《逆变电路及应用》PPT课件.ppt

第3章 逆变电路及应用,3.1 有源逆变 3.2 无源逆变 3.3 中频逆变电源的原理及应用 3.4 现代逆变技术简介 习题与思考题,3.1 有源逆变,3.1.1 直流发电机-电动机系统电能的转换 直流发电机-电动机系统如图3-1所示。其中G为直流他励发电机，M为直流他励电动机，R为回路的总电阻,图中省略了电机的励磁回路。在此，我们通过控制发电机、电动机电势的大小和方向来判断能量之间的转换。 (1) 如图3-1(a)所示，设EGEM，即发电机电势大于电动机电势，则回路电流Ia的大小为,图3-1直流发动机-电动机功率传递图 (a) 两个电势同极性相联：EGEM; (b) 两个电势同极性相联：EGEM （c）两个电势反极性相联,(2) 如图3-1(b)所示，设EMEG，即电动机电势大于发电机电势，则回路电流Ia的大小为,回路电流Ia的方向与电动机电势EM的方向相同，即电流从电动机电势EM流出，从发电机电势EG流入，因此，电动机输出功率，发电机吸收功率，电动机运行于回馈制动状态。从能量的角度来讲，电动机轴上输入的机械能转换为电能反送给发电机。,(3) 如图3-1(c)所示所示，设EM与EG顺向串联（反极性相接），回路电压为两个电势之和，电动机和发电机都输出功率， 电阻消耗功率。由于回路电阻阻值很小，因此可形成很大的回路电流，相当于两个电源短路。这种情况在实际使用过程中是绝对不允许的。,从以上分析我们可以得出以下几个结论： 两个电势同极性相接时，电流总是从电势高的流向电势低的，电流的大小取决于两个电势之差和回路总电阻。当回路总电阻很小时， 即使很小的电势差也能产生很大的电流，使两个电势源之间交换很大的功率。 电流从电势正极端流出的为输出功率，从电势正极端流入的为输入功率。 两个电势反极性相接时，由于回路电阻很小，使得回路电流很大，相当于短路，这是不允许的。,图3-2 单相全波变流装置 （a）单相全波整流电路 （b） 单相全波逆变电路,1单相全波工作在整流状态 从图3-2(a)可知，要使得重物上升，电动机必须工作在电动状态，才能将重物提升，即电机消耗能量，因此单相全波晶闸管电路需工作在整流状态。根据单相全波可控整流电路的工作原理，控制角在090时，直流侧的输出电压Ud上正下负，在输出电压Ud的作用下，电动机产生反电势E，E的方向为上正下负，此时Ud与E为同极性相连，且UdE，波形如图所示，则回路电流Id的大小为：,式中: Ud=0.9U2 cos（的范围为090）。,回路的电流方向从Ud的正端流出，从E的正端流入。从能量的角度来讲，交流电网输出功率，电动机吸收功率，即变流器将电能转换为电动机轴上的机械能带动重物上升。同时，改变控制角就可改变重物上升的速度。例如减小控制角，则Ud增大，电动机产生的电磁转矩增大，因电动机轴上重物产生的阻转矩不变，所以电动机的转速升高，电动机的反电势E亦增大， 使Id恢复到原来的数值，此时电动机稳定运行在较高转速。反之，值增大，则电动机转速减小。,当重物提升到一定高度需要停止时，可以逐渐增大控制角，随着的增大，输出电压Ud减小，电动机转速减小。当增大到90时，输出电压Ud0，电动机转速继续下降，到转速n0时，采用电磁抱闸，电机停转。这时，输出电压的波形为正、负面积相等，交流电源既不输出功率，也不输入功率。,2. 单相全波工作在逆变状态 如图3-2（b）所示，电动机停止运转时，使重物下降，电动机则在重物的作用下反向运转，产生上负下正的反电势E。在直流发电机-电动机系统中，由于电流的流向不受限制，因此电能实现反方向输送十分方便。但是对于晶闸管电路，由于晶闸管的单向导电性决定了回路的电流方向不能发生改变，为了不使E和Ud反极性相接，就必须将直流侧输出电压Ud的方向改变，才不会造成短路。同时，电动机的电势|E|应大于|Ud|,才能保证晶闸管的可靠导通。当调整控制角到大于90时，尽管电源电压提供给晶闸管的阳极电压大部分为负半周时刻，但由于E的作用，晶闸管仍能承受正压而导通，同时又能改变Ud的极性。因此，在保证E大于Ud的情况下，晶闸管仍能轮流导通180，维持电流Id连续，晶闸管电路的输出电压ud波形负面积大于正面积，如图所示。 回路电流Id的大小为,式中，Ud=0.9U2 cos（的范围为90180）。 上述电路中晶闸管的导通主要取决于反电势E，在整个过程中电动机输出功率，为发电机工作状态，变流器吸收功率。电动机输出的功率通过变流器转变成交流功率回送交流电网，从而实现有源逆变。 单相全波晶闸管电路工作在逆变状态。,从以上分析可知，晶闸管电路工作在整流状态时，交流电网输出功率， 控制角90，ud波形正面积大于负面积， 输出电压平均值ud 0。 晶闸管电路工作在逆变状态时，交流电网吸收功率，ud波形负面积大于正面积，Ud0，控制角90。当=90时，ud波形负面积等于正面积，Ud=0，为临界状态。