第4章 逆变电路2015

1、1 第四章第四章 逆变电路逆变电路 4.1 逆变的基本概念逆变的基本概念 4.2 换流方式换流方式 4.3 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 4.4 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路 2 4.1 逆变的基本概念 4.1.1 4.1.1 逆变的概念逆变的概念 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。 固定直流固定直流幅值和频率都可控的正弦交流幅值和频率都可控的正弦交流 有源逆有源逆变变、无源逆、无源逆变变的的概概念和念和区别区别 逆变电路的应用（直流电源、逆变器）逆变电路的应用（直流电源、逆变器） 逆变器的分类（按照相数、输入端电源、逆变器的分类（按照相数、输入端

2、电源、 控制方式分类）控制方式分类） 何谓交流电何谓交流电 3 4.1.2 逆变电路基本原理 1、开关型逆变器基本结构、开关型逆变器基本结构 2、逆变器输出特性、逆变器输出特性 负载 a)b) t S 1 S 2 S 3 S 4 i o u o U d u o i o t1t2 方波、正弦波（特殊控制）方波、正弦波（特殊控制） 图图4-1 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例 负载负载-RL 4 4.1.3 逆变电路分类和特点 电压型电压型逆变电路：直流侧是电压源。逆变电路：直流侧是电压源。 电流型电流型逆变电路：直流侧是电流源。逆变电路：直流侧是电流源。 输出电压输出电压-矩形波，矩形波

3、， 输出电流输出电流-负载阻抗不负载阻抗不 同而不同。同而不同。 图图4-2 全桥电压型逆变电路全桥电压型逆变电路 1、根据直流侧电源性质、根据直流侧电源性质 2、电压型逆变电路的特点、电压型逆变电路的特点 直流侧为电压源或并联直流侧为电压源或并联 大电容，电压基本无脉动。大电容，电压基本无脉动。 R;RL,RC? 5 4.1.3 逆变电路分类和特点 续流二极管作用续流二极管作用 图图4-2 全桥电压型逆变电路全桥电压型逆变电路 阻感负载时需提供无阻感负载时需提供无 功功率，并联反馈二功功率，并联反馈二 极管给交流侧向直流极管给交流侧向直流 侧反馈的无功能量提侧反馈的无功能量提 供通道供通道

4、思考：无思考：无D如何？如何？ 6 3、电流型逆变电路的特点、电流型逆变电路的特点 直流侧串直流侧串大电感大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。，电流基本无脉动，相当于电流源。 交流输出电流为交流输出电流为矩形波矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因 负载不同而不同。负载不同而不同。 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。 电流型逆变电路中，采用电流型逆变电路中，采用半控型器件半控型器件的电路仍应用较多，换流方式有的电路仍应用较多，换流方式有 负载换流负载换流、强迫

5、换流强迫换流。 4.1.3逆变电路分类和特点 图图4-3 电流型三相桥式逆变电路电流型三相桥式逆变电路 7 4.2 换流方式 4.2.1 4.2.1 换流的概念换流的概念 电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也 称为换相。称为换相。 研究换流的主要目的？研究换流的主要目的？-关断关断 例：整流电路器件的换流（换相）例：整流电路器件的换流（换相） 8 4.2.2 换流方式的分类 器件换流（器件换流（Device Commutation） 利用利用全控型器件的自关断能力全控型器件的自关断能力进行换流。进行换流。 在采用在采用IGBT 、电力、电力MOSFE

6、T 、GTO 、GTR等全控等全控 型器件的电路中的换流方式是器件换流。型器件的电路中的换流方式是器件换流。 电网换流（电网换流（Line Commutation） 电网电网提供提供换流电压换流电压的换流方式。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其关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，但不适用于没断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没 有交流电网的无源逆变电路。有交流电网的无源逆变电路。 反压时间反压时间 （可控整流电路）（可控整流电路） 9 4.2.2 换流方式的分类 由由负载负载提供提供换流电压换流电压的换流方式。的

7、换流方式。 负载负载电流电流的的相位超前相位超前于负载于负载电压电压的的 场合，都可实现负载换流，如电容性场合，都可实现负载换流，如电容性 负载和同步电动机。负载和同步电动机。 图图4-2a4-2a是基本的负载换流逆变电路，是基本的负载换流逆变电路， 整个负载工作在接近整个负载工作在接近并联谐振状态并联谐振状态而而 略呈略呈容性容性，直流侧串大电感，工作过，直流侧串大电感，工作过 程可认为程可认为i id d基本没有脉动。基本没有脉动。 t t t t O O O O i i t1 b) o uo io io uVT iVT1iVT4 iVT 2 iVT 3 u VT1 u VT4 图图4-4

