第3章 逆变电路及应用2

1、浙江水利水电专科学校电气工程系电力电子技术电子教案电力电子技术电子教案第3章 逆变电路及应用浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第2 2页页目录目录3.1 3.1 有源逆变有源逆变 3.1.1 3.1.1 逆变的概念逆变的概念 3.1.2 3.1.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路 3.1.3 3.1.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制3.2 3.2 无源逆变无源逆变 3.2.1 3.2.1 换流方式换流方式 3.2.2 3.2.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 3.2.3 3.2.3 电流型逆变电路电流型逆变电路 3.2.4 3.

2、2.4 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWMPWM）型逆变电路型逆变电路浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第3 3页页3.2 3.2 无源逆变无源逆变无源逆变，无源逆变，也称也称变频器。变频器。它是将直流电变换它是将直流电变换成频率固定或可调，同时输出电压也可调节成频率固定或可调，同时输出电压也可调节的交流电提供给负载。的交流电提供给负载。变频器：交交变频和交直交变频两种。变频器：交交变频和交直交变频两种。n交直交变频由交直变换和直交变换两部交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。分组成，后一部分就是逆变。浙江水利水电专科学校电气工程系

3、第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第4 4页页无源逆变电路的应用无源逆变电路的应用n蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向蓄电池、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。交流负载供电时，需要逆变电路。n交流电机调速用变频器、不间断电源、中频交流电机调速用变频器、不间断电源、中频感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。逆变电路。浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第5 5页页3.2.1 3.2.1 换流方式换流方式 3.2.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 （

4、以单相桥式逆变电路为例）以单相桥式逆变电路为例）S S1 1-S-S4 4是桥式电路的是桥式电路的4 4个臂，由电力电子器件及个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。辅助电路组成。S1S1、S4S4闭合，闭合，S2S2、S3S3断开时，负载电压断开时，负载电压uouo为为正；正；S1S1、S4S4断开，断开，S2S2、S3S3闭合时，闭合时，uouo为负，为负，把直流电变成了交流电。把直流电变成了交流电。图图3-5 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2TdUdUo浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第

5、第6 6页页3.2.1.1 3.2.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流io和和uo的波形相同，相位的波形相同，相位也相同。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，波形也不同（波形也不同（图图7-17-1b b）改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。改变输入直流电压改变输入直流电压U U，可改变输出交流电压。，可改变输出交流电压。浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第7 7页页3.2.1.2 3.2.1.2 换流方式分类换流方式分

6、类 1、什么是换流？、什么是换流？ 换流换流（CommutationCommutation）电流从一个支路向另电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称一个支路转移的过程，也称换相换相。换流过程总是伴随着开关器件的开通与关断。换流过程总是伴随着开关器件的开通与关断。研究换流方式主要是研究如何使器件开通与关研究换流方式主要是研究如何使器件开通与关断。断。浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第8 8页页 2、换流方式的分类 （1） 器件换流器件换流（Device CommutationDevice Commutation）利用全控型器件的自关断能力进行换流。利

7、用全控型器件的自关断能力进行换流。 （2) 电网换流电网换流（Line CommutationLine Commutation）由电网提供换流电压称为电网换流。由电网提供换流电压称为电网换流。 (3) (3) 负载换流负载换流（Load CommutationLoad Commutation）由负载提供换流电压称为负载换流。由负载提供换流电压称为负载换流。浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第9 9页页 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，电流型逆变电路采用晶闸管，电流型逆变电路负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近负载：电阻

8、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，直流侧串入大电感流侧串入大电感Ld， id基本没有脉动基本没有脉动ttttRLCOOOOiit1b)a)图5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4图3-6 负载换流电路及其工作波形 浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第1010页页工作过程工作过程（工作波形图（工作波形图7-27-2b b）4 4个臂的切换仅使电流路

9、径改变，负载电流基本呈矩形波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，抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦波形接近正弦t1前：前：VTVT1 1、VTVT4 4通，通，VTVT2 2、VTVT3 3断，断，uo、io均为正，均为正，VTVT2 2、VTVT3 3电压即为电压即为uot1时：触发时：触发VTVT2 2、VTVT3 3使其开通，使其开通，uo加到加到VTVT4 4、VTVT1 1上使其承上使其承受反压而关断，电流从受反压而关断，电流从VTVT1 1、VT