,综上所述，要实现有源逆变必须满足如下条件： (1) 外部条件：直流侧必须外接一个直流电源势（例如直流电动机的电枢电势、蓄电池电势等），其方向与直流电流Id的方向一致，其大小比Ud稍大。 (2) 内部条件：晶闸管控制角90，使Ud 0。 这两个条件缺一不可。 必须指出，对于阻性负载、半控桥晶闸管电路或者带续流二极管的变流电路，由于不可能输出负电压，也不允许在直流侧接上反极性的电势源，因此这样的电路不能实现有源逆变。,3.1.3逆变角 由图3-2可见，在整流和逆变范围内，如果电流连续， 则每个晶闸管的导通角都是180，故不论控制角为何值，直流侧输出电压Ud与之间的关系，可根据对输出电压ud波形进行积分得：,我们发现，Ud的公式与整流时一样。由于逆变运行时控制角90，Ud0，为了分析和计算方便，引入逆变角。一般规定逆变角以控制角=时刻作为计量的起始点（=0）， 而任意时刻的大小与满足关系式+=。在此将=-代入上式， 则,（的范围为090） (3-1),由式（3-1）可见，在逆变工作过程中，当时，输出电压Ud的绝对值最大，随着角度的增加，Ud的绝对值逐渐减小，当90时，Ud0。,例 如图3-3所示单相桥式变流电路，U2220 V，E120 V， R2，当60时能否实现有源逆变？若能，电动机的制动电流为多大? 并画出输出电压、晶闸管VT1两端的电压波形。 解 根据式（3-1）：,EUd，且两个电压同极性相接，方向与晶闸管导通方向一致；满足外部条件。6090。满足内部条件。 即满足有源逆变实现的条件。,电动机的制动电流为：,图3-3 单相桥式逆变电路,图3-4 单相桥式逆变电路输出波形,3.1.4 三相半波逆变电路 1 整流状态（0E，回路电流的方向与直流侧Ud的方向相同，所以三相电源输出功率。图3-5所示为=60时负载端电压的波形及晶闸管VT1两端承受的电压波形。,图3-5 三相半波整流电路(=60),2 逆变状态（090） 三相半波逆变电路如图3-6所示，电动机电势E满足有源逆变实现的条件，电抗器Ld的电感值足够大，能保证电流连续。 下面我们以=60为例分析三相半波逆变电路的工作原理。,图3-6 三相半波逆变电路,1） 对触发电路的要求 与整流电路一样，共阴极的三相半波逆变电路晶闸管之间的换相也是由触发脉冲控制的，并总是转换到阳极电压最高的那一相上去。 要使得三个晶闸管正常换相，一个周期需要3个脉冲，相邻两个脉冲间隔120。与整流不一样的是， 逆变电路的触发装置必须严格按照规定的换相次序，依次发出脉冲。 所加脉冲的顺序如图3-7(b)所示。,图3-7 三相半波逆变电路输出波形(=60）,3） 晶闸管两端的电压波形 三相半波逆变电路在确定的周期内，三个管子轮流导通， 输出端电压波形、电流波形连续，因此与整流一样，晶闸管两端承受的电压波形依旧由三段组成。例如，VT1两端电压波形如图3-7(c)所示；VT1导通时，uVT10，导通角为120；VT2导通时，uVT1=uab，导通角为120；VT3导通时，uVT1=uac，导通角为120。 晶闸管能承受的最大电压为,4） 数量关系 由ud波形可见，三相半波电路在整流和逆变的全部工作过程中，如果电流连续，则每个晶闸管在规定的周期内的导通角都为120。对波形进行积分，可得直流侧输出电压平均值Ud的大小：,当电路工作在逆变状态时，根据=-，得逆变时输出电压Ud为,回路电流Id的大小为,3.1.5 三相桥式逆变电路 三相桥式变流电路可分为三相半控桥和三相全控桥变流电路。由于三相半控桥变流电路不能实现逆变，因此这一节我们主要介绍三相全控桥逆变电路。 图38为三相全控桥逆变电路。该电路与三相全控桥整流电路相似，由两组组成，一组为共阴极连接（VT1、VT3、VT5）， 一组为共阳极连接（VT2、VT4、VT6），相当于两个三相半波电路。但相比三相半波逆变电路，三相全控桥逆变电路提高了变压器的利用率，消除了变压器的直流磁化问题。下面我们来分析三相全控桥逆变电路的工作原理。,图3-8 三相全控桥逆变电路,1 工作原理 在图3-8所示的三相全控桥逆变电路中，电动机电动势E的极性及大小具备有源逆变实现的条件，直流侧串接足够大的电抗器Ld，能维持电流的连续。 三相全控桥逆变电路工作与整流时一样，为保证同一时刻上下两组不同相的两个管子同时导通，逆变电路对触发装置的要求是加宽脉冲（脉冲宽度大于60），或采用双窄脉冲（这是因为宽脉冲对触发装置的功率要求比较高）。双窄脉冲要求每隔60依次触发两个管子，每个管子导通120，管子导通的顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6。,如图3-9所示，设在t=t1之前，电路已正常工作，此时晶闸管VT5和VT6导通，输出电压ud=ucb。