第5章 逆变电路

1、1第5章 逆变电路 312第5章 逆变电路 引言v逆变逆变 直流电直流电交流。交流。l交流侧接电网交流侧接电网-有源逆变。有源逆变。l交流侧接负载交流侧接负载-无源逆变无源逆变-本章讲述无源逆变。本章讲述无源逆变。l逆变与变频逆变与变频l变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。l交直交变频交直交变频: : 整流整流 + + 逆变。逆变。v主要应用主要应用各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等，各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等，给交流负载供电。给交流负载供电。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源交流电机调速用变频器、不间断电源、

2、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。35.1 换流方式4l单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路基本工作原理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图5-1 逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2桥臂桥臂S S1 1S S4 4与与S S2 2S S3 3式交替导通与关断，输出交式交替导通与关断，输出交变方波，阻感负载时电流近正弦波。变方波，阻感负载时电流近正弦波。改变开关频率即可调节交流频率改变开关频率即可调节交流频率55.1.2 换流方式分类l换流电流从关断支路向导通支路的转移，也称为换相

3、。导通：触发导通。导通：触发导通。关断：关断：-换流主要问题换流主要问题全控型器件全控型器件: :门极控制关断。门极控制关断。半控型半控型( (晶闸管晶闸管):):外部条件外部条件-反压、零流关反压、零流关断。断。65.1.2 换流方式分类全控型器件（全控型器件（IGBT IGBT 、电力、电力MOSFET MOSFET 、GTO GTO 、GTRGTR等）：等）： 1) 1) 器件换流器件换流（Device CommutationDevice Commutation） -自关断换流。自关断换流。晶闸管：。晶闸管：。 2) 2) 电网换流电网换流（Line CommutationLine Co

4、mmutation） 电网提供负电压关断晶闸管。电网提供负电压关断晶闸管。 例：整流与有源逆变电路。例：整流与有源逆变电路。 3) 3) 负载换流负载换流（Load CommutationLoad Commutation）电流相位超前电压的电流相位超前电压的容性负载容性负载，可负压关断晶闸管，可负压关断晶闸管4)4)强迫换流强迫换流（Forced CommutationForced Commutation）设置附加设置附加LCLC等电路，关断晶闸管。等电路，关断晶闸管。75.1.2 换流方式分类换流方式分类v如图负载换流电路。如图负载换流电路。v工作频率接近负载谐振频率工作频率接近负载谐振频率

5、, , 负载呈负载呈小容性。小容性。v直流侧串电感直流侧串电感: :使使i id d “ “恒稳恒稳”, ,ioio矩形矩形v负载负载( (容性容性):): (1) (1) uouo滞后滞后ioio (2) (2)小阻尼小阻尼u uo o接近正弦波接近正弦波 基波阻抗大基波阻抗大, ,谐波的阻抗小谐波的阻抗小v换流过程换流过程: : VT1, 4 VT1, 4 导通且导通且uouo为正时为正时, , VT2, 3 VT2, 3 受正压受正压uo,uo,触发可通触发可通; ; VT2, 3VT2, 3触通后触通后VT1, 4VT1, 4受反压受反压-uo-uo关断关断 -换流完成。换流完成。v注

6、注: : 须在须在uouo降降0 0前换流前换流85.1.2 换流方式分类v电容电容电压式电压式强迫换流强迫换流v(1)(1)晶闸管晶闸管VTVT导通时，电容导通时，电容C C充电。充电。v(2) S(2) S合，合，C C使使VTVT反压关断。反压关断。v ic+ -95.1.2 换流方式分类电感电流式强迫换流电感电流式强迫换流(1) (1) 电源经电源经VD2VD2对对C C充电压左正右负充电压左正右负, ,(2)(2)主主VT1VT1通通(VD1(VD1反压断反压断),),供电负载供电负载(3)(3)换流开关换流开关VT2VT2导通导通,LC,LC谐振谐振:-uc,ic:-uc,ic可变

7、向可变向(4)ic(4)ic反向后反向后, VT1, VT1电流减至电流减至0 0 而关断而关断 注注:VT1:VT1断后断后VD1VD1才导通续流才导通续流icic + - +ic10115.2 电压型逆变电路1 1）逆变电路的分类）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质根据直流侧电源性质的不同的不同电压型电压型逆变电路逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是直流侧是电压源电压源-或并大电容或并大电容电流型电流型逆变电路逆变电路Current Source Type Inverter-CSTI直流侧是直流侧是电流源电流源-串大串大L L125.2 电压型

