第五章逆变电路

1、电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路复习：复习：第4章 交流电力控制电路和交交变频电路交流变交流第3章 直流斩波电路直流变直流第2章 整流电路交流变直流直流变交流有源逆变有源逆变返回返回电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路 逆变概念逆变概念 逆变逆变与整流相对应，直流电变成交流电与整流相对应，直流电变成交流电v 交流侧接电网，为有源逆变交流侧接电网，为有源逆变v 交流侧接负载，为无源逆变交流侧接负载，为无源逆变第第5章章 逆变电路逆变电路 逆变电路的应用逆变电路的应用v 蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需蓄电池、干电池、太阳能电池等直流

2、电源向交流负载供电时，需要逆变电路要逆变电路v 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路装置的核心部分都是逆变电路逆变与变频逆变与变频v变频电路：交交变频和交直交变频两种变频电路：交交变频和交直交变频两种v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，后一部分就是逆变特别提示：特别提示：本内容是下学期电力拖动自动控制系统中交流调速的基本知识。本内容是下学期电力拖动自动控制系统中交流调速的基本知识。电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电

3、 路路5.1 换流方式换流方式逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理换流方式分类换流方式分类5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路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5 5 逆逆 变变 电电 路路5.1 5.1 换流换流方式方式 5.1.1 5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路S1S4是桥式电路的是桥式电路的4个臂，个臂，由电力电子器件及辅助电由电力电子器件及辅助电路组成路组成v改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率v电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同v阻

4、感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同直流电交流电+ -+ - + - + 电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类 换流：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。换流：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。 开通：适当的控制极驱动信号就可使其开通关断：全控型器件可通过控制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电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路1. 1. 器件换流器件换流利用全控型器件的自关断能

5、力进行换流2. 2. 电网换流电网换流可控整流电路三相交流调压电路 电网换流采用相控方式的交交变频电路由电网提供换流电压IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR只要把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，也不需要为换流附加任何元件。但不适用于没有交流电网的直流斩波和无源逆变电路电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路3. 3. 负载换流负载换流负载为电容性负载时负载为电容性负载时 负载为同步电动机时负载为同步电动机时由负载提供换流电压由负载提供换流电压4个桥臂均由晶闸管组成负载是电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略

6、呈容性。+-负载电流相位超前于负载电压的场合负载电流相位超前于负载电压的场合实现实现负载换流负载换流电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路4. 4. 强迫换流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向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电压或反向电流的换流方式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换流电压晶闸管晶闸管VT通态时，预先给电容通态时，预先给电容C充充电。合上开关电。合上开关S，就可使晶闸管被施就可使晶闸管被施加反向电压而关断。加反向电压而关断。SVT负载负载+C电力电子技术电力电子技术5 5 逆

7、逆 变变 电电 路路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电容和电感的耦合提供换流电压或换流电流CL+VDSCVT负载负载+LSVT负载负载VDb)a)图图a a中，接通中，接通S S后，后，LCLC振荡电流振荡电流将反向流过将反向流过VTVT，与与VTVT的负载电的负载电流相减，直到流相减，直到VTVT的合成正向电的合成正向电流减至零后，再流过二极管流减至零后，再流过二极管VDVD。L CL C 振 荡 第振 荡 第一 个 半 周一 个 半 周期内关断期内关断L CL C 振 荡 第振 荡 第二 个 半 周二 个 半 周期内关断期内关断图图b b中，接通中，接通S S后，后，LC

8、LC振荡电流先正向流振荡电流先正向流过过VTVT并和并和VTVT中原有的负载电流叠加，经过中原有的负载电流叠加，经过半个振荡周期振荡电流反向流过半个振荡周期振荡电流反向流过VTVT，直到直到VTVT的合成正向电流减至零后，再流过二极的合成正向电流减至零后，再流过二极管管VDVD。电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流电压换流电压换流电流换流电流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 反向电压的换流器件换流 只适用于全控型器件电网换流负载换流 针对晶闸管强迫换流电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路器件换流强迫换流