当t=t1时，给晶闸管VT1加触发脉冲ug1，这时VT1的阳极电压高于VT5管的阳极电压， 使得VT1阳极承受正向电压而导通，VT5阳极承受反向电压而截止， 同时给VT6加一个辅助脉冲ug6，保证VT1、VT6同时导通，输出电压ud取决于线电压uab。在t1tt2期间，虽然uab0， 但由于外接电动机电势E的作用，管子VT1和VT6两端承受的电压uab+E+uL0，所以VT1 、VT6能够继续导通；,Id的流通方向为从E的正端流出，经VT6流入b相，再由a相流出，经VT1回到E的负端， 则电动机输出功率，交流电源吸收功率。当VT1和VT6导通60后，即t=t2时，给晶闸管VT2加触发脉冲ug2，VT2管的阴极电位低于VT6管的阴极电位，所以VT2导通、VT6截止，同时给VT1加一个辅助脉冲，VT1、VT2同时导通， 输出电压ud为线电压uac。接下来依次触发管子VT3、 VT4、VT5、VT6，在触发这几个管子时，给前面导通的另一组管子加辅助脉冲，得到的输出电压ud依次取决于线电压ubc、uba、uca、ucb。输出电压波形如图3-9（a）所示。 因为6个管子轮流导通，所串电抗器足够大，所以回路电流连续，波形近似为一条直线，如图3-9（d）所示。,图3-9 三相桥式逆变电路输出波形,通过上面分析可知三相全控桥逆变电路具有如下特点： 晶闸管触发顺序为,管子导通过程则如表3-1所示。,表3-1 管子导通过程,2 数量关系 根据负载端电压波形ud及导通规律，对波形进行积分可得:,（3-2）,回路电流为,式中，R为回路等效电阻。,3 输出电压及晶闸管两端电压波形的绘制和分析 1) 波形绘制 输出电压ud的波形一般采用线电压波形（描述比较方便）。 首先找出自然换相点和逆变角的起始点，从的起始点向左数角处就是该线电压开始逆变时刻， 每个线电压工作60，一个周期有6个波头。图3-10列举了几种特殊角度时，输出的电压波形ud及晶闸管VT1两端承受的电压波形uT1。 晶闸管两端电压波形的分析同于整流电路。某一晶闸管两端所能承受的电压只与本组管子有关系，同样用三段来表示： 一段为本身导通段，管压降为零；另两段为管子截止时的波形， 分别为该管子所在相和相邻两相之间的线电压。改变逆变角时，管子两端的电压波形也随之改变，但三段波形的表示形式不变。,图3-10 三相全控桥式变流电路整流与逆变状态下的波形,2) 波形变化规律 当90时，电路处于整流和逆变的中间状态， 此时输出电压ud的波形正、负面积相等，则Ud0。晶闸管两端电压波形也是正、负面积对称的波形。 当90）时，电路工作于整流状态， 输出电压ud的波形正面积大于负面积， 晶闸管在阻断状态下主要承受反向电压。 当90（）时，电路工作于逆变状态，输出电压ud的波形负面积大于正面积，晶闸管在阻断状态下主要承受正向电压。 这也是我们在实践中测试波形时判断故障的依据。,3.1.6 逆变失败与最小逆变角的限制 1 逆变失败的原因 以三相半波逆变电路为例，取30。正常情况下， 三相半波逆变电路输出电压波形如图3-11所示。如果出现下列几种情况， 则可能造成逆变失败。,图3-11 三相半波逆变电路,1） 触发电路工作不可靠 脉冲丢失（假设VT2的脉冲ug2丢失）。如图3-12（a）所示的三相半波逆变电路，正常情况下VT1导通，输出端电压取决于a相电压。在t1时刻，应该给VT2管子加脉冲ug2，但由于触发电路的问题使ug2丢失，则VT2管子不能导通，外接直流电势源E使VT1阳极承受正向电压继续导通，直至ua变正，这时输出电压ud与外接电源E顺向串联， 造成逆变失败。, 脉冲延迟（设VT2的脉冲ug2出现在t2时刻）。如图312（b）所示，VT2管子所加脉冲时刻延迟到t2时刻，此时a相电压ua大于b相电压ub，使得晶闸管VT2阳极承受反向电压而不能导通，导通的晶闸管VT1承受正向电压继续导通，当ua0时，输出电压ud与外接电源E顺向串联，造成逆变失败。,图3-12 三相半波电路逆变失败波形分析,2） 晶闸管工作不可靠 如果晶闸管的制造质量不高，耐压值达不到铭牌数据指标， 或者选择参数时耐压指标选得过低，则也会产生逆变失败。 如图3-13所示，a相晶闸管VT1的耐压值选得过低，在t3时刻之前，VT2正常导通，到了t3时刻，VT1耐压值过低而造成误导通，VT1的导通使得VT2阳极承受反向电压而截止，负载端电压由b相电压换成a相电压，此时ua0，结果造成逆变失败。,图3-13 三相半波电路逆变失败波形分析,3） 交流电源发生故障（设b相缺相） 假设三相电源b相缺相或突然消失，由于直流电源E的存在， VT2能正常导通，而此时回路的电流Id=E/R，由于R的阻值很小， 外接直流电源电势E通过晶闸管而发生短路，回路电流剧增， 造成逆变失败。,4） 考虑变压器的漏抗 在可控整流电路中，我们提到由于变压器漏抗的存在， 晶闸管换相时出现换相重叠角。在逆变电路中，换相重叠角的存在，对逆变电路的运行又有什么样的影响呢？