8、逆变电路电压型逆变电路 2 2）电压型逆变电路）电压型逆变电路特点特点(1)(1)直流侧直流侧: : 电压源或并联大电容电压源或并联大电容 电压恒稳。电压恒稳。(2)(2)输出交流侧输出交流侧: : 电压为矩形电压为矩形( (阶梯阶梯) )波波 电流电流(RL(RL负载负载) )近正弦波。近正弦波。(3)(3)阻感负载功率通道阻感负载功率通道: : 有功通道有功通道-V-V 感性无功通道感性无功通道-VD,-VD, 无功返直流源或无功返直流源或C C缓冲缓冲VVVDVD135.2 电压型逆变电路 145.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路1）半桥逆变电路半桥逆变电路工作原理工作原理

9、V1V1和和V2V2各触半周，输出各触半周，输出u uo o= =U Ud d/2 /2 矩形波。矩形波。 电源电源- -负载的有功通道负载的有功通道:V:V1 1V V2 2 ；无功通道；无功通道:VD:VD1 1VDVD2 2。 特点特点:(1):(1)主器件少主器件少, ,但需电容但需电容; ; (2) (2)输出电压输出电压( (电源利用率电源利用率) )低低; ; (3) (3)输出电压电流输出电压电流自动平衡自动平衡, ,无直流分量无直流分量155.2.1 单相电压型逆变电路应用：应用：几几kWkW以下的小功率逆变电源。以下的小功率逆变电源。l后述单相全桥、三相桥式后述单相全桥、三

10、相桥式半桥逆变电路半桥逆变电路的组合。的组合。165.2.1 单相电压型逆变电路2) 2) 全桥逆变电路全桥逆变电路 -两个半桥组合两个半桥组合, ,可移相调压可移相调压工作原理工作原理 纵向桥臂触发纵向桥臂触发: :交替交替180180横向桥臂横向桥臂(1-3,2-4): (1-3,2-4): 相差相差 41-13-23-24-41 41-13-23-24-41 : 0 : 0180180输出：输出：uo=uo=Ud,0Ud,0。ioio近正弦。近正弦。 Uo= Uo=负载功率负载功率: : 有功有功+,+,无功无功-,-,续流续流0 0功功通道通道 V-V , D-D , V-D V-V

11、, D-D , V-DUd180/17特点特点:(1):(1)交流电压交流电压( (电源利用率电源利用率) )高高 (2)(2)可移相调压可移相调压 (3)(3)交流不自动平衡，可闭环平衡交流不自动平衡，可闭环平衡 应用广应用广185.2.1 单相电压型逆变电路3 3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图图5-8 5-8 带中心抽头变的逆变电路带中心抽头变的逆变电路比较全桥逆变比较全桥逆变 u uo o和和i io o波形及幅值同波形及幅值同 ( (变比为变比为1 1：1 1：1)1) 开关器件少开关器件少, ,但承受的电压高但承受的电压高(2(2U Ud d) ) 。 须变压

12、器须变压器 。交替驱动两个交替驱动两个IGBTIGBT，经变压器耦合，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用也是提供无功能两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。量的反馈通道。193带中心抽头变压器的逆变电路vV1,V2V1,V2交替触发交替触发, ,输出交流侧波形同全桥输出交流侧波形同全桥vV V为有功通道为有功通道,D,D为无功通道为无功通道v开关器件少开关器件少, ,受压高受压高, ,需变压器需变压器 205.2.2 三相电压型逆变电路l应用最广的三相桥式逆变电路应用最广的三相桥式逆变电路 (N(N是参考电源中点是参考电源中点) )215.2

13、.2 三相电压型逆变电路基本工作方式基本工作方式（每桥臂）（每桥臂）180180导电导电纵向桥臂相差纵向桥臂相差180180横向差横向差120 120 导通桥臂：导通桥臂：123123，234234，345345，456456，561561，612612，- - - -三臂导通三臂导通。每每6060纵向换流纵向换流: : 1-4,2-5,3-6,4-1,. 1-4,2-5,3-6,4-1,.负载负载线电压线电压u uUVUV如图如图22v负载相电压负载相电压: :u uUNUN= =Ud/2 =Ud/2 =3Ud/6 3Ud/6 ( (上上+,+,下下-)-)u uNNNN=(u=(uUN U

14、N + + u uVN VN + + u uWN WN )/3 )/3 = =Ud/6 Ud/6 ( (上下上上下上:+ ;:+ ;下上下下上下:-):-)u uUNUN=u=uUN UN u uNNNN = =2Ud/3,2Ud/3,Ud/3 Ud/3 4 4电平阶梯波电平阶梯波23输出电压有效值输出电压有效值: : 总总 基波基波线压线压: U: UL L=0.816Ud U=0.816Ud UL1L1=0.78Ud =0.78Ud 相压相压: U: U=U=UL L/(3 =0.471Ud U/(3 =0.471Ud U11= U= UL1L1/(3)=0.45Ud/(3)=0.45Ud