8、 负载换流电路及其工作波形负载换流电路及其工作波形 负载换流（负载换流（Load Commutation） 10 4.2.2 换流方式的分类 t t t t O O O O i i t1 b) o uo i o io uVT iVT 1 iVT 4 iVT2iVT3 u VT 1 uVT 4 负载对基波的阻抗大负载对基波的阻抗大 而对谐波的阻抗小，所而对谐波的阻抗小，所 以以u uo o接近接近正弦波正弦波。 触发触发VTVT2 2、VTVT3 3的时刻的时刻 t t1 1必须在必须在u uo o过零前并留有过零前并留有 足够的裕量，才能使换足够的裕量，才能使换 流顺利完成。流顺利完成。 11

9、 设置设置附加的换流电路附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施，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强迫换流。加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 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：由换流电路内电容直接提供 换流电压。换流电压。 电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的电容和电：通过换流电路内的电容和电 感的耦合来提供换流电压或换流电流。感的耦合来提供换流电压或换流电流。 4.2.2 换流方式的分类 强迫换

10、流（强迫换流（Forced Commutation） 12 4.2.2 换流方式的分类 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流 图图4-3 直接耦合式强迫直接耦合式强迫 换流原理图换流原理图 原电路电流流向？原电路电流流向？ 当晶闸管当晶闸管VT处于通态时，预处于通态时，预 先给电容充电。当先给电容充电。当S合上，就可合上，就可 使使VT被施加反压而关断。被施加反压而关断。 也叫电压换流。也叫电压换流。 13 4.2.2 换流方式的分类 晶闸管上的反向电压晶闸管上的反向电压-二极管压降二极管压降 图图4-4 电感耦合式强迫电感耦合式强迫 换流原理图换流原理图 电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流

11、 LC振荡振荡 图图4-4a中晶闸管在中晶闸管在LC振荡振荡正半波正半波 关断；图关断；图4-4b中晶闸管在中晶闸管在LC振荡振荡 负半波负半波关断，电容电压极性？关断，电容电压极性？ 也叫也叫电流换流电流换流。 14 4.2.2 换流方式的分类 换流方式总结换流方式总结 器件换流器件换流只适用于只适用于全控型器件全控型器件，其余三种方式，其余三种方式 主要是针对主要是针对晶闸管晶闸管而言的。而言的。 器件换流和强迫换流属于器件换流和强迫换流属于自换流自换流，电网换流和，电网换流和 负载换流属于负载换流属于外部换流外部换流。 15 4.3 单相电压型逆变电路的工作原理 4.3.1 4.3.1

12、半桥逆变电路的实现原理半桥逆变电路的实现原理 a) t t O O ON b) o Um - -Um io t1t2 t3t4 t5t6 V1V2V1V2 VD1VD2VD1VD2 图图4-5 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 结构：在直流侧接有两个结构：在直流侧接有两个 相互串联的足够大的相互串联的足够大的电容电容 工作原理工作原理 1、V V1 1和和V V2 2的栅极信号特点的栅极信号特点 2、输出电压、输出电压u uo o 3、阻感负载的电流特征阻感负载的电流特征 4 4、续流二极管、续流二极管 5 5、中点存在、中点存在 地位：基础地位：基础 16

13、 4.3.2 4.3.2 全桥全桥逆变电路的实现原理逆变电路的实现原理 图图4-6 全桥逆变电路全桥逆变电路 调压（有效值）调压（有效值）-U Ud d 结构：结构：H桥桥-两个半桥两个半桥 特点：特点：交替导通交替导通180 输出特征：方波；幅值输出特征：方波；幅值Um 死区死区 17 V14 V32 电流波形？电流波形？ 18 两桥臂协调控制，开两桥臂协调控制，开 关周期为输出电压周关周期为输出电压周 期，占空比为期，占空比为0.50.5 控制和输出波形控制和输出波形 oANBN vvv 1 4 od VV 输出电压输出电压 基波幅值基波幅值 A T on A T on B T on B

14、T on 1 1/ s Tf 4.3.2 4.3.2 全桥全桥逆变电路的实现原理逆变电路的实现原理 19 方波控制方式下方波控制方式下, 优点是器件开关频率低，适用于优点是器件开关频率低，适用于大功大功 率场合率场合。 缺点是谐波含量高，且逆变器缺点是谐波含量高，且逆变器不能控制输出电压幅值不能控制输出电压幅值。 4.3.2 4.3.2 全桥全桥逆变电路的实现原理逆变电路的实现原理 矩形波矩形波uo展开展开 ttt U u 5sin 5 1 3sin 3 1 sin 4 d o d d o1m 27. 1 4 U U U 其中基波的幅值其中基波的幅值Uo1m 基波有效值基波有效值U Uo1 o

15、1 d d 1o 9 . 0 22 U U U 20 交变电压 移相调压方式移相调压方式 a) b) 输出电压是正负各为输出电压是正负各为 的脉的脉 冲。冲。 工作过程：工作过程： 输出电压分别经过输出电压分别经过Ud、0、 -Ud、 结论：结论：改变改变 就可调节输出就可调节输出 电压电压。 4.3.2 4.3.2 全桥全桥逆变电路的实现原理逆变电路的实现原理 图图4-10 移相调压逆变电路移相调压逆变电路 驱动方式驱动方式 V1，V2互补；互补； V3，V4互补互补 ；V3、V4分别分别 比比V2、V1的前移的前移180- 。 21 图图4-11 带中心抽头变带中心抽头变 压器的逆变电路压

