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1、第四章第四章逆变电路逆变电路电力电子技术电力电子技术本章主要内容本章主要内容l4.1换流方式换流方式l4.2电压型逆变电路电压型逆变电路l4.3电流型逆变电路电流型逆变电路l4.4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电力电子技术电力电子技术概述概述l逆变概念逆变概念与整流相对应，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电网，为有源逆变交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变无源逆变l逆变与变频逆变与变频变频电路：交交变频和交直交变频变频电路：交交变频和交直交变频交直交变频交直交变频:交直变换交直变换(整流整流)和直交变换和直交变换(逆变
2、逆变)两部分两部分l逆变电路的主要应用逆变电路的主要应用各种直流电源向交流供电，如蓄电池、干电池、太阳能电池各种直流电源向交流供电，如蓄电池、干电池、太阳能电池交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等核心交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等核心部分部分l换流换流变流电路在工作中不断从一个支路向另一个变流电路在工作中不断从一个支路向另一个支路的转移支路的转移电力电子技术电力电子技术4.1换流方式换流方式1.逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理l以单相桥式逆变电路为例以单相桥式逆变电路为例S1S4是桥式电路的是桥式电路的4个臂个臂最基本的工作原理最基本的工作原理 改变两
3、组开改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率关切换频率，可改变输出交流电频率电阻负载时，电阻负载时，io和和uo的波形相同，相的波形相同，相位也相同位也相同阻感负载时，阻感负载时，io相位滞后于相位滞后于uo，波形，波形也不同也不同tuoiot1t2负载S1S2S3S4iouoUd阻感负载阻感负载电力电子技术电力电子技术4.1换流方式换流方式1.逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理lS1、S4闭合，闭合，S2、S3断开时，负载电压断开时，负载电压uo为正为正lS1、S4断开，断开，S2、S3闭合时，负载电压闭合时，负载电压uo为负为负电力电子技术电力电子技术4.1换流方式换流方式1.
4、逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理l换流过程换流过程t1时刻前，时刻前，S1、S4导通，导通，uo和和io为正为正t1时刻断开时刻断开S1、S4，合上，合上S2、S3，uo立刻变负。但电感使立刻变负。但电感使io极性不能突极性不能突变而维持原方向，即由负极经变而维持原方向，即由负极经S2、S3流回正极，电感释放能量，流回正极，电感释放能量，io逐渐减逐渐减小，到小，到t2时刻为零并反向增大时刻为零并反向增大tuoiot1t2电力电子技术电力电子技术4.1换流方式换流方式2.换流方式分类换流方式分类l换流方式主要是如何使器件关断换流方式主要是如何使器件关断l换流方式换流方式器件换流器件
5、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，如如IGBT、电力、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件等全控型器件的换流的换流电网换流电网换流电网提供换流电压的换流方式，即将负的电网提供换流电压的换流方式，即将负的电网电压施加在欲关断的电网电压施加在欲关断的VT上即可使其关断。不需要器上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，不适用于没有交流电网的无源件具有门极可关断能力，不适用于没有交流电网的无源逆变电路，更多用于整流和有源逆变逆变电路，更多用于整流和有源逆变电力电子技术电力电子技术4.1换流方式换流方式2.换流方式分类换流方式分类负载换流：由负载提
6、供换流电压的换负载换流：由负载提供换流电压的换流方式流方式 适用于负载电流相位超前于电压的场适用于负载电流相位超前于电压的场合，如电容性负载和同步电动机合，如电容性负载和同步电动机 负载换流逆变电路：负载换流逆变电路：4个个VT构成桥臂；构成桥臂；负载为阻感和电容并联；工作在接近并联谐负载为阻感和电容并联；工作在接近并联谐振状态而略呈容性；直流侧串大电感，振状态而略呈容性；直流侧串大电感，id基基本没有脉动，即本没有脉动，即io为矩形波为矩形波 负载对基波阻抗大而对谐波阻抗小，所负载对基波阻抗大而对谐波阻抗小，所以以uo接近正弦波接近正弦波 t1时刻触发时刻触发VT2、VT3导通，导通，uo加
7、到加到VT1、VT4上使其关断。为使换流顺利完成，上使其关断。为使换流顺利完成，t1时刻时刻前，前，uo过零前需有足够裕量过零前需有足够裕量 t t t tOOOOiit1uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4电力电子技术电力电子技术4.1换流方式换流方式2.换流方式分类换流方式分类强迫换流：设置附加的换流电路，给强迫换流：设置附加的换流电路，给欲关断的欲关断的VT强迫施加反压或反电流的强迫施加反压或反电流的换流方式。通常利用附加电容所储存换流方式。通常利用附加电容所储存能量来实现，则也称为电容换流能量来实现，则也称为电容换流 分类：直接耦合式强迫换流和电感耦分