9、因器件或变流器自身原因引起换流自换流电网换流负载换流借助于外部手段（电网电压或负载电压）换流外部换流自换流逆变电路自换流逆变电路 采用自换流方式逆变的电路外部换流逆变电路外部换流逆变电路 采用外部换流方式逆变的电路熄灭熄灭 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 电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路电流型逆变电路（电流源型逆变电路）电压型逆变电路（电压源型逆变电路）直流侧是电压源直流侧是电流源5.2 5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 逆变电路按其直流电源性质不同分为两种逆变电路按其直流电源性质不同分为两种逆变电路按输出电压相数分为逆变电路按输

10、出电压相数分为单相逆变器单相逆变器三相逆变器三相逆变器电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路5.2.1 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 电压型逆变电路的特点：电压型逆变电路的特点：(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 (2)输出电压为矩形波，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二极管。电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路1 1半桥逆变电路半桥逆变电路半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个

11、相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点是直流电源的中点。负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路 V1或V2通时，负载电流io和电压uo同方向，直流侧向负载提供能量。 VD1或VD2通时，io和uo反向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈。输出输出电压电压uo为矩形波，幅值为为矩形波，幅值为Um=Ud/2 输出电流输出电流io波形随负载情况而异。波形随负载情况而异。VD2V2VD1两桥臂交替各导通两桥臂交替各导通180 电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路负载电感将

12、其吸收的无功能量反馈回直流侧，反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。二极管反馈二极管反馈二极管续流二极管续流二极管负载向直流侧反馈能量的通道使负载电流连续u可控器件是不具有门极可关断能力的晶闸管时，须附加强迫换流电路才能正常工作。电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路半桥逆变电路特点半桥逆变电路特点 优点 简单，使用器件少 缺点 输出交流电压幅值Um仅为Ud/2，直流侧需两电容器串联，工作时要控制两个电容器电压均衡半桥逆变电路常用于几kW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电力电子技术电力电子技术5 5

13、逆逆 变变 电电 路路2 2全桥逆变电路全桥逆变电路电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2和3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通两对交替各导通180180Um=UdVD3、VD2V3 、V2.电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路 tsintsintsinUu5513314doddo1m2714U.UU dd1o9022U.UU 输出电压定量分析输出电压定量分析 u uo o展开成傅里叶级数：展开成傅里叶级数： 基波幅值基波幅值 基波有效值基波有效值 以上以上u uo o为正负各为正负各180180，要改变输出电压有效值只能

14、改变，要改变输出电压有效值只能改变Ud来来实现实现 对半桥逆变电路也适用，对半桥逆变电路也适用，将式中的将式中的Ud换成换成Ud /2还可采用移相的方式来调节输出电压还可采用移相的方式来调节输出电压移相调压移相调压。电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路采用移相方式调节逆变电路的输出电压采用移相方式调节逆变电路的输出电压实际就是调节输出电压脉冲的宽度实际就是调节输出电压脉冲的宽度移相调压移相调压 各各IGBT栅极信号为栅极信号为180正偏，正偏，180反偏，且反偏，且V1和和V2栅极信号互补，栅极信号互补，V3和和V4栅极信号互补栅极信号互补 V3的基极信号不是比的基极信号不是

15、比V1落后落后180，而，而是只落后是只落后 ( 0 180) V3、V4的栅极信号分别比的栅极信号分别比V2、V1的前的前移移180- 输出电压输出电压uo是正负各为是正负各为 的脉冲的脉冲电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路tOtOtOtOtOq quG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iououo成为正负各为成为正负各为 的脉冲，改变的脉冲，改变 即可调节输出电压有效值。即可调节输出电压有效值。 u在在纯电阻负载时，纯电阻负载时，VD1VD4不再导通，不起续流作用，不再导通，不起续流作用，uo为零的期间，为零的期间，4个桥臂均不能导通，负载没有电流。个桥臂均不能导

16、通，负载没有电流。V1、V4V1 、 VD3VD3、VD2V2、V3.电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，采用三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，采用IGBTIGBT作为开关作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成。器件的电压型三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成。l 电压型三相桥式逆变电电压型三相桥式逆变电路也是路也是180180导电方式导电方式l 每桥臂导电角度每桥臂导电角度180180，同一相上下两臂交替导电，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度依次各相开始导电的角度依次相差相差120

