一般是方波或矩形波，只有经过PWM控制，才能输出等效于正弦波的PWM脉冲波形。本章只分析逆变电路工作于方波情况下的工作原理。64.1 4.1 概述概述4.1.1 4.1.1 逆变器的分类逆变器的分类4.1.2 4.1.2 换流方式换流方式74.1.2 换流方式换流换流全控型器件可通过门极的控制使其关断，半控型器件晶闸管，必须利用外部条件或采取其它措施才能使其关断。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反向电压，才能关断。开通时关断时无论支路是由全控型还是半控型电力电子器件组成，只要有适当的门极驱动信号，就可使其开通。换相换相在电力电子变换电路中，电流从一个
4、支路向另一个支路转移的过程。81.1.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 硬开关、软开关换流2.2.电网换流电网换流相控整流电路三相交流调压电路 电网换流交交变频电路只要把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断，不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件。但不适用于没有交流电网的无源逆变电路由电网提供换流电压93.3.负载换流负载换流负载电流相位超前于负载电压的场合 实现负载换流负载为电容性负载时由负载谐振提供换流电压RLCEdLdVT1VT2VT3VT4uoioid4个桥臂均由晶闸管组成负载是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
5、改善负载功率因数。直流侧串入大电感Ld，工作过程中可认为 id基本没有脉动 10l 4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，对基波阻抗很大而对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦波11l t1时刻前：VT1、VT4为通态，VT2、VT3为断态，uo、io均为正，VT2、VT3上施加的电压即为uol t1时刻触发VT2、VT3使其开通，uo通过VT2、VT3分别加到VT4、VT1上使其承受反向电压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2l 触发VT2、VT3时刻，t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成124.4.强迫换流（电容
6、换流）强迫换流（电容换流）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直接提供换流电压SVT负载负载+晶闸管VT通态时，预先给电容C按图中所示极性充电。合上开关S，就可使晶闸管被施加反向电压而关断电压换流电压换流13电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流通过换流电路内电容和电感的耦合提供换流电压或换流电流CL+VDSCVT负载负载+LSVT负载负载VDb)a)图a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断图b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断14CL+VDSCVT负载负载+LSVT负载负载VDb)a)图a中，接通S后，L
7、C振荡电流将反向流过VT，与VT的负载电流相减，直到VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。二极管的压降给晶闸管加上反压，使其关断二极管的压降给晶闸管加上反压，使其关断 15CL+VDSCVT负载负载+LSVT负载负载VDb)a)图b中，接通S后，LC振荡电流先正向流过VT并和VT中原有的负载电流叠加，经过半个振荡周期后，振荡电流反向流过VT，直到VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。二极管二极管的压降给晶闸管加上反压，使其关断的压降给晶闸管加上反压，使其关断16给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流电压换流电压换流电流换流电流换流先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加
8、反向电压的换流器件换流 只适用于全控型器件电网换流负载换流 针对晶闸管强迫换流17第4章 无源逆变电路4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路4.34.3 电流型逆变电路电流型逆变电路4.44.4 谐振型逆变电路谐振型逆变电路184.2 电压型逆变电路电压型逆变电路（电压源型逆变电路）直流侧是电压源电压型全桥逆变电路(全桥逆变电路）19电压型逆变电路的特点：电压型逆变电路的特点：1）直流侧为电压源或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2）由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，与负载阻抗角无关，交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗
