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1、第5章 逆变电路 5.1换流方式换流方式5.2电压型逆变电路电压型逆变电路5.3电流型逆变电路电流型逆变电路本章小结本章小结第5章 逆变电路 引言逆变的概念逆变的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，为交流侧接电网，为交流侧接负载，为交流侧接负载，为逆变与变频逆变与变频变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。交交直直交交变变频频由由交交直直变变换换（整整流流）和和直直交交变变换换两两部部分分组组成成，后一部分就是逆变。后一部分就是逆变。主要应用主要应用各种直流电源，如蓄电池干电池等，给交流负载供电。各种
2、直流电源，如蓄电池干电池等，给交流负载供电。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等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。电力电子装置的核心部分都是逆变电路。本章讲述无源逆变本章讲述无源逆变有源逆变有源逆变。无源逆变。无源逆变。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5.1.2换流方式分类换流方式分类以以单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理为例说明最基本的工作原理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图图5-1逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例S1S4是是桥桥式
3、式电电路路的的4个个臂臂，由由电电力力电电子子器器件及辅助电路组成。件及辅助电路组成。直流电直流电交流电交流电S1、S4闭合闭合，S2、S3断开断开时，负载电压时，负载电压uo为为正正。S1、S4断开断开，S2、S3闭合闭合时，负载电压时，负载电压uo为为负负。逆逆变变电电路路最最基基本本的的工工作作原原理理改改变变两两组组开开关关切切换换频频率率，可可改改变变输输出出交交流流电电频频率。率。图图5-1 5-1 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电电阻阻负负载载时时，负负载载电电流流io和和uo的的波波形形相相同同，相位也相同。相位也相同。阻阻感感负负载载时时，
4、io相相位位滞滞后后于于uo，波波形形也也不不同。同。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，也称为程，也称为换相换相。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。关断：关断：全控型器件可通过门极关断。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。半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。一一般般在在晶晶闸闸管管电电流流过过零零后后施施加加一一定定时时间间反反压压，才才能能关断。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。
5、本本章章换换流流及及换换流流方方式式问问题题最最为为全全面面集集中中,因因此此安安排排在在本本章章集中讲述。集中讲述。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。利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用在采用IGBT 、电力电力MOSFET 、GTO 、GTR等等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。2)电网换流电网换流电网提供换流电压的换流方式。电网提供换流电压的换流方式。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使将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，但不其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但
6、不适用于没有交流电网的无源逆变电路。适用于没有交流电网的无源逆变电路。3)负载换流负载换流4)强迫换流强迫换流 换流方式可以分为以下几种换流方式可以分为以下几种：单相全控整流单相全控整流桥工作情况桥工作情况由负载提供换流电压的换流方式。由负载提供换流电压的换流方式。负载电流的相位超前于负载电压负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。的场合，都可实现负载换流。如图是基本的如图是基本的负载换流负载换流电路，电路，4个桥臂均由晶闸管组成。个桥臂均由晶闸管组成。整个负载工作在接近整个负载工作在接近并联谐振状并联谐振状态态而略呈而略呈容性容性。直流侧串电感，工作过程可认为直流侧串电感，工作
7、过程可认为id基本没有脉动。基本没有脉动。负载对基波的阻抗大而对谐波的负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以阻抗小。所以uo接近正弦波接近正弦波。注意注意触发触发VT2、VT3的的时刻时刻t1必须必须在在uo过零前并留有足够的裕量，过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。才能使换流顺利完成。3)负载换流负载换流图5-2 负载换流电路及其工作波形 4)强迫换流强迫换流由换流电路内电容由换流电路内电容直接提供换流电压直接提供换流电压直接耦合式直接耦合式强迫换流强迫换流通过换流电路内的通过换流电路内的电容和电感的耦合电容和电感的耦合来提供换流电压或来提供换流电压或换流电流换流电流电感耦合式电感
8、耦合式强迫换流强迫换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为加反压或反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所储存的能量来实现，因此通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为也称为电容换流电容换流。分类分类直接耦合式直接耦合式强迫换流强迫换流 当晶闸管当晶闸管VT处于通态处于通态时，预先给电容充电。当时，预先给电容充电。当S合上，就可使合上，就可使VT被施加被施加反压而关断。反压而关断。也叫也叫电压换流电压换流。图图5-3直接耦合式强迫换流原理图直接耦合式强迫换流原理图电感耦合式电感耦合式强迫换流强