10、VT4 4换到换到VTVT3 3、VTVT2 2t1必须在必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成成浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第1111页页 (4) (4) 强迫换流强迫换流（Forced Commutation）设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫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迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。换流。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提由换流电路内电容提供换流电压供换流电压SVT负载+-图5-3图3

11、-7 直接耦合式强迫换流原理图浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第1212页页电压型逆变电路的特点电压型逆变电路的特点n直流侧为电压源或并联大电容，直流直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。侧电压基本无脉动。n输出电压为矩形波，输出电流因负载输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。阻抗不同而不同。n阻感负载时需提供无功反馈通道。为阻感负载时需提供无功反馈通道。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供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。通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。3.2.2 3.2.2 电压型逆变电路电压型逆变

12、电路+-CRL图5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio图3-8 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第1313页页3.2.2.1 3.2.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路1 1半桥逆变电路半桥逆变电路电路结构电路结构 工作原理工作原理nV V1 1和和V V2 2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，互补互补nu uo o为矩形波，幅值为为矩形波，幅值为U Um m= =U Ud d/2/2+-RLa)ttOOONb)图5-6UdiouoV1V2VD

13、1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2图3-9 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第1414页页ni io o波形随负载而异，感性负载时，波形随负载而异，感性负载时，( (图图3-9b)3-9b)nV V1 1或或V V2 2通时，通时，i io o和和u uo o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nVDVD1 1或或VDVD2 2通时，通时，i io o和和u uo o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nVDVD

14、1 1、VDVD2 2称为反馈二极管，能使称为反馈二极管，能使i io o连续，又称续流二极管连续，又称续流二极管单相全桥、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浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第1515页页2 2全桥逆变电路全桥逆变电路l 电路结构及工作情况电路结构及工作情况( (图图3-8)3-8)，两个半桥电路的组合，两个半桥电路的组合1 1和和4 4一对，一对，2 2和和3 3另一对，成对桥臂同时导另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通通，两对交替各导通180180u uo o波形同图波形同

15、图3-9b3-9b半桥电路的半桥电路的u uo o，幅值高出一幅值高出一倍倍U Um m= =U Ud di io o波形和图波形和图3-9b3-9b中的中的i io o相同，幅值增加一倍相同，幅值增加一倍单相逆变电路中应用最多的单相逆变电路中应用最多的浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第1616页页 3 3、输出电压定量分析（全桥逆变电路）、输出电压定量分析（全桥逆变电路） 将将u uo o展开成傅里叶级数展开成傅里叶级数 ( (3-10)3-10) 基波幅值基波幅值 ( (3-11)3-11)基波有效值基波有效值 ( (3-12)3-12) 当当u

16、uo o为正负各为正负各180180时，要改变输出电压有效值只能改变时，要改变输出电压有效值只能改变U Ud d来实现。来实现。tttUu5sin513sin31sin4doddo1m27. 14UUUdd1o9 . 022UUU浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第1717页页4.4.移相调压（图移相调压（图3-103-10）可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压移相调压各栅极信号为各栅极信号为180180正偏，正偏，180180反偏，且反偏，且V V1 1和和V V2 2互补，互补，V V3 3和和

17、V V4 4互补关系不变互补关系不变V V3 3的栅极信号只比的栅极信号只比V V1 1落后落后 ( 0( 0 180 u uc c时使时使V4V4通，通，V3V3断，断，u uo o= =U Ud d当当u ur r u uc c时使时使V3V3断，断，V4V4通，通，u uo o=0=0当当u ur r u uc c时，给时，给V V1 1和和V V4 4导通信号，给导通信号，给V V2 2和和V V3 3关断信号关断信号如如i io o00，V V1 1和和V V4 4通，如通，如i io o00，VDVD1 1和和VDVD4 4通，通， u uo o= =U Ud d浙江水利水电专科学

18、校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第4848页页当当u ur r u uc c时，给时，给V V2 2和和V V3 3导通信号，给导通信号，给V V1 1和和V V4 4关断信号关断信号如如i io o000，VDVD2 2和和VDVD3 3通，通，u uo o=-=-U Ud d 单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制极性调制图6-6urucuOtOtuouofuoUd- Ud图3-24 双极性PWM控制方式波形 浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第4949页页l 双极性双极性