9、情况的不同而不同。3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联反馈二极管。204.2 电压型逆变电路4.2.1 单相半桥型逆变电路4.2.2 单相全桥型逆变电路4.2.3 三相电压型逆变电路214.2.1 单相半桥型逆变电路+-RLa)UdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点是直流电源的中点。负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。22设开关器件V1和V2栅极信号在一周期内各
10、半周正偏、半周反偏，两者互补。当负载为感性时，工作波形如图所示23 输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2 输出电流io波形随负载情况而异。t2时刻以前V1通，V2断 t2时刻给V1关断信号，给 V2开通信号，则V1关断，但感性负载中io不能立即改变方向，于是VD2导通续流。24 t3时刻io降为零时，VD2截止，V2开通，io开始反向并逐渐增大。t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号，V2关断，VD1先导通续流，t5时刻V1才开通。25 V1或V2通时，负载电流io和电压uo同方向，直流侧向负载提供能量 VD1或VD2通时，io和uo反向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈26负载电感将其
11、吸收的无功能量反馈回直流侧，反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。二极管反馈二极管反馈二极管续流二极管续流二极管是负载向直流侧反馈能量的通道使负载电流连续u可控器件是不具有门极可关断能力的晶闸管时，须附加强迫换流电路才能正常工作。27半桥逆变电路特点半桥逆变电路特点 优点 简单，使用器件少 缺点 输出交流电压幅值Um仅为Ud/2，直流侧需两电容器串联，工作时要控制两个电容器电压均衡半桥逆变电路常用于几kW以下的小功率逆变电源284.2 电压型逆变电路4.2.1 单相半桥型逆变电路4.2.2 单相全桥型逆变电路4.2.3 三相电压型逆变电路29+-CRLU
12、dV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2和3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通1804.2.2 单相全桥型逆变电路30ttOOONuoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2单相半桥电压型逆变电路工作波形l电压型全桥逆变电路输出电压uo的波形和半桥电路的波形uo形状相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，Um=Udl 输出电流io波形和半桥电路的io形状相同，幅值增加一倍l VD1、V1、VD2、V2相继导通的区间，分别对应VD1和VD4、V1和V4、VD2和V
13、D3、V2和V3相继导通的区间31全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，对电压波形进行定量分析将幅值为Uo的矩形波uo展开成傅里叶级数，得其中基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为 32上述公式对半桥逆变电路也适用，将式中的ud换成Ud/2 uo为正负电压各为180的脉冲时，要改变输出电压有效值只能通过改变输出直流电压Ud来实现33采用移相方式调节逆变电路的输出电压实际就是调节输出电压脉冲的宽度移相调压移相调压 各IGBT栅极信号为180正偏，180反偏，且V1和V2栅极信号互补，V3和V4栅极信号互补 V3的基极信号不是比V1落后180，而是只落后q(0 q 180)V3、V4的栅极信号
14、分别比V2、V1的前移180-q 输出电压uo是正负各为q 的脉冲34l t1时刻前V1和V4导通，输出电压uo为udl t1时刻V3和V4栅极信号反向，V4截止，因io不能突变，V3不能立即导通，VD3导通续流，因V1和VD3同时导通，所以输出电压为零 各IGBT栅极信号uG1uG4及输出电压uo、输出电流io的波形35l t2时刻V1和V2栅极信号反向，V1截止，V2不能立即导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，输出电压为-Udl 到负载电流过零开始反向，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，uo仍为-Ud36l t3时刻V3和V4栅极信号再次反向，V3截止，V4不能立刻导通，VD
15、4导通续流，uo再次为零l 输出电压uo的正负脉冲宽度各为，改变，可调节输出电压374.2 电压型逆变电路4.2.1 单相半桥型逆变电路4.2.2 单相全桥型逆变电路4.2.3 三相电压型逆变电路384.2.3 三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成。l 电压型三相桥式逆变电路也是180导电方式l 每桥臂导电角度180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120 l 在任一瞬间将有三个桥臂同时导通 180导电方式决定决定l 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