17、 120 l 在任一瞬间将有三个在任一瞬间将有三个桥臂同时导通桥臂同时导通l 每次换流都是在同一每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也相上下两臂之间进行，也称为称为纵向换流纵向换流5.2.2 5.2.2 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5 5 逆逆 变变 电电 路路 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu负载线电压负载线电压负载相电压负载相电压NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu)uuu()uuu(uWNVNUN WN VN UN NN 3131三相对称负载三相对称负载电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路

18、路)uuu(u WNVN UNNN 31NNUNUNuuu 桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的。电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路 定量分析定量分析v 负载线电压负载线电压w 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 nktnsin)(ntsinUtsintsintsintsintsinUu1132131311111177155132ddUV16 kn式中， ，k为自然数电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路w 输出线电压有效值输出线电压有效

19、值w 基波幅值基波幅值w 基波有效值基波有效值d202UVUV8160d21U.tuU ddUV1m1132U.UU ddUV1mUV178062U.UUU 问题问题: :负载相电压的展开式、有效值、基波幅值、基波有效值？电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路复习：复习：电压型逆变电路的特点：电压型逆变电路的特点：(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 (2)输出电压为矩形波，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二极管。电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路

20、路 直流电源为电流源的逆变电直流电源为电流源的逆变电路路电流型逆变电路电流型逆变电路 一般在直流侧串联大电感，电一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流流脉动很小，可近似看成直流电流源电流源 交流侧电容用于吸收换流时负交流侧电容用于吸收换流时负载电感中存贮的能量载电感中存贮的能量 应用：在经常启、制动和正反应用：在经常启、制动和正反转变频控制系统中，得到了更转变频控制系统中，得到了更广泛的应用。广泛的应用。5.3 5.3 电流型逆变电路电流型逆变电路 电流型三相桥式电流型三相桥式逆变电路逆变电路电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路 电流型逆变电路主要特点电流型逆变

21、电路主要特点 (1)(1) 直流侧串大电感，相当于电流源直流侧串大电感，相当于电流源 (2) (2) 交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同载不同而不同 (3) (3) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器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件反并联二极管v电流型逆变电路中，采用半电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多控型器件的电路仍应用较多v换流方式有负载换流、强迫换流方式有负载换流、强迫换流换流(4)(4) 容易实现四象限运行容易实现四象限运行(5)(5) 由于可以使用电流环控制电流，响应

22、速度快，动态性能好，由于可以使用电流环控制电流，响应速度快，动态性能好，更适合电动机频繁启、制动，正反转运行。更适合电动机频繁启、制动，正反转运行。电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路5.3.1 5.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路5.3.2 5.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路5.3 5.3 电流型逆变电路电流型逆变电路大多采用桥式电路，利大多采用桥式电路，利用负载谐振原理换流，用负载谐振原理换流，称为并联谐振逆变器。称为并联谐振逆变器。多用于金属熔炼、淬多用于金属熔炼、淬火的中频加热电源。火的中频加热电源。电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变

23、 电电 路路1) 1) 电路电路由四个桥臂构成，每个桥臂由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的用来限制晶闸管开通时的d di i/d/dt t5.3.1 5.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 1 1、4 4和和2 2、3 3以以1000-25001000-2500HzHz的中的中频轮流导通，可得到中频交流电频轮流导通，可得到中频交流电Ud中频炉，为一个感应线圈工作方式为工作方式为负载换相负载换相电容电容C和和L 、R构成并联谐振电路构成并联谐振电路因晶闸管交替触发频率接近负载电路谐振频率，故负载对外加因晶闸管交替触发频率接

24、近负载电路谐振频率，故负载对外加矩形波电压的基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，输出电压波形是矩形波电压的基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，输出电压波形是很好的中频很好的中频正弦波正弦波。l输出电流波形接近输出电流波形接近矩形波矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波远小于基波电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路一个周期内有两个导通阶段和一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段两个换流阶段2) 2) 工作分析工作分析vt2之前之前：VT1和和VT4稳定导通稳定导通阶段阶段，i=Id，t2时刻前在时刻前在C上上建立了左正右负的电压建立了左正右负的电压

