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1、电力电子第五章第1页，本讲稿共40页引言引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、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路本章内容本章内容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第2页，本讲稿共40页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S1S4是桥式电路的4个臂，
2、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5-1逆变电路及其波形举例第3页，本讲稿共40页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S1S4断开，S2S3闭合时，uo为负，把直流电变成交流电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（图5-1b）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，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
3、时刻降为零，之后io才反向并增大第4页，本讲稿共40页5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类换流换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本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此在本章讲述第5页，本讲稿共40页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
4、压称为电网换流电网换流（LineCommutation）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3.负载换流负载换流由负载提供换流电压称为负载换流负载换流（LoadCommutation）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，可实现负载换流第6页，本讲稿共40页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直流侧串入
5、大电感Ld，id基本没有脉动图5-2 负载换流电路及其工作波形 第7页，本讲稿共40页5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类工作过程（工作波形图工作过程（工作波形图5-2b）4个臂的切换仅使电流路径改变，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第8页，本讲稿共4
6、0页5.1.2 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，也称为电容换流电容换流直直接接耦耦合合式式强强迫迫换换流流由换流电路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5-3 直接耦合式强迫换流原理图第9页，本讲稿共40页5.1.2 5.1.2 换流方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：通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换
7、流电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5-4 电感耦合式强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电压换流电压换流（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 反压的换流叫电流换流电流换流 第10页，本讲稿共40页5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类器件换流适用于全控型器件其余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，则称为熄灭熄灭第11页，本讲稿共40页 逆变电路逆变电
