第七章逆变电路

1、 7.1 逆变器的性能指标与分类逆变器的性能指标与分类 如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去，流电逆变成同频率的交流电反送到电网去，2 2）应用：）应用：它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到l负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交l流电供给负载，流电供给

2、负载，它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源l等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。 （1）谐波系数谐波系数HF（Harmonic Factor） 谐波系数谐波系数HF定义为定义为谐波分量谐波分量有效值有效值同同基波分量基波分量有致值之比，即有致值之比，即 式中式中n=1、2、3，表示谐波表示谐波 次数，次数，n=1时为基波。时为基波。( (7.1.1) )1UUHFn （2 2）总谐波系数）总谐波系数THD（Total Harmonic Distrotion） 4 . 3,2211nn

3、UUTHD( (7.1.2) )（5 5）电磁干扰（电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（）和电磁兼容性（EMC）（3 3）逆变效率逆变效率 （4 4）单位重量的输出功率单位重量的输出功率: :衡量逆变器输出功率密度的指标。衡量逆变器输出功率密度的指标。 总谐波系数表征了一个总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度实际波形同其基波的接近程度。THD定义为定义为 电压型：电压型：电压型逆变器的输人端并接有电压型逆变器的输人端并接有大电容大电容，输入直流电源，输入直流电源为为恒压源恒压源，逆变器将，逆变器将直流电压直流电压变换成变换成交流电压交流电压。 电流型：电流型：电流型逆变器的输入端串接有电

4、流型逆变器的输入端串接有大电感大电感，输入直流电源，输入直流电源为为恒流源恒流源，逆变器将输入的，逆变器将输入的直流电流直流电流变换为变换为交流电流交流电流输出。输出。（1 1）、根据输入直流电源特点分类）、根据输入直流电源特点分类 半桥式半桥式逆变电路；逆变电路； 全桥式全桥式逆变电路；逆变电路； 推挽式推挽式逆变电路；逆变电路； 其他形式：如单管晶体管逆变电路。其他形式：如单管晶体管逆变电路。（2 2）、根据电路的结构特点分类）、根据电路的结构特点分类 负载换流型逆变电路；负载换流型逆变电路； 脉冲换流型逆变电路；脉冲换流型逆变电路； 器件及电网换流型逆变电路。器件及电网换流型逆变电路。（

5、3 3）、根据换流方式分类）、根据换流方式分类（4 4）、根据负载特点分类）、根据负载特点分类 非谐振式逆变电路非谐振式逆变电路 谐振式逆变电路谐振式逆变电路（5 5）、根据输出波形特点分类）、根据输出波形特点分类 正弦波正弦波 方波及其他非正弦波方波及其他非正弦波o 换流换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相换相。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。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。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。1) 器件换流（Devic

6、e Commutation）n 利用全控型器件的自关断能力进行换流。n 在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。2) 电网换流（Line Commutation）n 电网提供换流电压的换流方式。n 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，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。3) 负载换流（Load Commutation）图7-1 负载换流电路及其工作波形 u 由负载提供换流电压的换流方式称o 负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。o 如图是基本的负载换流负载换流电路，4个桥臂均由

7、晶闸管组成。o 整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。o 直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动。o uo接近正弦波接近正弦波。o 注意注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4（Forced Commutation）由换流电路内电容直接提供换流电压直接耦合式强迫换流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电感耦合式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压或反电流的换流方式称为强迫换流强迫换流。 通

8、常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流电容换流。分类o 直接耦合式直接耦合式强迫换流 当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关断。 也叫电压换流电压换流。图7-2直接耦合式强迫换流原理图图7-3 电感耦合式强迫换流原理图 电感耦合式电感耦合式强迫换流 先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压。 也叫电流换流电流换流。o 换流方式总结：n 器件换流适用于全控型器件。n 其余三种方式针对晶闸管。n 器件换流和强迫换流属于自换流。n 电网换流和负载换流属于外部换流。n 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

9、为零，则称为熄灭熄灭。 1、可以做成变频变压电源（可以做成变频变压电源（VVVFVVVF），主要用于交流），主要用于交流电动机调速。电动机调速。 2、可以做成恒频恒压电源（可以做成恒频恒压电源（CVCF），其典型代表为），其典型代表为 不间断电源（不间断电源（UPS）、航空机载电源、机车照明，通信）、航空机载电源、机车照明，通信 等辅助电源也要用等辅助电源也要用CVCF电源。电源。 3、可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电 源等。源等。逆变器的用途十分广泛：逆变器的用途十分广泛：o 以单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理图7-

10、4 逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。n S1、S4闭合闭合，S2、S3断开断开时，负载电压uo为正正。n S1、S4断开断开，S2、S3闭合闭合时，负载电压uo为负负。直流电交流电o 逆变电路最基本的工逆变电路最基本的工作原理作原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。图7-5 逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电阻负载电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。1）逆变电路的分类逆变电路的分类 根据直流侧电源