16、3940A相输出相输出 当桥臂1导通时，uAN =Ud/2；当桥臂4导通时，uAN=Ud/2 uAN的波形幅值是为Ud/2的矩形波 B、C两相情况和两相情况和A相类似相类似uBN、uCN的波形形状与uAN相同，只是依次相差1204142 负载线电压4344负载相电压将上两式整理得负载中点N和电源中点N之间电压uNN45负载为三相对称负载，则有 uAN+uBN+uCN=0，可得4647 uNN的 也是矩形波，但其频率为uAN频率的3倍，幅值为其1/3,即为Ud/6负载参数已知时，可由uAN波形求出A相电流iA波形，负载的阻抗角j不同，iA的波形形状和相位都有所不同 j60j604849t 桥臂1
17、和桥臂4之间的换流过程和半桥电路相似。t上桥臂1中的V1从通态转换到断态时，因负载电感中的电流不能突变，下桥臂4中的VD4先导通续流，待负载电流降为零，桥臂4中电流反向时，V4才开始导通。t负载的阻抗角j越大，VD4 导通时间越长。50t iA的上升段为桥臂1导电的区间，其中iA0时为V1导通。t iA的下降段为桥臂4导电的区间，其中iA0时为VD4导通，iA0时为V4导通。t iB、iC的 波形和iA形状相同，相位依次相差120。t桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每隔60脉动一次，直流侧电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，这也是电压型逆变电路的
18、一个特点5152三桥式逆变电路输出线电压uAB展开成傅里叶级数得式中，n=6k1,k为自然数输出线电压有效值UAB为基波幅值为53基波有效值为三桥式逆变电路负载相电压uAN展开成傅里叶级数得式中，n=6k1,k为自然数负载相电压有效值UAN为54基波幅值为基波有效值为55第4章 无源逆变电路4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路4.34.3 电流型逆变电路电流型逆变电路4.44.4 谐振型逆变电路谐振型逆变电路56电流型逆变电路一般在逆变电路直流侧串联一个大电感，因大电感中的电流脉动很小，可近似看成直流电流源电流型三相桥式逆变电路 图中GTO使用反向阻断型器件，交
19、流侧电容器是为吸收换流时负载电感中存贮的能量而设置的57电流型逆变电路主要特点电流型逆变电路主要特点l1)直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。l2)电路中开关器件的作用只是改变直流电流的流通路径，与负载阻抗角无关，交流侧输出电压波形和相位侧因负载阻抗情况的不同而不同。l3)当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用，由于反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必给开关器件反并联二极管。584.3.4.3.电流型逆变电路电流型逆变电路基本工作方式是120导电方式，每个臂一周期内导电120，按VT1VT6的顺序每隔60依次导通。每时刻
20、上下桥臂组各有一个臂导通，在上下桥臂组内依次换流，为横向换流59l输出电流波形和负载性质无关，是正负脉冲各120的矩形波l输出电流波形和三相桥式可控整流电路在大电感负载下的交流输入电流波形相同，谐波分析表达式也相同l输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波，但叠加了一些脉冲,这是由于逆变器中的换流过程而产生的60输出交流电流的基波有效值IU1和直流电流Id的关系为61l滤波环节滤波环节l电压型变换器其直流环节滤波，主要应用大电容，因此电源电压型变换器其直流环节滤波，主要应用大电容，因此电源阻抗小，相当于电压源；而电流型变换器其直流环节滤波，阻抗小，相当于电压源；而电流型变换器其直流环节滤波，
21、主要应用大电感，相当于电流源。主要应用大电感，相当于电流源。l电压型逆变器与电流型逆变器的比较电压型逆变器与电流型逆变器的比较l输出波形输出波形l电压型变换器输出电压是矩形波或阶梯波，输出电流波形含电压型变换器输出电压是矩形波或阶梯波，输出电流波形含有高次谐波并对负载变化反应迅速；电流型变换器输出电流有高次谐波并对负载变化反应迅速；电流型变换器输出电流是矩形波或阶梯波，输出电压波形取决于负载，对于电动机是矩形波或阶梯波，输出电压波形取决于负载，对于电动机负载，其波形接近于正弦波。负载，其波形接近于正弦波。62l四象限运行四象限运行l电压型逆变器与电流型逆变器的比较电压型逆变器与电流型逆变器的比
22、较l负载负载l功率因数功率因数l动态性能与稳定性动态性能与稳定性63第4章 无源逆变电路4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路4.34.3 电流型逆变电路电流型逆变电路4.44.4 谐振型逆变电路谐振型逆变电路64l当负载与换流电容器构成RLC电路且满足谐振条件时，称这类逆变器为谐振型逆变电路。l构成谐振电路的结构不同，可以分为串联式谐振逆变和并联式谐振逆变两种。l主要特点：(1)逆变电路输出波形为方波电压或方波电流。(2)将逆变频率调谐在负载谐振频率附近，可获得正弦的输出电流或电压，无需通过低通滤波器来消除低次谐波。(3)因为利用负载的谐振特点，电路中的元件要承