8、路概述概述1按换流方式分类：按换流方式分类：a.有源逆变电路：利用电网电压作为换流电压，以强制逆变电路导电有源逆变电路：利用电网电压作为换流电压，以强制逆变电路导电臂间电流的转移，且关断退出工作的开关器件（臂间电流的转移，且关断退出工作的开关器件（MOSFET，GTR，IGBT）。）。b.负载换流逆变电路：适用于能够提供超前电流的负载，利用负载端压作负载换流逆变电路：适用于能够提供超前电流的负载，利用负载端压作为换流电压。为换流电压。c.自换流逆变电路自换流逆变电路:利用自关断元件构成逆变电路，或在晶体管利用自关断元件构成逆变电路，或在晶体管逆变电路中设置独立的换流电路。逆变电路中设置独立的换
9、流电路。第12页，本讲稿共40页2按逆变电按逆变电 的结构分类：的结构分类：a.桥式电路桥式电路 与整流电路对比，电源与负载的位置正好倒置与整流电路对比，电源与负载的位置正好倒置 电源负载电源负载 整流中：交流电网整流中：交流电网 滤波器及其直流负载滤波器及其直流负载 逆变中：直流电源逆变中：直流电源 交流负载交流负载（阻性、感性或反电动势等）（阻性、感性或反电动势等）第13页，本讲稿共40页b.零式电路：零式电路：负载中带有电感负载中带有电感L，T1和和T2交替导通和截交替导通和截 止，负载电路得到交替变化的电压和电流。止，负载电路得到交替变化的电压和电流。NN+-UVW图图5-95-9V1
10、V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2第14页，本讲稿共40页 单相电路：主要应用于不间断电单相电路：主要应用于不间断电 源（源（UPS）。）。恒压恒频电源中等。恒压恒频电源中等。三相电路：应用于交流电机变频调速等。三相电路：应用于交流电机变频调速等。4按输出电压的调压方式分：按输出电压的调压方式分：a.对逆变电路入端直流电压进行调节，图对逆变电路入端直流电压进行调节，图5-2.a,b b.在逆变电路出端对交流电压在逆变电路出端对交流电压 进行调节。进行调节。5-2.d c.在逆变电路内部进行调压，兼有变频和调压的功能。在逆变电路内部进行调压，兼有变频和调压的功能
11、。图图5-2.c，这种方式具有调节速度快，结构简单，转，这种方式具有调节速度快，结构简单，转 换效率和入端功率因数高等优点。换效率和入端功率因数高等优点。3按逆变电路输出交流相数分：按逆变电路输出交流相数分：第15页，本讲稿共40页图图5-2：1.可控整流电路。可控整流电路。2不控整流。不控整流。3变频逆变。变频逆变。4变频变压逆变。变频变压逆变。5交流电动机。交流电动机。6变压器。变压器。7斩波器斩波器第16页，本讲稿共40页5按输入能量储存方式划分：按输入能量储存方式划分：逆变电路在感性或容性负载下除输出有功功率之外，电路中尚有无逆变电路在感性或容性负载下除输出有功功率之外，电路中尚有无功
12、功率，后者在逆变电路和直流侧储能元件间来回流传。功功率，后者在逆变电路和直流侧储能元件间来回流传。a.电压型逆变电路电压型逆变电路 -直流侧并联大电容直流侧并联大电容Cd，使，使ud=Ud.-Cd不仅起滤波作用，而且起着维持电能平衡的作用，不仅起滤波作用，而且起着维持电能平衡的作用，当逆变器开关轮番以不同的工作状态工作时，当逆变器开关轮番以不同的工作状态工作时，Cd轮番轮番 贮存和释放电能，使无功功率在电路中来回流传。贮存和释放电能，使无功功率在电路中来回流传。-电压型逆变电路输出负载一般为感性。若接容性负载，电压型逆变电路输出负载一般为感性。若接容性负载，则须在输出端串入电感。以避免电压源则
13、须在输出端串入电感。以避免电压源_电容回路在逆电容回路在逆 变器开关元件开关瞬间出现过电流。变器开关元件开关瞬间出现过电流。-桥式电路中，采用纵向换流，换流在每相上、下桥臂间进行。桥式电路中，采用纵向换流，换流在每相上、下桥臂间进行。-每相上、下桥臂不能同时导通，否则将直通短路。每相上、下桥臂不能同时导通，否则将直通短路。第17页，本讲稿共40页b.电流型逆变器电流型逆变器，图5-3.-直流侧串联大电感，直流侧串联大电感，id=Id。-Ld不仅起平滑电流，而且起维持电能不仅起平滑电流，而且起维持电能平衡的作用。（即提供无功能量）平衡的作用。（即提供无功能量）-输出负载一般为容性。若需接感性输出