8、类：直接耦合式强迫换流和电感耦合式强迫换流合式强迫换流 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流(电压换流电压换流)：由换：由换流电路内电容直接提供换流电压流电路内电容直接提供换流电压 当当VT导通时，预先给电容充电，合上导通时，预先给电容充电，合上S，可使，可使VT被施加反压而关断被施加反压而关断直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流电力电子技术电力电子技术4.1换流方式换流方式2.换流方式分类换流方式分类 电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流(电流换流电流换流)：通过换流电路内电容和电感：通过换流电路内电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流的耦合来提供换流电压或换流电流电感耦合式强迫换流电感耦
9、合式强迫换流 VT在在LC振荡第一个半周期振荡第一个半周期内关断。即接通内关断。即接通S，LC电流反向电流反向流过流过VT，与原负载电流相减直，与原负载电流相减直到到VT正向合成电流至正向合成电流至0，再通过，再通过VD续流续流 VT在在LC振荡第二个半周期振荡第二个半周期内关断。即接通内关断。即接通S，LC电流正向电流正向流过流过VT，与原负载电流叠加经，与原负载电流叠加经过半个振荡周期，反向流过过半个振荡周期，反向流过VT，直到，直到VT合成正向电流减至合成正向电流减至0，再通过再通过VD 两种情况两种情况VT都是在正向电流减至都是在正向电流减至0且且VD开始流过电流时关断，开始流过电流时
10、关断，VD的管压降就是加在的管压降就是加在VT上的反向电压上的反向电压电力电子技术电力电子技术4.1换流方式换流方式2.换流方式分类换流方式分类l换流方式总结换流方式总结器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对对VT而言而言器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负载换流器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负载换流属于外部换流属于外部换流熄灭熄灭当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而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是在支路内部终止流通而变为零电力电子技术电力电子技术4.2电压型逆变电路电压型逆变
11、电路电压型逆变电路电压型逆变电路又称为电压源型逆变又称为电压源型逆变电路电路Voltage Source Inverter-VSIVoltage Source Inverter-VSI直流侧是电压源直流侧是电压源电流型逆变电路电流型逆变电路又称为电流源型逆变又称为电流源型逆变电路电路Current Source Inverter-CSICurrent Source Inverter-CSI直流侧是电流源直流侧是电流源电力电子技术电力电子技术4.2电压型逆变电路电压型逆变电路l电压型逆变电路特点电压型逆变电路特点直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电
12、压基本无脉动由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同电流因负载阻抗不同而不同阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反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能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管电力电子技术电力电子技术4.2电压型逆变电路电压型逆变电路l单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路l三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路电力电子技术电力电子技术4.2电压型逆变电路电压型逆变电路1.单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路半桥逆变电路半桥逆变电路
13、l电路结构电路结构由两个桥臂组成，每个桥臂为一个可由两个桥臂组成，每个桥臂为一个可控器件和一个反并联控器件和一个反并联VD直流侧有两个串联的大电容，两个电直流侧有两个串联的大电容，两个电容的联结点为直流电源的中点容的联结点为直流电源的中点阻感负载联接在直流电源中点和两个阻感负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间桥臂联结点之间l工作原理工作原理V1和和V2栅极信号在一个周期内各半周栅极信号在一个周期内各半周正偏，半周反偏，二者互补正偏，半周反偏，二者互补输出电压输出电压uo为矩形波，其幅值为为矩形波，其幅值为Um=Ud/2ttOOONoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2V
14、D1VD2VD1VD2u电力电子技术电力电子技术4.2电压型逆变电路电压型逆变电路1.单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路半桥逆变电路半桥逆变电路l工作原理工作原理t2时刻前，时刻前，V1为通态，为通态，V2为断态为断态t2时刻给时刻给V1关断信号，给关断信号，给V2开通信号，开通信号，V1关断，但感性负载中的电流关断，但感性负载中的电流io不能不能立即改变方向，立即改变方向，VD2续流续流t3时刻时刻io降零时，降零时，VD2截止，截止，V2开通，开通，io开始反向开始反向导通与续流导通与续流 V1或或V2通时，通时，io和和uo同向，直流侧向同向，直流侧向负载提供能量负载提供能量 VD1或