假设，如图3-14所示，在t2时刻，VT1和VT2换相过程结束，b相电压高于a相电压，VT2管子继续导通，VT1承受反向电压而截止， 换相能正常进行。假设，如图3-14右半部分，在t4时刻，VT2和VT3换相过程结束，此时b相电压高于c相电压，VT3因承受反向电压而截止，本该截止的VT2承受正向电压而继续导通， 换相不能正常进行，出现ub0， 结果造成逆变失败。,图3-14 三相半波电路逆变失败波形分析,2 最小逆变角min的限制 通过对逆变失败原因的分析，我们知道，为了防止逆变失败，除了选用可靠的触发电路、高质量的晶闸管及稳定的电源外，同时对最小逆变角min必须严格加以限制。在逆变技术的使用中， 一般规定最小逆变角min满足下列式子：,式中： 晶闸管的关断时间折合成的电角度; 换相重叠角; 安全裕量角。,（1） 考虑晶闸管关断时间tq，主要是为了保证本该关断的管子完全恢复阻断。tq一般需200300 s，折合后对应的电角度为5左右。 （2） 换相重叠角的大小随电路的形式、工作电流大小的不同而不同，一般取1520。 （3） 安全裕量角是十分必要的，变流电路工作在逆变状态时，由于种种原因会影响逆变角。例如，在三相桥式逆变电路中，触发电路输出六个脉冲，它们的相位角间隔不可能完全相等，有的比中心线偏前，有的偏后，这种脉冲的不对称程度一般可达5，偏后的脉冲就可能进入min范围内。因此，需考虑一个安全裕量，值约取10。,综上所述，最小逆变角为,（3-3),为了可靠防止进入min区内，在要求较高的场合下，可在触发电路中加一套保护线路，使减小时移不到min区内，或者在min处设置产生附加安全脉冲的装置，此脉冲不移动，万一当工作脉冲移入min区内时，则安全脉冲保证在min处触发晶闸管， 防止逆变失败。,必须指出，在应用晶闸管变流器的可逆直流拖动系统中， 由于限制逆变角不得小于min，为此整流控制角也必须限制在不得小于min的范围内， 一般取minmin ，应保证系统由整流状态转换到逆变状态工作时，调节总可使变流器直流侧输出的最大逆变电压和电机电枢电势的最大值相平衡。min 、 min的确定既要满足变流器工作的可靠性，又要满足变流装置运行的经济性。如果把min、min选得过大，就不能充分利用整流变压器的容量，同时也缩小了变流器的电压调节范围。,3.1.7 有源逆变的应用举例 1. 直流可逆电力拖动系统 很 多生产机械（例如起重提升设备、电梯、龙门刨等）均要求电机能正反转，因而直流可逆拖动系统要求变流器能给电机提供四象限工作方式的电源，即要求直流侧能输出具有两种极性的连续可调的电压。我们知道，控制他励直流电动机正、 反转的方法有两种：其一，可以改变励磁电压的方向；其二， 可以改变电枢电压的方向。由于前者励磁回路惯性大，过渡过程时间长且控制较复杂，一般用于大容量、快速性要求不高的可逆系统中；后者快速性好、控制较简单，但需要设备容量大一些，适用于中小容量和要求快速性高的可逆系统中。这里只介绍改变电枢电压的四象限运行变流系统供电线路的工作原理。,电动机电枢电压极性可变的可逆拖动系统电路如图3-15所示。电动机的磁场方向不变，而其电枢两端由两组三相桥式逆变电路的变流器（、组）反并联供电，从而称为两组变流装置反并联的可逆电路。 其中电机正转时由组桥供电， 反转时由组桥供电， 且一组工作时，另外一组被封锁， 这样做的好处是可以抑制环流的产生。下面我们来分析一下如何实现电机的四象限运行。,图3-15 三相桥式反并联可逆电路,设电机开始运行于第一象限，此时组工作在整流状态， 电机电动运行， 转速为正，电机从组桥获得能量。 如果需要反转，首先应使电机迅速制动，因而必须改变电机电枢的电流方向，但对组桥来说，电流不能倒流，所以只能切换到组桥工作，同时使组桥工作于逆变状态，如图3-16所示。,图3-16 反并联可逆电路四象限运行,改变触发装置的控制电压，将组桥触发脉冲后移到190（190)。由于机械惯性，电动机的转速n与反电动势E不能立即改变，组桥的晶闸管在E的作用下本应关断，但由于id迅速减小，在电抗器Ld中产生下正上负的感应电动势eL， 且eL在数值上大于E，故使回路满足有源逆变条件而进入有源逆变状态，将电感Ld中的能量逆变反送电网，电动机仍处于电动运行，此时逆变发生在原工作的桥路，因此被称为“本桥逆变”。 当id下降到零时，将组晶闸管封锁，改变组控制角， 使UdE，组桥晶闸管进入有源逆变状态，工作在第二象限， 电动机保持运行在发电制动状态，将系统的惯性能量逆变反送电网， 电动机依旧正转，此时逆变发生在另一组桥路，因此被称为“他桥逆变”。随着逆变的进行，电动机的转速进一步快速减小，当转速减到零时，将组触发脉冲移至90（90），组桥进入整流状态，电动机的转速从零开始反向启动，进入第三象限。同理，电动机从反转到正转是由第三象限到第四象限再到第一象限。