11、性质的不同根据直流侧电源性质的不同电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电压源电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路Current Source Type Inverter-VSTI直流侧是电流源电流源2）电压型逆变电路的特点电压型逆变电路的特点图7-6 电压型全桥逆变电路 (1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动无脉动,直流回路呈现低阻抗。 (2)输出电压为矩形波矩形波，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反馈二极

12、管。 它由两个导电臂构成，它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件每个导电臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成。和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容的足够大的电容C1和和C2，且，且满足满足C1=C2。设感性负载连。设感性负载连接在接在A、0两点间。两点间。 T1和和T2之间存在死区时之间存在死区时间，以避免上、下直通，在间，以避免上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱死区时间内两晶闸管均无驱动信号。动信号。图图7.7 电压型半桥逆变电路及其电压电流波形电压型半桥逆变电路及其电压电流波形 1.1.电压型单相电压型单相半桥逆变电路结构及波半

13、桥逆变电路结构及波形：形： 在一个周期内，电力晶体管在一个周期内，电力晶体管T1和和T2的基的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。 若负载为阻感负载，设若负载为阻感负载，设t2时刻以前，时刻以前，T1有有驱动信号导通，驱动信号导通，T2截止，则截止，则 u0=Ud/2。 t2时刻关断的时刻关断的T1，同时给，同时给T2发出导通信发出导通信号。由于感性负载中的电流号。由于感性负载中的电流i。不能立即改变不能立即改变方向，于是方向，于是D2导通续流，导通续流，u0=Ud /2 。 t3时刻时刻i。降至零，降至零，D2截止，截止，T2导通，导通，i。开始反向

14、增大，此时仍然有开始反向增大，此时仍然有u0=Ud /2 。 在在t4时刻关断时刻关断T2，同时给，同时给T1发出导通信号，发出导通信号，由于感性负载中的电流由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，。不能立即改变方向，D1先导通续流，此时有先导通续流，此时有u0=Ud /2 ； t5时刻时刻 i。降至零，降至零， T1导通，导通，u0=Ud /2 ； 图图7.8 电压型半桥逆变电路及其电压型半桥逆变电路及其电压电流波形电压电流波形 2.2.电压型单相电压型单相半桥逆变电路工作原理半桥逆变电路工作原理 缓缓冲冲电电感感反反馈馈的的无无功功能能量量 输出输出电压有效值电压有效值为为: 由傅里叶分

15、析，输出由傅里叶分析，输出电压瞬时值电压瞬时值为为: 其中，其中， 为输出电压角频率。为输出电压角频率。 当当 n=1时其时其基波分量的有效值基波分量的有效值为为: 22122/0dTdSOUdtUTUS tnnUundo sin2, 5 , 3, 1 ddOUUU45. 0221(7.3.1)(7.3.2)(7.3.3)sf 2 图图7.9 电压型半桥逆变电路电压型半桥逆变电路及其电压电流波形及其电压电流波形 o 优点优点：电路简单，使用器件少。电路简单，使用器件少。o 缺点缺点：输出交流电压幅值为输出交流电压幅值为Ud/2，且直流，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。侧需两电容器串

16、联，要控制两者电压均衡。o 应用应用：n 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。n 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。桥逆变电路的组合。7.3.2电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 全控型开关器件全控型开关器件T1和和T4构成构成一对桥臂，一对桥臂，T2和和T3构成一对桥臂构成一对桥臂, T1和和T4同时通、断；同时通、断；T2和和T3同时通、同时通、断。断。T1(T4)与与T2(T3)的驱动信号互的驱动信号互补，即补，即T1和和T4有驱动信号时，有驱动信号时，T2和和T3无驱动信号，反之亦然，两对桥无驱动信号

17、，反之亦然，两对桥臂各交替导通臂各交替导通180。图图7.10 电压型单相全桥逆变电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 1、电路结构：、电路结构： 0tTs2期间，期间，T1和和T4有驱动有驱动信号，信号，T1和和T4导通，导通，T2和和T3无驱无驱动 信 号 ，动 信 号 ， T2和和 T3不 导 通 ，不 导 通 ， u0=+Ud。 Ts2tTs期间，期间，T2和和T3有驱有驱动信号导通，动信号导通，T1和和T4无驱动信号无驱动信号截止，截止， u0=Ud 。p 输出的电压是输出的电压是弧度宽的方波电弧度宽的方波电压，幅值为压，幅值为Ud。1 1）电阻负载）电阻