14、负载一般为容性。若需接感性负载，则输出端需并联电容。以避负载，则输出端需并联电容。以避免电流源免电流源电感割集。防止开关瞬间电感割集。防止开关瞬间过电压。过电压。-桥式电路中，采用横向换流，换流在桥式电路中，采用横向换流，换流在上或下桥臂组各元件之间进行。上或下桥臂组各元件之间进行。-上桥臂组或下桥臂组各元件不能上桥臂组或下桥臂组各元件不能同时关断，否则同时关断，否则Ld中能量无处释中能量无处释放，逆变器将过压损坏。放，逆变器将过压损坏。第18页，本讲稿共40页 5.2 5.2 电压型逆变电路电压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)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本
15、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。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理想条件：（假设）理想条件：（假设）a.逆变器开关元件由逆变器开关元件由IGBT组成，组成，IGBT具有理想门极控制特具有理想门极控制特性。性。b.负载可等效为负载可等效为RL串联电路，且均为线性定常元件。串联电路，且均为线性定常元件。c.直流电源内阻极小，端压恒定直流电源内阻极小，端压恒定ud=Ud.d.忽略电路中的分布电感。忽略电路中的分布电感。e.逆变电路已达稳态。逆变电路已达稳态。图5-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）图5-1电路的
16、具体实现第19页，本讲稿共40页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工作原理工作原理V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、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20页，本讲稿共40页设开关元件设开关元件V1和和V2的栅极信号在一个周期内各有半周正偏。且二者互补，的栅极信号在一个周期内各有半周正偏。且二者互补，当负载为阻感性时，其波形如图当负载为阻感性时，其波形如图5-6.b所示：所示：a.0tt1,V1，V2截止，截止，VD1通，负载电流方向：通，负载电流方向：RL VD1 Cd
17、 C2，此时负载向电容，此时负载向电容Cd反馈无功能量。反馈无功能量。b.t1tt2,V1通，通，V2截止。负载电流方向：截止。负载电流方向：Cd V1 L R C2,此时负载消耗有功。此时负载消耗有功。c.t2tt3,V1、V2截止，截止，VD2通。负载电流方向：通。负载电流方向：LR C1 Cd VD2.此时负载向电容此时负载向电容Cd反馈无功。反馈无功。d.t3tt4,V1截止，截止，V2通。负载电流方向为：通。负载电流方向为：Cd C1 R L V2,此时负载消耗有功此时负载消耗有功。第21页，本讲稿共40页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
18、，感性负载时，(图5-6b)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,暂存在直流侧电容中。VD1、VD2称为反馈二极管反馈二极管,还使io连续，又称续流二极管续流二极管特点特点优点优点：简单，使用器件少能避免直流偏磁现象。能避免直流偏磁现象。缺缺点点：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（简简单单办法加并联电阻）办法加并联电阻）用于几kW以下的小功率逆变电源。功功率率变变大大，两两桥桥臂臂上上电电容容流流过过的的脉脉动动电电流流过过大，易损坏。大，易损坏。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电
19、路的组合第22页，本讲稿共40页3.3.单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路如下图所示，电压波形见下右图。第23页，本讲稿共40页它共有四个桥臂，桥臂它共有四个桥臂，桥臂1、4构成一对，构成一对，2、3构成另一对，成对的两个桥臂同时构成另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通导通，两对交替各导通180度。输出电压形状同度。输出电压形状同5-6.b.但幅值要高出一倍。为但幅值要高出一倍。为Um=Ud.a.0tt1.V1-V4截止，截止，VD1、VD4导通。负载电流方向：导通。负载电流方向：LR VD1 Cd VD4,负载电感向电容负载电感向电容Cd反馈无功。反馈无功。b.t1t