,从上面的分析我们可以看出： 第一象限：正转，电动机运行，组工作在整流状态，90，EUd； 第二象限：正转，发电机运行，组工作在逆变状态， 90，EUd； 第三象限：反转，电动机运行，组工作在整流状态， 90，EUd； 第四象限：反转，发电机运行，组工作在逆变状态， 90，EUd。,2 绕线式异步电动机的串级调速 串级调速是将转子转差功率在转子绕组中产生的电势整流成直流，然后再用三相有源逆变电路逆变为交流电返送电网， 通过控制有源逆变的工作来改变电机的转差率，从而达到调速的目的。利用有源逆变的原理对绕线式异步电动机进行调速， 具有结构简单、效率高等优点，且调速范围宽。考虑到变流器的容量不宜太大，故其调速范围一般不大于23，特别适合于大容量的电动机调速。,图3-17 绕线式电动机串级调速电路图,控制电路硅整流二极管VD1VD6组成三相不可控桥式整流电路，晶闸管VT1VT6组成三相可控桥式有源逆变电路。电动机转子回路接整流电路。 硅整流二极管把异步电动机在不同转速下感应出的转差频率电势sE20整流成直流电压Ud，Ud的大小为,（3-4）,式中: s异步电动机的转差率， （n0和n分别为电动机的同步转速和实际转速）； E20异步电动机转子开路时的线电压有效值。,这一直流电源Ud作为逆变电路的附加反电动势，通过晶闸管逆变电路逆变成交流电，再经逆变变压器TI反送给电网。 若忽略转子回路电阻，当电动机稳速运行时，逆变回路的逆变电压Ud应与整流电路输出电压Ud大小相等、方向相反，即,（3-5）,式中: U2l逆变变压器次级线电压有效值。,3.2 无源逆变,3.2.1 变频器的分类和换流方式 1 分类 1） 交-交变频器 如图3-18(a)所示，交-交变频器由正、反两组反并联的变流器组成，可使两组变流装置轮流导通，从而在负载上获得交变的输出电压uo，其波形如图3-18(b)所示。 uo的大小可以通过改变变流器的控制角来调节，uo的频率则由正、反两组变流器轮流导通的切换频率决定。,图3-18 交-交变频器,2） 交-直-交变频器 如图3-19(a)所示，交-直-交变频器由整流器和逆变器组成，可使两对晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流切换导通，从而在负载上得到交变的输出电压uo，其波形如图3-19(b)所示。uo的大小可通过改变直流电压Ud调节，uo的频率决定于两对晶闸管的切换频率。,图3-19 交-直-交变频器,2 换流方式 在变频器中，按需要时刻将导通的晶闸管关断，使电流换到另一个需要导通的晶闸管去，我们称之为“换流”。晶闸管阳极电流降到零时，若要恢复正向阻断能力，则还需要一段关断时间，因此，通过在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压的方法来实现管子的关断。管子所加反向电压的时间必须大于管子的关断时间，才能保证换流的正常实现。常用的换流方法有以下三种： 1） 电网电压换流 在交-交变频器中，利用电网电压过零变负的特点实现导通晶闸管的关断，电路简单，但仅适用于交流电网供电的电路。,2） 负载换流 在直流供电的负载回路中，利用电阻、电感和电容形成的振荡特性，使负载电流超前于电压的时间t0大于晶闸管的关断时间tq，便能保证晶闸管可靠地关断。由于t0是随负载与频率变换的，因此这种换流方式只适用于负载及频率变化不大的场合。 3） 强迫换流 利用专门的换流电路使晶闸管在任何需要的时刻关断，称为强迫换流。换流电路是利用换流电容储存的能量，在换流时刻产生一个短暂的脉冲，迫使原来导通的晶闸管电流下降到零， 再加一段时间的反向电压，便可保证晶闸管可靠地关断。 强迫换流的原理及波形如图320(a)、 (b)所示。,图3-20 强迫换流的原理及波形,强迫换流多用于斩波器及逆变器中，可使输出频率不受电源频率的限制，但需要附加庞大的换流装置，同时还要增加晶闸管的电压、电流定额，对晶闸管的动态特性要求也高。 如果采用全控开关元件，则可省去换流电路，从而使电路简化、 装置的体积减小、重量减轻。下面我们以全控器件为例介绍几种常见的逆变器。,3.2.2 电压型逆变电路 1 电压型单相半桥逆变电路 电压型单相半桥逆变电路如图3-21(a)所示，直流侧接有互相串联的两个大电容C1和C2，满足C1=C2，主要起缓冲无功能量的作用。半桥逆变电路由两个导电桥臂组成，每个导电桥臂由一个全控器件和反向并联的二极管构成。负载接在两个电容的连接点和两个桥臂的连接点之间，负载为感性负载。,图3-21 电压型单相半桥逆变电路 (a) 电路图； (b) 输出波形,该电路的工作原理： 设V1和V2的基极信号在一个周期内各有半周正偏、半周反偏， 且两者互补。假设t2时刻以前，V1导通、V2截止，则负载端电压uo=Ud/2。 在t2时刻，给V1加关断信号，给V2加导通信号，电感作用的结果是电流不能发生突变，从而使得VD2导通续流，负载端电压uo=-Ud/2，回路电流慢慢减小。 