15、或VD2通时，通时，io和和uo反向，反向，L中贮能中贮能向直流侧反馈。向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管称为反馈二极管(又使又使io连续，又称续流二极管连续，又称续流二极管)ttOOONoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2u电力电子技术电力电子技术4.2电压型逆变电路电压型逆变电路1.单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路半桥逆变电路半桥逆变电路l注意注意V1、V2不能同时导通不能同时导通l优点优点电路简单，使用器件少电路简单，使用器件少l缺点缺点输出交流电压幅值为输出交流电压幅值为Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控，直流侧需两电容器串联，
16、要控制两者电压均衡制两者电压均衡l应用应用用于几用于几kW以下的小功率逆变电源以下的小功率逆变电源单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合电力电子技术电力电子技术4.2电压型逆变电路电压型逆变电路1.单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路全桥逆变电路全桥逆变电路l电路结构、原理及特点电路结构、原理及特点由四个桥臂构成，等价于两个半由四个桥臂构成，等价于两个半桥电路组合桥电路组合两对桥臂交替导通两对桥臂交替导通180输出输出为正负为正负180uo和和io波形与半桥电路形状相同，但幅值加倍波形与半桥电路形状相同，但幅值加倍半桥电路导通和续流
17、区间与全桥对应，无功能量交换原理相同半桥电路导通和续流区间与全桥对应，无功能量交换原理相同uo为为180o脉冲，改变输出交流电压有效值只能靠改变脉冲，改变输出交流电压有效值只能靠改变Ud实现实现输出矩形波电压输出矩形波电压uo傅里叶级数傅里叶级数基波幅值基波幅值Uo1m基波有效值基波有效值Uo1电力电子技术电力电子技术4.2电压型逆变电路电压型逆变电路1.单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路全桥逆变电路全桥逆变电路l移相调压移相调压阻感负载时，还可采用移相方式来阻感负载时，还可采用移相方式来调节输出电压，即调节输出电压脉调节输出电压，即调节输出电压脉冲宽度冲宽度V1和和V2、V3和和V4栅极信
18、号互补，栅极信号互补，V3比比V1落后落后(0 180o)，V3、V4栅极信栅极信号分别比号分别比V2、V1前移前移180o-。输出电。输出电压是正负各为压是正负各为 的脉冲的脉冲工作过程工作过程 t1时刻前时刻前V1和和V4导通，导通，uo=Ud t1时刻时刻V4截止，截止，L中的中的io不能突变，不能突变，V3不能立刻导通，不能立刻导通，VD3导通续流，导通续流，uo=0电力电子技术电力电子技术4.2电压型逆变电路电压型逆变电路1.单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路全桥逆变电路全桥逆变电路工作过程工作过程 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，VD2导通续流，和
19、导通续流，和VD3构成电流通道，构成电流通道，uo=-Ud io过零并开始反向，过零并开始反向，VD2和和VD3截截止，止，V2和和V3开始导通，开始导通，uo仍为仍为-Ud t3时刻时刻V3截止，而截止，而V4不能立刻导通，不能立刻导通，VD4导通续流，又导通续流，又uo=0改变改变 就可调节输出电压就可调节输出电压l注：注：电阻负载移相方法相同，但电阻负载移相方法相同，但VD不导通不导通(不不续流续流)，uo为为0期间，期间，V均不导通，均不导通，io=0对电阻性半桥电路也适用，正反偏宽度各为对电阻性半桥电路也适用，正反偏宽度各为 和和360o-，uo也是正负脉也是正负脉冲宽度各为冲宽度各
20、为 电力电子技术电力电子技术4.2电压型逆变电路电压型逆变电路1.单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路带中心抽头变压器电路带中心抽头变压器电路l结构及工作原理结构及工作原理交替驱动两个交替驱动两个IGBT，经变压器耦合，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压给负载加上矩形波交流电压两个两个VD提供无功能量的反馈通道提供无功能量的反馈通道Ud和负载参数相同，变压器匝比为和负载参数相同，变压器匝比为1:1:1时，时，uo和和io波形及幅值与全桥波形及幅值与全桥电路完全相同电路完全相同与全桥电路比较与全桥电路比较 比全桥电路少用一半开关器件比全桥电路少用一半开关器件 器件承受电压为器件承受电压为2Ud
21、，比全桥电路高，比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电力电子技术电力电子技术4.2电压型逆变电路电压型逆变电路2.三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l电路结构电路结构由三个单相逆变电路组合由三个单相逆变电路组合三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 基本工作方式是基本工作方式是180o导电导电 同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差 120o，任一瞬间有三个桥臂同时导通，任一瞬间有三个桥臂同时导通 每次换流都在同一相上下两臂之间进行，也称为纵每次换流都在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流向换流电力电子技术电力电子技术4.2电压