9、迫换流 先使晶闸管电流减为先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压。管使其加上反向电压。也叫也叫电流换流电流换流。图图5-4电感耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流原理图换流方式总结：换流方式总结：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属于外部换流。属于外部换流。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，而而是是在支路内部终止流通而变为零，则称为在支路内部终止流通而
10、变为零，则称为熄灭熄灭。5.2电压型逆变电路电压型逆变电路 5.2.1单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路5.2.2三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路1）逆变电路的分类）逆变电路的分类根据直流侧电源性质的不同根据直流侧电源性质的不同电压型逆变电路电压型逆变电路又称为又称为电压源型逆变电路电压源型逆变电路直流侧是直流侧是电压源电压源电流型逆变电路电流型逆变电路又称为又称为电流源型逆变电路电流源型逆变电路直流侧是直流侧是电流源电流源2）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大电容，直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本直流侧电压基本无脉动无脉动。(2)输出电压
11、为矩形波，输出电输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。流因负载阻抗不同而不同。(3)阻感负载时需提供无功功率。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，逆变桥各臂并联反能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。馈二极管。图图5-5电压型全桥逆变电路电压型全桥逆变电路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）半桥逆变电路工作原理工作原理V1和和V2栅极信号在一周期内栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压者互补，输出电压uo为矩形为矩形波，幅值为波，幅值为Um=Ud/
12、2。V1或或V2通时，通时，io和和uo同方向，同方向，直流侧向负载提供能量；直流侧向负载提供能量；VD1或或VD2通时，通时，io和和uo反向，反向，电感中贮能向直流侧反馈。电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为称为反馈二极管反馈二极管,它又起着使负载电流连续的它又起着使负载电流连续的作用，又称作用，又称续流二极管续流二极管。图图56单相半桥电压型逆变电路单相半桥电压型逆变电路及其工作波形及其工作波形优优点点：电电路路简简单单，使使用用器器件少。件少。缺缺点点：输输出出交交流流电电压压幅幅值值为为Ud/2，且且直直流流侧侧需需两两电电容容器器串串联联，要要控控制制两两者者电电压压均均衡。
13、衡。应用应用：用用于于几几kW以以下下的的小小功功率率逆变电源。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变电路的组合。电路的组合。图图56单相半桥电压型逆变电路单相半桥电压型逆变电路及其工作波形及其工作波形2)全桥逆变电路全桥逆变电路共四个桥臂，可看成两共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通两对桥臂交替导通180。输出电压和电流波形与输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅半桥电路形状相同，幅值高出一倍。值高出一倍。改变输出交流电压的有改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流效值只能通过改变直流电压电压Ud来实
14、现。来实现。图图5-5单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路图图56单相半桥电压型逆变电路单相半桥电压型逆变电路及其工作波形及其工作波形图图56单相半桥电压型逆变电路单相半桥电压型逆变电路及其工作波形及其工作波形图图56单相半桥电压型逆变电路单相半桥电压型逆变电路及其工作波形及其工作波形阻感负载时，还可采用阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出移相的方式来调节输出电压电压移相调压移相调压。V3的的基极信号比基极信号比V1落落后后q q （0 0 q q 180 180 ）。）。V3、V4的栅极的栅极信号分别信号分别比比V2、V1的的前移前移180180 q q。输出输出电压是正负各为电压是正负各为
15、q q 的的脉冲。脉冲。改变改变q q 就可调节输出就可调节输出电压。电压。a)图图5-7单相全桥逆变电路的移相调压方式单相全桥逆变电路的移相调压方式3）带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路图图5-8带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路与全桥电路的比较：与全桥电路的比较：比全桥电路少用一半开关比全桥电路少用一半开关器件。器件。器件承受的电压为器件承受的电压为2Ud，比比全桥电路高全桥电路高一倍。一倍。必须有一个变压器必须有一个变压器。两两个个二二极极管管的的作作用用也也是是提提供供无功能量的反馈通道。无功能量的反馈通道。Ud和和负负载载参参数数相相同同，变变压压
16、器器匝匝比比为为1：1：1时时，uo和和io波波形形及及幅值与全桥逆变电路完全相同幅值与全桥逆变电路完全相同。交替驱动两个交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。5.2.2三相电压型逆变电路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三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是应用最广的是三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路图图5-9三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路基本工作方式基本工作方式180导电方式导电方式每桥臂导电每桥臂导电180，同一相上，同一相上下两臂交替导电，各相开始下两臂交替导电，各相开始导
17、电的角度差导电的角度差120。任一瞬间有三个桥臂同时导任一瞬间有三个桥臂同时导通。通。每次换流都是在同一相上下每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为两臂之间进行，也称为纵向纵向换流换流。图图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形波形分析波形分析负载各相到电源中点负载各相到电源中点N的电压：的电压：对对U相，相，1通时，通时，uUN=Ud/2，4通时，通时，uUN=-Ud/2。负载负载线电压线电压负载负载相电压相电压图图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形图图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形电压型三相桥式逆变电路的工作波形 id脉动脉动图图5-10电压型三相桥式逆变电路的工