在t3时刻，io降为零，VD2截止，V2导通，负载端电压uo=-Ud/2。 在t4时刻，给V2加关断信号，V1加导通信号，此时VD1导通， 负载端电压uo=Ud/2。 在t5时刻，io降为零，VD1截止，V1导通，负载端电压uo=Ud/2。,由上面的分析可知，半桥逆变电路负载端电压波形为矩形波，电流波形接近于正弦波。当V1或V2导通时，负载电流与电压同方向，直流侧向负载提供能量； 而当VD1或VD2导通时， 负载电流方向与电压方向相反，负载中储存的能量反馈给直流侧，反馈的能量暂时储存在直流侧电容中，此时直流侧电容起着缓冲无功能量的作用。 半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值仅为直流电源的一半，且直流侧需要两个电容器串联。因此，半桥逆变电路常用于几kW以下的小功率逆变电源。如果要提高负载端的电压幅值，可采用全桥逆变电路。全桥逆变电路及输出电压、电流波形如图3-22所示，相当于两个半桥逆变电路组合而成。,图3-22 电压型单相全桥逆变电路,2 电压型三相桥式逆变电路 电压型三相桥式逆变电路如图3-23所示，V1V6为全控型器件，VD1VD6为续流二极管，Za、Zb、Zc是三相平衡负载。 本逆变器属于180导电型，全控型器件的导通情况列于表3-2。从表中可以看出：在一个周期内的任何时刻都有分属三相的三个开关器件同时导通，导通顺序是V1V2V3V4V5V6V1，每个开关器件的导通角为180， 各触发信号依次相差60电角度。三相对应开关器件产生导通角互差120的三相电流同时流经负载，改变6个开关器件的驱动信号的频率，就能改变输出电压的频率。,2 电压型三相桥式逆变电路 电压型三相桥式逆变电路如图3-23所示，V1V6为全控型器件，VD1VD6为续流二极管，Za、Zb、Zc是三相平衡负载。 本逆变器属于180导电型，全控型器件的导通情况列于表3-2。从表中可以看出：在一个周期内的任何时刻都有分属三相的三个开关器件同时导通，导通顺序是V1V2V3V4V5V6V1，每个开关器件的导通角为180，各触发信号依次相差60电角度。三相对应开关器件产生导通角互差120的三相电流同时流经负载，改变6个开关器件的驱动信号的频率， 就能改变输出电压的频率。,图3-23 电压型三相桥式逆变器,表3-2 全控型器件的导通情况,图3-24 电压型三相桥式逆变电路波形图,图3-25 负载等效电路,在060范围内，V1、V2、 V3导通，此时逆变电路的等效电路如图325所示。 输出相电压为：,输出线电压为：,表3-3 输出相电压与线电压值,3.2.3 电流型逆变电路 1 电流型单相桥式逆变电路 图3-26(a)为电流型单相桥式逆变电路， 可控器件采用大功率型全控器件IGBT。当V1、V4导通，V2、V3关断时，Io=Id； 反之，Io=-Id。当以频率f交替切换V1、V4和V2、V3时，则在负载上得到图3-26（b）所示的电流波形。不论电路负载性质如何，其输出电流波形为矩形波，而输出电压波形则由负载性质决定。主电路采用的自关断器件，如果其反方向不能承受高电压时，则需在各开关器件支路串入二极管。,图3-26 电流型单相桥式逆变电路,将图3-26（b）所示的电流波形展开成傅利叶级数得:,其中基波幅值IoIm和基波有效值IoI分别为：,（3-6）,（3-7）,2 电流型三相桥式逆变电路 图3-27（a）所示为电流型三相桥式逆变电路。 电流型三相桥式逆变电路在同一时刻，不同相的上、下桥臂各有一个管子同时导通，在一个周期内，每个桥臂的管子导通120，因此它属于120导电方式。管子导通的顺序为V1V2V3V4V5V6，相邻两个管子的导通间隔60。,图3-27 电流型三相桥式逆变电路,3.2.4 电压型和电流型逆变电路的比较,表3-4 电压型与电流型逆变电路的比较,3.2.5 PWM控制技术 在实际应用中，很多负载都希望得到可控的输出电压和输出频率，因此逆变器通常由一个可控整流电路和一个逆变电路组成，通过控制整流电路改变输出电压，控制逆变电路改变输出频率。但在使用过程中，这种控制方式存在以下不足： （1） 输出电压为矩形波，其中含有较多的谐波，对负载不利； （2） 采用相控方式调压，输入电流谐波含量大，输入功率因数偏低； （3） 由于中间环节有大电容存在， 因此调压惯性较大， 响应较慢。,1PWM控制的基本原理 采样理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲， 用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小， 也可改变输出频率。,图3-28 用PWM电压等效正弦电压,2 单极性PWM控制方式,图3-29 单相桥式PWM逆变电路,图3-30 单极性PWM控制方式,3 双极性PWM控制方式 在载波信号的半周期内，三角波的极性是双向的，所得到的PWM波形也是双极性的，这种控制方式称为双极性控制方式。 