16、器的逆变电路 交替驱动交替驱动两个两个IGBT，经变压，经变压 器耦合给负载加上矩形波交流电器耦合给负载加上矩形波交流电 压。压。 两个二极管的作用也是提供两个二极管的作用也是提供 无功能量的反馈通道无功能量的反馈通道。 Ud和负载参数相同，变压器和负载参数相同，变压器 匝比为匝比为1：1：1时，时，uo和和io波形及波形及 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。 与全桥电路比较？与全桥电路比较？ 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 22 4.4 三相电压型逆变电路的工作原理 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

17、。 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180导电方式导电方式。 同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始 导电的角度差导电的角度差120 ，任一瞬间有，任一瞬间有三个桥臂三个桥臂同时导通。同时导通。 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵纵 向换流向换流。 4.4.1 4.4.1 逆变电路的基本结构逆变电路的基本结构 23 图图4-12 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路 4.4.1 4.4.1 逆变电路的基本结构逆变电路的基本结构 假想中点假想中点 1

18、80导电方式导电方式 120角度差角度差 纵向换流纵向换流。 24 桥臂桥臂1导导-uUN=Ud/2 桥臂桥臂4导通导通-uUN=-Ud/2, uUN-幅值为幅值为Ud/2的矩形的矩形 波波 图图4-15 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 U相输出相输出 V、W两相的情况两相的情况 和和U相类似。相类似。 UVUNVN uuu UVUNVN uuu 4.4.2 4.4.2 逆变电路的工作波形分析逆变电路的工作波形分析 25 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN u UN u UV

19、 i U i d u VN u WN u NN U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 图图4-15 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 负载线电压负载线电压uUV、uVW、uWU 可由下式求出可由下式求出 UNWNWU WNVNVW VNUNUV uuu uuu uuu 负载各相的相电压分别为负载各相的相电压分别为 NN WNWN NN VNVN NN UNUN uuu uuu uuu 4.4.2 4.4.2 逆变电路的工作波形分析逆变电路的工作波形分析 26 4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路 3/ t O t O t O t

20、 O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN u UN u UV i U i d u VN u WN u NN U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 图图4-10 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 把上面各式相加并整理可求得把上面各式相加并整理可求得 )( 3 1 )( 3 1 WNVNUN WN VN UN NN uuuuuuu 设负载为三相对称负载，则有设负载为三相对称负载，则有 uUN+uVN+uWN=0，故可得，故可得 )( 3 1 WN VN UNNN uuuu 负载参数已知时，可

21、以由负载参数已知时，可以由uUN的波形的波形 求出求出U相电流相电流iU的波形，图的波形，图4-10g给出的给出的 是阻感负载下时是阻感负载下时iU的波形。的波形。 把桥臂把桥臂1、3、5的电流加起来，就可的电流加起来，就可 得到直流侧电流得到直流侧电流id的波形，如图的波形，如图4-10h所所 示，可以看出示，可以看出id每隔每隔60脉动一次。脉动一次。 UNUN NN uuu 27 4.4.2 4.4.2 逆变电路的工作波形分析逆变电路的工作波形分析 输出线电压输出线电压uUV展开成傅里叶级数展开成傅里叶级数 n k tn n t U ttttt U u sin)1( 1 sin 32 1

22、3sin 13 1 11sin 11 1 7sin 7 1 5sin 5 1 sin 32 d d UV 16 kn 输出线电压有效值输出线电压有效值UUV为为 d 2 0 2 UVUV 816.0d 2 1 UtuU 基波幅值基波幅值UUV1m d d UV1m 1 .1 32 U U U dd UV1m UV1 78. 0 6 2 UU U U 基波有效值基波有效值UUV1 基本的数量关系基本的数量关系 28 n tn n t U ttttt U u sin 1 sin 2 13sin 13 1 11sin 11 1 7sin 7 1 5sin 5 1 sin 2 d d UN 16 kn

23、 负载相电压有效值负载相电压有效值UUN为为 d 2 0 2 UNUN 471.0d 2 1 UtuU 基波有效值基波有效值UUN1 d d UN1m 637.0 2 U U U d UN1m UN1 45.0 2 U U U 防直通防直通-“先断后通先断后通” 4.4.2 4.4.2 逆变电路的工作波形分析逆变电路的工作波形分析 基波幅值基波幅值UUN1m 相电压相电压 29 UUV7 =2 Ud/（3.147 ）=22.3（V） 例：三相桥式电压型逆变电路，例：三相桥式电压型逆变电路，180导电方式，导电方式，Ud=200V。 试求输出相电压的基波幅值试求输出相电压的基波幅值UUN1m和有效值和有效值UUN1、输出线电、输出线电 压的基波幅值压的基波幅值UUV1m和有效值和有效值UUV1、输出线电压中、输出线电压中7次谐波的次谐波的 有效值有效值UUV7。 解：解： 2 d UN