22、型逆变电路电压型逆变电路2.三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l工作波形工作波形 对于对于U相，当桥臂相，当桥臂1导通，导通，uUN=Ud/2，当桥臂，当桥臂4导通，导通，uUN=-Ud/2，uUN 是幅值为是幅值为Ud/2矩形波，矩形波，V、W和和U类似类似 负载线电压负载线电压 负载相电压负载相电压tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3电力电子技术电力电子技术4.2电压型逆变电路电压型逆变电路2.三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l工作波形工作波形 中点间电压中点间电压 三相对称负载，
23、则三相对称负载，则uNN为矩形波，频率为为矩形波，频率为uUN的的3倍，倍，幅值为其幅值为其1/3，即，即Ud/6uUN、uVN和和uWN波形相同，相位依波形相同，相位依次差次差120o负载已知，可由负载已知，可由uUN波形求出波形求出iU波形波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3阻感负载阻感负载电力电子技术电力电子技术4.2电压型逆变电路电压型逆变电路2.三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l工作原理工作原理一相上下两桥臂间的换流过程和半一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似，如桥电路
24、相似，如V1、V4 V1由通到断，由通到断，VD4续流，待负续流，待负载电流反向，载电流反向，V4导通，导通，VD4导通时导通时间取决于间取决于 大小大小 iU上升段，桥臂上升段，桥臂1导电：导电：iU0,V1导通导通 iU下降段，桥臂下降段，桥臂4导电：导电：iU0,VD4导通；导通；iU0，则，则VD3仍承受反压不能导通，直到仍承受反压不能导通，直到uC13=eVU后，后，VD3才承受正压导通，进入才承受正压导通，进入VD3和和VD1同时导通的同时导通的VD换流阶段换流阶段-+UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id-+UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiVi
25、ViU=Id-iV电力电子技术电力电子技术4.3电流型逆变电路电流型逆变电路2.三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路串联二极管式晶闸管电路串联二极管式晶闸管电路l工作波形工作波形uC1波形和波形和uC13完全相同完全相同C3、C5串联使得充放电电流和电压变串联使得充放电电流和电压变换均为换均为C13一半，一半，uC3从从0变到变到-UC0，uC5从从UC0变到变到0，这些电压符合相隔这些电压符合相隔120o后从后从VT3到到VT5换流要求，为下次换流做准备换流要求，为下次换流做准备ttOuOiUCOuC13uC5uC3-UCOIdiUiVt1t2t3电力电子技术电力电子技术4.3电流型逆变电路
26、电流型逆变电路2.三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路串联二极管式晶闸管电路串联二极管式晶闸管电路l实例实例负载为同步电动机负载为同步电动机无换向器电动机：工作特性和调速方无换向器电动机：工作特性和调速方式都和直流电动机相似，没有换向器式都和直流电动机相似，没有换向器采用采用120o导电方式，利用电动机反电导电方式，利用电动机反电势实现换流，属于负载换流势实现换流，属于负载换流BQ是转子位置检测器，检测磁极位是转子位置检测器，检测磁极位置决定置决定VT触发脉冲的时刻触发脉冲的时刻OOOOOwtwtwtOwtwtVT4导通UVWiViWiUudMVT1导通VT3导通VT6导通VT5导通VT2导通
27、uVT1U电力电子技术电力电子技术4.4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l电压型逆变电路输出电压是矩形波，电流型逆变电路的输电压型逆变电路输出电压是矩形波，电流型逆变电路的输出电流是矩形波，矩形波中含有较多的谐波，对负载会产出电流是矩形波，矩形波中含有较多的谐波，对负载会产生不利影响生不利影响l常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，使之成为常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，使之成为接近正弦波的波形接近正弦波的波形二重单相电压型逆变电路二重单相电压型逆变电路两个单相全桥电路通过变压两个单相全桥电路通过变压器串联形成，通过相位错开，抵消谐波器串联形成，通过相位错
28、开，抵消谐波三相电压型二重逆变电路三相电压型二重逆变电路原理相似原理相似l也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，它能够输出也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，它能够输出较多的电平，从而使输出电压向正弦波靠近较多的电平，从而使输出电压向正弦波靠近产生输出电平，降低谐波产生输出电平，降低谐波电力电子技术电力电子技术要点总结要点总结l逆变的基本工作原理，四种换流方式逆变的基本工作原理，四种换流方式l电压型和电流型逆变电路，包括单相和三相，电压型和电流型逆变电路，包括单相和三相，如半桥、全桥等。如半桥、全桥等。l各种电路的换流原理、输出电压和电流波形，各种电路的换流原理、输出电压和电流波形，以及线电压、相电压、相电流等的谐波分析以及线电压、相电压、相电流等的谐波分析电力电子技术电力电子技术作业作业l第4章 5、6题（118页）