双极性PWM控制方式同样适用于单相桥式逆变电路。 调制信号ur采用正弦波，在ur的正负半周内，当uruc时， 使V1、V4导通，负载端电压为uo=Ud；当uruc时，使V2、V3导通，负载端电压为uo=Ud，波形如图3-31所示。双极性PWM控制方式与单极性控制方式相比，在一个周期内输出PWM波形的方向是双向的，没有uo=0区域。,图3-31 双极性PWM控制方式,注意： （1） 同一相上、下两臂的驱动信号互补。为防止上、 下臂直通而造成短路，在一个臂施加关断信号时，留一小段死区时间。 （2） 死区时间的长短由开关器件的关断时间来决定。 （3） 死区时间会给输出的PWM波形带来影响， 应使其稍稍偏离正弦波。,4 三相桥式逆变电路的PWM控制 图3-32为电压型三相桥式PWM逆变电路，其控制方式采用双极性控制方式。a、b、c三相的PWM控制公用一个三角波载波信号uc，三相调制信号ura、urb、urc分别为三相正弦信号，其幅值和频率均相等，相位依次相差120。三相PWM控制规律相同， 现以a相为例。当urauc时，使V1导通，V4关断，则a相相对于直流电源假想中性点N的输出电压为uaN=Ud/2；当urauc时， 使V1关断，V4导通，则V1、V4的驱动信号始终互补。当给V1（V4）加导通信号时，可能使V1（V4）导通，也可能使VD1（VD4）导通续流，这取决于负载中电流的方向。输出波形如图333所示。,图3-32 电压型三相桥式PWM逆变电路,图3-33 电压型三相桥式PWM逆变电路输出波形,3.3 中频逆变电源的原理及应用,中频电源是将三相工频（50 Hz）交流电转变为单相中频交流电的装置。常用的中频电源采用的是交-直-交变频电路， 这种变频电路具有中间直流环节，先将工频交流电通过整流电路变成直流电，再通过逆变电路将直流电变成需要频率的交流电。 该电路的特点是电路简单，调试方便，效率高。这种电路目前在国内应用较多，主要用于感应加热及熔炼，是一种较先进的静止变频设备。 按照逆变电路和负载不同的组合，中频逆变电源可分为并联变频电路、串联变频电路和串并联变频电路。 图3-34为并联式晶闸管中频电源的主电路，主要包括四部分：整流电路、滤波环节、逆变电路和负载电路。,图3-34 并联式晶闸管中频电源主电路,3.3.1 并联谐振逆变电路 1 主电路 图3-35为并联谐振逆变电路。负载电路中电容与炉圈（L,R）并联，换流是基于并联谐振的原理， 因此称为并联谐振逆变电路。直流电源Ud（通过晶闸管可控整流电路而得）连续可调，并联逆变电路将直流电逆变为中频交流电供给负载。 直流侧串有滤波大电感Ld，因此属于电流型逆变器。 因工作频率较高，故逆变电路4个桥臂的晶闸管采用快速晶闸管。L1L4为电感量很小的电感， 用于限制晶闸管的电流上升率di/dt。,图3-35 并联谐振逆变电路,2 工作过程 图3-36所示为并联谐振逆变电路的工作过程。 晶闸管VT1、VT4导通，电流io的路径如图3-36（a）中的虚线所示。由于电感Ld的滤波作用，整流输出电流id近似为恒值，电容C上的电压为左正右负，负载电压uo近似为矩形波。,图3-36 并联谐振逆变电路的工作过程,如图3-37所示，在t2时刻触发晶闸管VT2、VT3，使得VT2、 VT3导通，从而将负载端的电压加在VT1、VT4两端。由于L1L4的作用，出现四个管子同时导通，回路电流方向如图3-36（b）所示。流经VT1、VT4的电流慢慢减小，流经VT2、VT3的电流慢慢增加，随着时间的推移，流经VT1、VT4的电流减小到零，流经VT2、VT3的电流增加到Id，此段时间称为换流时间，用t表示。VT1、VT4中的电流减小到零以后，还需一段时间才能恢复正向阻断，因此换流结束后， 还要使VT1、VT4承受一段反压时间t,才能保证管子的可靠关断，t应大于晶闸管的关断时间tq。,图3-37 并联谐振逆变电路工作波形,为保证换流可靠，晶闸管VT2、VT3必须在输出电压uo过零前tf时间触发，tf称为触发引前时间。按上述分析，可得,（3-8）,式中，k为大于1的安全系数，一般取23。 负载的功率因数角由负载电流和电压的相位差决定， 由图3-37可见：,（3-9）,或者,（3-10）,3.3.2 串联谐振逆变电路 1 主电路 如图3-38所示，直流侧采用大电容滤波，使逆变输出电压为正负矩形波，属于电压型逆变器。电路为了续流，设置了反馈二极管VD1VD4。逆变器的输出可采用改变逆变角的方法进行调节。为了实现负载换流， 要求补偿以后的总负载呈容性。,图3-38 串联谐振逆变电路,2 工作原理 当负载满足 时，触发VT1、VT4，电路产生振荡,负载两端电压左正右负。由于电流超前于电压，当t=t1时，电流为零; 当tt1时，电流反向。