20、t2.V1、V4通，通，V3、V2截止，负载电流方向：截止，负载电流方向：Cd V1 RL V4.负载电流，电压同相，消耗有功。负载电流，电压同相，消耗有功。c.t2tt3,VD2和和VD3通。通。V2-V3截止，负载电流方向：截止，负载电流方向：RL VD3 Cd VD2，负载电感向电容，负载电感向电容Cd反馈无功。反馈无功。d.t3tt4.V2、V3导通。导通。V1和和V4止，负载电流方向：止，负载电流方向：Cd V3 LR V2,负载消耗有功。负载消耗有功。第24页，本讲稿共40页由上分析可见，输出电压幅值以半桥电路提高了一倍。全桥由上分析可见，输出电压幅值以半桥电路提高了一倍。全桥逆变
21、电路在单相逆变电路中应用最广。把幅值为逆变电路在单相逆变电路中应用最广。把幅值为Ud的矩形的矩形波输出电压波输出电压U。作付里叶级数展开可得：输出电压波形为镜。作付里叶级数展开可得：输出电压波形为镜对称波形，故输出表达式中无偶次项和余弦项对称波形，故输出表达式中无偶次项和余弦项其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为：Uo1m=4Ud/=1.27Ud5-2Uo1=2*1.414Ud/=0.9Ud5-3 思考：为什么基波幅值比直流电压思考：为什么基波幅值比直流电压Ud高？高？上述公式对半桥电路也适用，只是式中的Ud成Ud/2.第25页，本讲稿共40页4.4.单相全桥输出电压可调逆变电路单相
22、全桥输出电压可调逆变电路 .前面分析的两种逆变器不能实现输出电压的调节，要改变输出交流电压的有效值前面分析的两种逆变器不能实现输出电压的调节，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压只能通过改变直流电压Ud来实现。来实现。.同输出电压不可调电路相比，主电路结构相同，只是触发脉冲所加方式同输出电压不可调电路相比，主电路结构相同，只是触发脉冲所加方式不同不同,采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称移相调压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互补关系不变V3的基极信号只比V1落后q q (0 0q q 180)V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180
23、-q quo成为正负各为q q 的脉冲，改变q 即可调节输出电压有效值第26页，本讲稿共40页a.0tt1。（即控制角。（即控制角）：）：电流过零前：电流过零前：VD4 LR VD1 Cd，无功返回，无功返回 过零后：过零后：V1 RL V4 Cd,消耗能量，消耗能量，U0=Udb.t1tT2.。V1导通，导通，VD3通，通，V3、V2、V4截止。负载电流方向：截止。负载电流方向：RL VD3 V1，此时输出短路，故输出电压，此时输出短路，故输出电压Uo=0.c.t2tt3。在。在t2时刻时刻V1截止，而截止，而V2不能立刻导通。不能立刻导通。故输出电流过零前通路：故输出电流过零前通路：VD2
24、 RL VD3 Cd 无功返回无功返回 输出电流过零后通路：输出电流过零后通路：Uo=-Ud Cd V3 LR V2 消耗能量消耗能量d.t3t0。D1,3，D2,4导通时，负载电感中储能反馈到导通时，负载电感中储能反馈到Cd中，保证了负载电中，保证了负载电流连续。此时，流连续。此时，Pi*u0。V1,2,3,4在导通结束后立即进入正向阻断，中间无承受反压期。若用在导通结束后立即进入正向阻断，中间无承受反压期。若用半控元件而不采取有效措施（强迫换流电路），则元件无法正常工作。半控元件而不采取有效措施（强迫换流电路），则元件无法正常工作。io为非正弦波，其波形与负载有关。为非正弦波，其波形与负载
25、有关。第30页，本讲稿共40页5.3 5.3 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路1.g=,纯电阻性负载情况纯电阻性负载情况 现假定：负载为星形连接，设现假定：负载为星形连接，设RaRbRcR，中心点，中心点N电位电位UN0，门极控制信号宽度，门极控制信号宽度为为g=，相邻两脉冲互差，相邻两脉冲互差/3。（1）0wt/3，此时，此时V5，V6，V1通，等效电通，等效电路如图路如图59（b）u UN=uWN=+1/3*Ud uVN=2/3*Ud 所以所以 uUV=uUNuVN=Ud i1=iv1=iu=uUN/Ra=Ud/3R i5=iV5=iW=uWN/RC=Ud/3R i3=iV3=0 入端