19、PWMPWM控制方式控制方式（三相桥逆变）（三相桥逆变）三相的三相的PWMPWM控制公用三角波载波控制公用三角波载波u uc c三相的调制信号三相的调制信号u urUrU、u urVrV和和u urWrW依次相差依次相差120120图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud图3-25 三相桥式PWM型逆变电路 浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第5050页页l U U相的控制规律相的控制规律当当u urUrU u uc c时，给时，给V V1 1导通信号，给导通信号，给

20、V V4 4关断信号，关断信号，u uUNUN= =U Ud d/2/2当当u urUrU EM b）两电动势同极性EM EG c）两电动势反极性，形成短路浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第5757页页图图3-2 单相全波电路的整流和逆变单相全波电路的整流和逆变a)b)图2 -45R+-电能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEMiVT1iVT2iVT1iVT2iVT1iVT2iVT2id=iVT +iVT12i

21、d=iVT +iVT12iVT1iVT2iVT1 02 2浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第5858页页TabRLu2i2udidVD3VD4VD1VD2VT1TabRLu2i2udidVT1VT2VD3VD4VDRTu2VD3VD4VT1VT2RLidud不能实现有源逆变的电路不能实现有源逆变的电路浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第5959页页图图3-3 3-3 三相桥式有源逆变电压波形三相桥式有源逆变电压波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubauc

22、aucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udtOtO =4 =3 =6 =4 =3 =6t1t3t2浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第6060页页图图3-4 3-4 交流侧电抗对逆变换相过程的影响交流侧电抗对逆变换相过程的影响浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第6161页页图图3-5 3-5 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2TdUdUo浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第62

23、62页页图3-6 负载换流电路及其工作波形 ttttRLCOOOOiit1b)a)图5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第6363页页图图3-7 3-7 直接耦合式强迫换流原理图直接耦合式强迫换流原理图 SVT负载+-图5-3浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第6464页页图图3-8 3-8 电压型逆变电路举例电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）（全桥逆变电路） +-CRL图5-5UdV1V2V3V4

24、VD1VD2VD3VD4uoio浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第6565页页图图3-9 3-9 单相半桥电压型逆变电单相半桥电压型逆变电路及其工作波形路及其工作波形 +-RLa)ttOOONb)图5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第6666页页图图3-10 3-10 单相全桥逆变电路的移单相全桥逆变电路的移相调压方式相调压方式 +-CRLtOtOtOtOtOa)b)UdV1V2uo

25、ioV3V4VD1VD2VD3VD4uoiot1t2t3iouo1V4V1V3VD2VD3VD3V2V4VD2V1VD4VD1V4V1gu2gu3gu4gu1VD4VD浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第6767页页图图3-11 3-11 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路 NN+-UVW图5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第6868页页图图3-12 3-12 电压型电压型三相桥式逆变电三相桥式逆变电路的工作波形路的工作波形 t

26、OtOtOtOtOtOtOtO图5-10a)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第6969页页图图3-13 3-13 可工作于再生状态的电压型可工作于再生状态的电压型逆变电路逆变电路dU电电动动机机负负载载交交流流电电源源浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第7070页页图图3-14 3-14 电流型三相桥式逆变电路电流型三相桥式逆变电路 UVW图5-11idUdVT1VT2VT3VT4VT5VT6浙江水利水电专科学校

27、电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第7171页页图图3-15 3-15 单相桥式电流型（并联单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路谐振式）逆变电路 ABCRL图5-12LdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4uoio浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第7272页页图图3-15 3-15 并联谐振并联谐振式逆变电路工作波式逆变电路工作波形形 tOtO图5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4浙江水利水电

28、专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第7373页页图图3-16 3-16 电流型三相桥式逆变电电流型三相桥式逆变电路的输出波形路的输出波形 tOtOtOtO图5-14IdiViWuUViU浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第7474页页图图3-17 3-17 工作于再生状态的电流型逆工作于再生状态的电流型逆变电路变电路dIdU电电动动机机负负载载交交流流电电源源浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第7575页页负载整流逆变负载整流逆变（a）（b）（a）普通电压型交直交变频电路普通电压型交直交变频电路（b）电压型电压型PWM交直交变频电路交直交变频电路图3-18 两种类型的交直交变频电路 浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第7676页页图3-19 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 f (t) (t)tO图6-1a)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)浙江水利水电专科学校电气工程系第第3 3章逆变电路及应用章逆变电路及应用第第7777页页图3-20 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形a)Ob)图6-2