由于VT2、VT3未导通，反向电流通过VD1、VD4续流，VT1、VT4承受反压而关断，负载两端得到正向矩形电压。当t=t2时，触发VT2、VT3，负载两端电压极性反向，即左负右正，VD1、VD4关断，电流从VT2、VT3流过。当tt3时，电流又反向，VD2、VD3续流，VT2、VT3承受反压而关断， 负载两端得到负向矩形电压。当t=t4时，再触发VT1、VT4。通常, 串联谐振逆变电路工作在负载谐振频率附近，负载电路处于串联谐振状态。电路对负载电流的基波分量呈现低阻抗，对其它高次谐波呈现高阻抗。因此，负载电流可看成由基波分量组成， 波形为正弦波， 如图3-39所示。,图3-39 串联谐振逆变工作波形,3.3.3 应用 并联变频电路对负载的适应能力特别强，是当前应用最广泛的一种电路，主要用作中频熔炼和透热的电源，一般都基于感应加热的原理。 当逆变桥对角晶闸管以一定频率交替触发导通时，负载感应线圈通入中频电流，线圈中产生中频交变磁通。如将金属（钢铁、铜、铝）放入线圈中，在交变磁场的作用下，金属中将产生涡流与磁滞（钢铁）效应，使金属熔化。晶闸管交替触发的频率与负载回路的谐振频率相接近，负载电路工作在谐振状态，这样不仅可得到较高的功率因数与效率，而且电路对外加矩形波电压的基波分量呈现高阻抗，对其它高次谐波电压可以看成是短路，所以负载两端的uo是很好的中频正弦波。而负载电流io在大电感的作用下为近似交变的矩形波。,感应加热中，主要是利用涡流对工件进行加热。其工作原理如图3-40所示。让线圈A中流过频率为f的交流电流i1,从而产生交变的磁通。磁通在工件B中产生的感应电动势为,感应电动势的幅值为,式中:m交变磁通最大值; 角频率，=2f。,图3-40 负载电路,不同的电势在工件闭合回路中产生涡流i2, 使工件发热，这就是感应加热原理。感应加热是由感应线圈（即炉圈）把电能传递给工件， 电能则在金属工件内部转变为热能。能量是靠感应传递的，感应圈与工件不直接接触（即加炉衬）。为了提高感应热效率，要求工件的感应电动势E尽可能的大，这可以通过增大磁通或提高感应线圈中的电流频率f来达到。 中频电源用于熔炼时，负载是感应炉，从电路看是一只电磁感应线圈L，它相当于一台副边短路的变压器。感应炉与中频电热电容器C构成并联谐振电路如图3-41所示。感应线圈由矩形空心铜管绕制，它比圆形铜管绕制的效率高。由于感应线圈的功率因数很低，因此要并联电热电容C用以补偿无功功率。,图3-41 并联谐振电路,L与C产生并联谐振时，输入电流io与输入电压uo同相位， 并且电抗相等，电路呈纯电阻状态。 其谐振角频率为,电路谐振频率为,品质因数为,式中，R感应线圈电阻。,3.4 现代逆变技术简介,3.4.1 现代逆变技术的概念及分类 逆变是对电能进行变换和控制的一种基本形式。现代逆变技术是综合了现代电力电子开关器件的应用、现代功率变换、 PWM技术、频率及相位调制技术、开关电源技术和控制技术等的一门实用设计技术。 现代逆变技术按照不同的形式可分为以下几类： （1）按逆变器输出交流的频率可以分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。工频逆变一般指频率为5060 Hz的逆变器； 中频逆变的频率一般为400 Hz十几kHz；高频逆变的频率一般为十几kHzMHz。,（2） 按逆变器输出的相数可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。 （3） 按逆变器输出能量的方向可分为有源逆变和无源逆变。 （4） 按逆变主电路的形式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。 （5） 按逆变主开关器件的类型可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变、IGBT逆变等。 （6） 按输出稳定参量可分为电压型逆变和电流型逆变。,（7） 按输出电压和电流的波形可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。 （8） 按控制方式可分为调频式（PFM）逆变和脉宽式（PWM）逆变。 （9） 按逆变开关电路的工作方式可分为谐振式逆变、 定频硬开关式逆变和定频软开关式逆变。,3.4.2 现代逆变系统的基本结构 通过前面逆变及逆变电路的介绍我们知道，逆变指的是将直流电变成交流电，而变换的过程是通过电力电子器件的开关状态来实现的，因此逆变系统的核心是由电力电子器件组成的逆变电路。另外，要顺利的实现逆变，还需要输入电路、 输出电路、控制电路、辅助电源和保护电路。现代逆变系统的基本结构图如图3-42所示。,图3-42 现代逆变系统结构图,1输入电路 逆变电路的输入为直流电。若是直流电网供电、蓄电池供电或直流发电