23、受较大的峰值电流和电压。由于可以利用负载谐振特性换流，可以实现软开关换流，这是谐振式逆变器的一大特点。4.4 谐振型逆变电路654.4 谐振型逆变电路4.4.1 电压型串联谐振式逆变电路4.4.2 电流型并联谐振式逆变电路664.4.1 4.4.1 电压型串联谐振式逆变电路电压型串联谐振式逆变电路 l通常对功率因数较低的感性负载都采用串联电容的方式进行功率因数补偿，从而构成了负载换流串联式谐振逆变器。l电路分析可知，谐振时，电流谐振角频率Wg=Wo=1/，电感和电容阻抗互相抵消，即电路阻抗为纯阻性质。依据逆变器的触发频率Wg与谐振频率Wo的关系，负载电流可以有断续、临界和连续三种情况 串联式谐
24、振逆变电路 67lW Wo，为了提高输出功率，必须充分利用电力半导体器件的能力，消灭电流断续区间，尽量缩减能量回馈电源的时间。提高晶闸管的触发频率，使它的触发频率高于负载电路的固有振荡频率。WWo时的各管的导通情况 和电路内电流、电压的主要波形 l如图所示。电流连续时，由于从负载把能量送回直流电源的时间(t1t3)减小了(在晶闸管关断时间允许的情况下尽量短)，每一个周期内负载得到能量将增加，逆变器输出功率和电流都上升很快。这就像连续给钟摆施加顺方向的推动力，它的振幅就会越来越大。直到负载电阻上功率消耗增加到与直流电源输入的功率相等，达到平衡。69l在设计这种装置的逆变控制电路时，必须注意下列几
25、点。(1)逆变器上、下桥壁开关器件驱动波形，必须遵守先关断、后开通的原则，导通脉冲窄，并断脉冲宽。换言之，上、下桥臂开关器件的导通脉冲之间，必须有一死区时间，该时间的长短，决定于所选器件的关断时间，死区时间一般应比器件所需的关断时间长1.52倍。(2)允许他激工作，可以通过调节他激频率调节功率。但要使换流瞬间的浪涌电流或电压冲击被抑制在器件允许的范围。(3)采用自激工作方式时，反馈信号可以选用-Uc、-Ih或逆变桥信号。当工作频率高时，逆变控制电路中的元件的信号传输延迟时间不容忽略，一般都要采取时间补偿措施。如果选择相位越前于Uab的信号作反馈，能较易实现时间补偿，因而不用Uc、Ih，而用它们
26、的倒相信号作反馈。至于对抗干扰能力、电位隔离、驱动功率等要求，与对并联逆变控制电路的要求一样，在此从略。70串联逆变器的负载电路就是串联谐振电路，它由电容器C、电感L和电阻R串联组成。谐振时，串联电路各参数关系如下：谐振频率谐振时等效阻抗串联电路电流 电感L上电压 电容器C上电压特征阻抗负载有功功率电容器的无功功率电感的无功功率714.4.2 4.4.2 电流型并联谐振式逆变电路电流型并联谐振式逆变电路1)电路原理单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的d di i/d/dt t。工作方式为负载换相负载换相。电容C和L、R构成
27、并联谐振电路。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。72tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4并联谐振式逆变电路工作波形2)工作分析一个周期内有两个导通阶段和两个一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段。换流阶段。t t1 1t t2 2：VT1和VT4稳定导通阶段稳定导通阶段，i i=I Id d，t t2 2时刻前在C上建立了左正右负的电压。t t2 2t t4 4：t t2 2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段换流阶段。LT使V
28、T1、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C。73t t=t t4 4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。t t4 4t t2 2=t tg g 称为换流时间换流时间。保证晶闸管的可靠关断保证晶闸管的可靠关断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tb。t tb b=t t5 5-t t4 4应大于晶闸管的关断时间t tq q。i io o在t t3 3时刻，即i
29、 iVT1VT1=i iVT2VT2时刻过零，t t3 3时刻大体位于t t2 2和t t4 4的中点。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4并联谐振式逆变电路工作波形74为保证可靠换流应在u uo o过零前t td d=t t5 5-t-t2 2时刻触发VT2、VT3。.td 为触发引前时间触发引前时间io超前于uo的时间表示为电角度 w为电路工作角频率；g、b分别是t tg g、t tb b对应的电角度。忽略换流过程，i io o可近似成矩形波，展开成傅里叶级数 基波电流有效值负载电压有效值U Uo o和直流电压U Ud d的关系（忽略Ld的损 耗，忽略晶闸管压降）75实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式自励方式。固定工作频率的控制方式称为他励方式他励方式。自励方式存在起动问题，解决方法：先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。附加预充电起动电路。76