25、t2t4：t2时触发时触发VT2和和VT3开通，开通，进入进入换流阶段换流阶段。LT使使VT1、VT4不能立刻关断，电不能立刻关断，电流有一个减小过程。流有一个减小过程。VT2、VT3电流电流有一个增大过程。有一个增大过程。4个晶闸管全部导通，负载电容电个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电压经两个并联的放电回路同时放电:LT1、VT1、VT3、LT3到到C；LT2、VT2、VT4、LT4到到C。电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路 io在在t3时刻，即时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，时刻过零，t3时刻大体位于时刻大体位于t2和和t4的中点。的中点。

26、t=t4时，时，VT1、VT4电流减至零而电流减至零而关断，换流阶段结束。关断，换流阶段结束。 t4t2= t 称为换流时间。称为换流时间。保证晶闸管的可靠关断保证晶闸管的可靠关断晶闸管需一段时间才能恢复晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还正向阻断能力，换流结束后还要使要使VT1、VT4承受一段反压承受一段反压时间时间t。t= t5- t4应大于晶闸管的关断应大于晶闸管的关断时间时间tq。电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路t为触发引前时间为触发引前时间 io超前于超前于uo的时间为的时间为 表示为电角度表示为电角度 是负载的功率因数角；是负载的功率因数角；为电

27、路工作角频率；为电路工作角频率；、分别是分别是t、t对应的电角度。对应的电角度。ttt ttt2 22tt为保证为保证可靠换流可靠换流应在应在uo过零前过零前t= t5- t2时刻触发时刻触发VT2、VT3电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路脉动频率为交流输出脉动频率为交流输出电压频率的电压频率的2倍倍缓冲无功能量缓冲无功能量电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路3) 3) 数量分析数量分析 忽略换流过程，忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数可近似成矩形波，展开成傅里叶级数 基波电流有效值基波电流有效值 负载电压有效值负载电压有效值Uo和直流电压

28、和直流电压Ud的关系（忽略的关系（忽略Ld的损耗，忽的损耗，忽略晶闸管压降）略晶闸管压降） tsintsintsinIi5513314dodd1o9024I.II cosU.cosUUddo11122电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式自励方式固定工作频率的控制方式称为他励方式他励方式自励方式存在起动问题，解决方法：v先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式v附加预充电起动电路电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路5.3.2 5.3.2 三相电流型逆变电路

29、三相电流型逆变电路 1) 1) 电路分析电路分析 基本工作方式是基本工作方式是120120导电方式导电方式每个臂一周期内导电每个臂一周期内导电120120，每个，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通，时刻上下桥臂组各有一个臂导通，换流方式为换流方式为横向换流横向换流。2) 2) 波形分析波形分析 输出电流波形和负载性质无关，输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各正负脉冲各120120的矩形波。的矩形波。 输出电流和三相桥整流带大电输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。谐波分析表达式也相同。 输出线电压波形和负载性质有输出线电压波形和

30、负载性质有关，大体为正弦波。关，大体为正弦波。 输出交流电流的基波有效值。输出交流电流的基波有效值。dd1U7806I.II ddUV1mUV178062U.UUU 电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路l 串联二极管式晶闸管逆变电路串联二极管式晶闸管逆变电路主要用于中大功率交流电动机调速系统。是电流型三相桥式逆变电路。各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。120导电工作方式，输出波形与前面的波形大体相同。强迫换流方式，电容C1C6为换流电容。电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路CC2313 容电器充电规律：容电器充电规律：共阳极晶闸管，电容器与导通晶闸管相连接的一

31、端为正，共阳极晶闸管，电容器与导通晶闸管相连接的一端为正，另一端为负；不与导通晶闸管相连接的另一电容器电压为零。另一端为负；不与导通晶闸管相连接的另一电容器电压为零。等效换等效换流电容流电容等效换流电容概念：等效换流电容概念：电力电子技术电力电子技术5 5 逆逆 变变 电电 路路从从VT1向向VT3换流的过程换流的过程换流前换流前VT1和和VT2通，通，C13电压电压UC0左正右负左正右负w恒流放电阶段恒流放电阶段t1时刻触发时刻触发VT3导通，导通，VT1被施以被施以反压而关断反压而关断Id从从VT1换到换到VT3，C13通过通过VD1、U相负载、相负载、W相负载、相负载、VD2、VT2、直流电源和直流电源和VT3放电，放电电流恒放电，放电电流恒为为Id，故称故称恒流放电阶段恒