26、电流入端电流 i=i1+i3+i5=2Ud/3RIm第31页，本讲稿共40页第32页，本讲稿共40页第33页，本讲稿共40页（2）/3wt2/3，此时，此时V6，V1，V2通，等效电路如图通，等效电路如图59（c）uUN=+2/3*Ud uVN=uWN=-1/3*Ud uUV=uUNuVN=Udi1=iV1=iu=uUN/Ra=2Ud/3R，i3=i5=0 ,i=i1i2+i6=2Ud/3R（3）2/3wt，此时，此时V1，V2，V3通，等效电路如图通，等效电路如图59（d）uUN=+1/3*Ud=uVN ，uWN=2/3*Ud,uUV=uUNuVN=0i1=iV1=iU=uUN/Ra=Ud/
27、3R，i3=iV3=iV=Ud/3Ri5=iV5=0 ，i=i1+i3+i5=2Ud/3R第34页，本讲稿共40页（4）wt4/3，此时，此时V3，V4，V2通，等效电路如图通，等效电路如图59（e）uUN=uWN=1/3*Ud ，uVN=2/3*Ud uUV=uUNuVN=Ud i1=iV1=0，i3=iV3=iV=2 Ud/3R,i5=iV5=0 i=i1+i3+i5=2Ud/3R 同理还可分析其他区间波形及数量关系同理还可分析其他区间波形及数量关系 4/3wt2 区间略区间略第35页，本讲稿共40页由图由图59可见可见:输出相电压为六阶梯波，输出线电压为四阶梯波。输出相电压为六阶梯波，输
28、出线电压为四阶梯波。逆变器入端电流逆变器入端电流,由于任一瞬间均由各桥臂中的开关管载流，由于任一瞬间均由各桥臂中的开关管载流，i始终为正值，并保持恒定，即始终为正值，并保持恒定，即Cd中中icd=0电流（可视作入端有电流（可视作入端有大电感，近似恒流考虑）大电感，近似恒流考虑）开关管导通结束后也没有反压期，立即承受正向电压。开关管导通结束后也没有反压期，立即承受正向电压。开关管上下桥臂采用纵向换相，先断后通，死区控制。开关管上下桥臂采用纵向换相，先断后通，死区控制。下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出线电压把输出线电压Uuv展开成傅
29、立叶级数可得：展开成傅立叶级数可得：式中，式中，n6k1，k为自然数。为自然数。第36页，本讲稿共40页输出线电压有效值输出线电压有效值uUV为为:uuv=0.816Ud=其中基波幅值其中基波幅值uUV1m和基波线电压有效值和基波线电压有效值uUV1分别为：分别为：第37页，本讲稿共40页以下对负载相电压以下对负载相电压uUN进行分析。进行分析。把把uUN展开成傅立叶级数得展开成傅立叶级数得：式中，式中，n6k1，k为自然数。为自然数。负载相电压有效值负载相电压有效值uUN为为其中基波幅值其中基波幅值UUN1m和基波有效值和基波有效值UUN1分别为：分别为：UUN1m=2Ud/=0.63UdU
30、UN1=UUN1m/1.414=0.45Ud=pwp20471.0212dUNUNUtduU第38页，本讲稿共40页2g=时，感性负载情况时，感性负载情况 在前进的纯电阻负载中，桥中每一导电臂在前进的纯电阻负载中，桥中每一导电臂仅由晶体管导通，二极管不导通，但在感仅由晶体管导通，二极管不导通，但在感性负载电路中，由于电感上的电流不能突性负载电路中，由于电感上的电流不能突变，导致上下桥臂换流时，将出现桥臂上变，导致上下桥臂换流时，将出现桥臂上二极管导通而续流的情况。因此在感性负二极管导通而续流的情况。因此在感性负载下，桥臂导电有三种模式：载下，桥臂导电有三种模式：第一模式：三个导电臂均有晶体管导
31、第一模式：三个导电臂均有晶体管导通，见图通，见图510。此时电路中各相电压。此时电路中各相电压的状态分布同阻性负载。的状态分布同阻性负载。第二模式：二个晶体管和一个二极管第二模式：二个晶体管和一个二极管导通，见图导通，见图510。第三模式：一个晶体管和二个二极管第三模式：一个晶体管和二个二极管导通，见图导通，见图510，此时负载回馈电能，此时负载回馈电能给给Cd。第39页，本讲稿共40页 总之，对于电感性负载，在上、下两桥臂换流过程中，总之，对于电感性负载，在上、下两桥臂换流过程中，需要被换桥臂上的二极管光续流，（此时被换桥臂上的开需要被换桥臂上的二极管光续流，（此时被换桥臂上的开关管由于承受负载回路电感上的反压而截止），直至负载关管由于承受负载回路电感上的反压而截止），直至负载回路的电流降至零后，被换桥臂之开关才导通。回路的电流降至零后，被换桥臂之开关才导通。在在2周期内，主控开关和二极管的（在周期内，主控开关和二极管的（在/3时）时）负载阻抗的导通顺序为：负载阻抗的导通顺序为：第40页，本讲稿共40页