18、负载R时时图图7.11 电压型单相全桥逆变电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 0tTs4，T1和和T4有驱动信号，由有驱动信号，由于电流于电流i0为负值，为负值，在此期间在此期间T T1 1、T T4 4均不均不导通导通，D1、D4导通起负载电流续流作导通起负载电流续流作用，用， u0=+Ud 。图图7.11电压型单相全桥逆变电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 2 2）电感负载）电感负载L时时Ts2t3Ts4期间，期间，T2和和T3有驱动有驱动信号，由于电流信号，由于电流i0为正值，为正值，T2、T3不不导通导通，D2、D3导通起负载

19、电流续流作导通起负载电流续流作用，用， u0=-Ud 。Ts4tTs2期间，电流期间，电流i0为正值，为正值，T1、T4才导通。才导通。3Ts4tTs期间，期间，T2和和T3才导通。才导通。o输出方波电压瞬时值：输出方波电压瞬时值： o输出方波电压有效值：输出方波电压有效值： 基波分量的有效值：基波分量的有效值：图图7.11电压型单相全桥逆变电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 (7.3.6)ddOUUU9 . 0241 dTdsOUdtUTUs 22/01tnnUundo sin4, 5 , 3, 1 (7.3.4)(7.3.5)数量关系数量关系 dwudvwuv

20、UuUuu0dwNdvNduNUuUuUu323131线线电电压压相相电电压压dUVUVUdwtuU816.021202ddmUVUUU1 .1321dmUVUVUUU78.0211 基波幅值：基波幅值： 基波有效值：基波有效值： 基波幅值：基波幅值： 基波有效值：基波有效值：dUNUNUdwtuU471. 021202ddmUNUUU637. 021dmUNUNUUU45. 0211电流型逆变电路主要特特点：点： (1) 直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源。o 直流电源为电流源的逆变电路称为电电流型逆变电路流型逆变电路。 (2) 交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波

21、形和相位 因负载不同而不同。 (3)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，采用半控型器件的电路仍应用较多。换流方式有负载换流、强迫换流（脉冲换流）。 当当T1、T4导通，导通，T2、T3关断关断时，时，I0=Id ；反之，反之，I0=-Id 。 当以频率当以频率f交替切换开关管交替切换开关管T1、T4和和T2、T3时，则在负载上获得时，则在负载上获得如图如图 7.15（b）所示的电流波形。所示的电流波形。 输出电流波形为矩形波，与输出电流波形为矩形波，与电路负载性质无关，而输出电压电路负载性质无关，而输出电压波形由负载性质决定。波形由负载性质决定。 主电

22、路开关管采用自关断器主电路开关管采用自关断器件时，如果其反向不能承受高电件时，如果其反向不能承受高电压，则需在各开关器件支路压，则需在各开关器件支路串入串入二极管二极管。图图7.15 电流型单相桥式电流型单相桥式 逆变电路及电流波形逆变电路及电流波形 1、电路工作原理：、电路工作原理：防反相高压防反相高压恒流大电感恒流大电感其中基波幅值其中基波幅值I01m和基波有效值和基波有效值I01分别为分别为 (7.4.1) (7.4.2) (7.4.3) )5sin513sin31(sin4 tttIido ddmIII27. 1401 ddIII9 . 02401 将图将图7.15（b）所示的电流波形

23、所示的电流波形i0展开成傅氏级数展开成傅氏级数,有有2、电流波形参数计算：、电流波形参数计算： 图图7.16电流型单相桥式电流型单相桥式 逆变电路及电流波形逆变电路及电流波形 导电方式导电方式为为120导通、横向换流方式，导通、横向换流方式，任意瞬间只有任意瞬间只有两个桥臂两个桥臂导通。导通。 导通顺序导通顺序为为T1T2T3T4T5T6，依依次间隔次间隔60，每个桥臂导通，每个桥臂导通120。这样，。这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。个臂导通。 输出电流波形输出电流波形与负载性质无关。与负载性质无关。 输出电压波形输出电压波形由负载的性质

24、决定。由负载的性质决定。图图7.17 电流型三相桥式逆变电电流型三相桥式逆变电路原理图及输出电流波形路原理图及输出电流波形 (7.4.4) 1、工作原理、工作原理: 2、输出电流的基波有效值、输出电流的基波有效值I01和直和直流电流流电流Id的关系式为：的关系式为： ddIII78. 0601 o 将一个正弦波半波电压分成将一个正弦波半波电压分成N等份，等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到如图正弦等份的中点重合，得到如图7.5.1（b）所示的脉冲列。这就是）所示的脉冲列。这就是PWM波波形。正弦波的另外一个半波可以用相形。正弦波的另外一个半波可以用相同的办法来等效。同的办法来等效。o PWM被形的脉冲宽度是按正弦规被形的脉冲宽度是按正弦规律变化，称为律变化，称为SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）波形。）波形。图图7.5.1 SPWM电压等效正弦电压电压等效正弦电压 l 是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅l值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其它所需值相等而