18、作波形电压型三相桥式逆变电路的工作波形负负载载已已知知时时可可由由uUN波波形形求求出出iU波波形形(图图5-10中中为为阻阻感感负负载载/3/3时波形时波形)。一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。桥桥臂臂1、3、5的的电电流流相相加加可可得得直直流流侧侧电电流流id的的波波形形，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，因因此此逆逆变变器器从从交交流流侧侧向向直直流流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。防防止止同同一一相相上上下下两两桥桥臂臂的的开开关关器器件
19、件同同时时导导通通而而引引起起直直流流侧侧电电源短路，应采取源短路，应采取“先断后通先断后通”。定量分析见教材。定量分析见教材。负载中点和电源中点间电压负载中点和电源中点间电压(5-6)负载三相对称时有负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是，于是(5-7)5.3电流型逆变电路电流型逆变电路 5.3.1单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 电流型逆变电路主要电流型逆变电路主要特特点点 (1)直直流流侧侧串串大大电电感感，电电流流基本无脉动，相当于电流源。基本无脉动，相当于电流源。5.3电流型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称为的逆变电路称为电电流型逆变电
20、路流型逆变电路。(2)交交流流输输出出电电流流为为矩矩形形波波，与与负负载载阻阻抗抗角角无无关关。输输出出电压波形和相位因负载不同而不同。电压波形和相位因负载不同而不同。(3)直直流流侧侧电电感感起起缓缓冲冲无无功功能能量量的的作作用用，不不必必给给开开关关器器件反并联二极件反并联二极管。管。电电流流型型逆逆变变电电路路中中，采采用用半半控控型型器器件件的的电电路路仍仍应应用用较多。较多。换流方式有负载换流、强迫换流。换流方式有负载换流、强迫换流。图图512单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路5.3.1单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路1)电路原理电路原理
21、图图512单相桥式电流型单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路（并联谐振式）逆变电路由四个桥臂构成，每个由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶个电抗器，用来限制晶闸管开通时的闸管开通时的di/dt。工作方式为工作方式为负载换相负载换相。电容电容C和和L、R构成并联构成并联谐振电路。谐振电路。输出电流波形接近矩形输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于波，且谐波幅值远小于基波。基波。2)工作分析工作分析一个周期内有一个周期内有两个导通阶段两个导通阶段和两个换流阶和两个换流阶段。段。t1t2：VT1和和VT4稳定导通阶
22、段稳定导通阶段，i=Id，t2时刻前在时刻前在C上建立了左正右负上建立了左正右负的电压。的电压。t2t4：t2时触发时触发VT2和和VT3开通，进开通，进入入换流阶段换流阶段。LT使使VT1、VT4不不能能立立刻刻关关断断，电电流流有有一一个个减减小小过过程程。VT2、VT3电电流流有有一个增大过程。一个增大过程。4个个晶晶闸闸管管全全部部导导通通，负负载载电电容容电电压压经两个并联的放电回路同时放电。经两个并联的放电回路同时放电。LT1、VT1、VT3、LT3到到C；另另一一个个经经LT2、VT2、VT4、LT4到到C。图图513并联谐振式逆变并联谐振式逆变电路工作波形电路工作波形t=t4时
23、时，VT1、VT4电电流流减减至至零零而而关关断断，换换流流阶阶段结束。段结束。io在在t3时刻，即时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，时刻过零，t3时刻大体位于时刻大体位于t2和和t4的中点。的中点。t4t2=tg g称为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晶闸闸管管需需一一段段时时间间才才能能恢恢复复正正向向阻阻断断能能力力，换换流流结结束束后后还还要要使使VT1、VT4承承受受一一段段反反压压时时间间tb b。tb b=t5-t4应应大大于于晶晶闸闸管管的的关关断断时时间间tq q 。图图513并联谐振式逆变并联谐振式逆变电路工作波形电路工作波形为为保保证证可
24、可靠靠换换流流应应在在uo过过零零前前td d=t5-t2时时刻刻触触发发VT2、VT3。.td d 为为触发引前时间触发引前时间(5-16)io超前于超前于uo的时间的时间表示为电角度表示为电角度w w为电路工作角频率；为电路工作角频率；g g、b b分别是分别是tg、tb b对应的电角度对应的电角度忽略换流过程，忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数可近似成矩形波，展开成傅里叶级数(5-19)基波电流有效值基波电流有效值(5-20)负负载载电电压压有有效效值值Uo和和直直流流电电压压Ud的的关关系系（忽略（忽略Ld的损的损耗，忽略晶闸管压降）耗，忽略晶闸管压降）(5-21)(5
25、-18)本章小结本章小结讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理四四大大类类基基本本变变流流电电路路中中，AC/DC和和DC/AC两两类类电电路更为基本、更为重要路更为基本、更为重要本章重点掌握的内容本章重点掌握的内容换流方式换流方式电电压压型型逆逆变变电电路路（单单相相、三三相相）结结构构、导导电电方方式式、工作原理，工作波形工作原理，工作波形单相电流型逆变电路结构、工作原理、工作波形单相电流型逆变电路结构、工作原理、工作波形与其它章的关系与其它章的关系本章对逆变电路的讲述是很基本的。本章对逆变电路的讲述是很基本的。下下一一章章的的PWM控控制制技技术术在在逆逆变变电电路路中中应应用用最最多，绝大部分逆变电路都是多，绝大部分逆变电路都是PWM控制的。控制的。逆逆变变电电路路的的直直流流电电源源往往往往由由整整流流电电路路而而来来，二者结合构成间接交流变流电路。二者结合构成间接交流变流电路。此此外外，间间接接直直流流变变流流电电路路大大量量用用于于开开关关电电源源，其中的核心电路仍是逆变电路。其中的核心电路仍是逆变电路。