15、245.2.2 三相电压型逆变电路逆变器直流侧逆变器直流侧: : 电压基本无脉动，电压基本无脉动， 输出电流输出电流idid与功率脉动。与功率脉动。防直通短路，应防直通短路，应 “ “先断后通先断后通” ” 。25电流型逆变电路主要特点电流型逆变电路主要特点(1)(1) 直流侧串大电感，直流侧串大电感， 近电流源，电流平稳。近电流源，电流平稳。(2)(2) 交流侧交流侧: : 电流为矩形波。电流为矩形波。 负载（并电容）电压近正弦波负载（并电容）电压近正弦波(3)(3) 负载的容性无功由负电压反馈到直流侧负载的容性无功由负电压反馈到直流侧, ,由电感缓冲由电感缓冲. . 不需逆导二极管不需逆导

16、二极管. . 采用半控型器件仍较多。采用半控型器件仍较多。 换流方式有负载换流、强迫换流。换流方式有负载换流、强迫换流。5.3 电流型逆变电路261)1)电路电路常用中频常用中频1-2.5KHZ1-2.5KHZ加热加热2)2)换流方式换流方式: :( (容性容性) )负载换流负载换流. . 晶闸管串小电感平滑换流晶闸管串小电感平滑换流, , 不影响状态分析不影响状态分析. . 3) 3) 调制方式调制方式: : 纵横臂相差纵横臂相差180180: : T1T4T2T3-T T1T4T2T3-T4)4)工作波形工作波形: :5)5)功率流功率流: : 负荷吸收有功负荷吸收有功, , 负荷负荷(

17、(反压反压) )反馈无功反馈无功, , id id磁能磁能6)6)输出电压输出电压: :按单相整流按单相整流或功率或功率UdUd* *IdId基波基波0.9Id0.9Id* *UoUo* *coscos 即即 UoUd/(0.9cos)UoUd/(0.9cos)5.3.1 单相电流型逆变电路交流侧有功有功(4)有功有功无无功功无无功功直流侧idid L缓冲无功缓冲无功UAB0.9*Uo*cos=Ud27工作频率与电压波形工作频率与电压波形工作工作f1f1略大于谐振略大于谐振fofo - -容性容性; ; 基波阻抗大基波阻抗大, ,谐波阻抗小谐波阻抗小谐基电压比谐基电压比 Un/U1=Un/U1

18、=(Zn/Z1)=(Zn/Z1)* *(In/I1)(In/I1)(1/n)(1/n)=1/n(1/n)(1/n)=1/n2 2 - -电压近正弦电压近正弦但随温度变化，但随温度变化，L L及及f0f0变化变化需控制需控制f f自动调整适应自动调整适应fnfn的变化。的变化。阶跃电流与方波电流的电压响应波形阶跃电流与方波电流的电压响应波形感性 容性关断时间285.3.2 三相电流型逆变电路(1)(1)电路电路: :如图如图(GTO (GTO 器件换流器件换流) )(2)(2)调制方式调制方式: : 相位差相位差: :纵向纵向180180, ,横向横向120120 器件导电器件导电120120,

19、 , 2 2管导通管导通: : 上上 1 11 13 33 35 55 51 1 下下 6 62 22 24 44 46 6 6 6 横向换流横向换流, , 无直通短路问题无直通短路问题. . (3) (3) 波形波形: :如图如图 电流电流: :三电平阶梯波三电平阶梯波 电压电压:(:(加容性负载加容性负载) )近正弦波近正弦波 注注:i:iU正跳正跳(i(iV负跳负跳) )时时 u uUV中产生中产生LdiLdiU/dt/dt正脉冲电压正脉冲电压(4)(4)输出电压电流输出电压电流: : 电流基波电流基波:I:I1 1=0.78Id=0.78Id 由由UdUd* *Id=3Id=3* *(

20、0.78Id)(0.78Id)* *U Ucoscos U U=Ud/(2.34cos)=Ud/(2.34cos)295.3.2 三相电流型逆变电路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用于中大功率交流调速用于中大功率交流调速工作方式，输出波形同前。工作方式，输出波形同前。强迫换流方式强迫换流方式电容电容C C1C C6 6为换流电容。为换流电容。305.3.2 三相电流型逆变电路图图5-16 U-V5-16 U-V换流过程换流过程原原IdId至至U U相相, ,等效等效C13C13受受u uUVUV充电左正充电左正, ,T3T3正压正压.D3.D3断断T3T3触通触通C13C

21、13使使T1T1反压关断反压关断. .idid由由T3,C13,D1T3,C13,D1至至U UD3D3仍反压断仍反压断C13C13受受IdId充电充电电压反向电压反向D3D3正压通正压通, ,而而D1D1反压断反压断. . IdId由由T3D3T3D3至至V V相相. .315.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路实例：无换向器实例：无换向器( (同步同步) )电动机电动机电流型三相桥式逆变器驱动电流型三相桥式逆变器驱动同步机反电动势滞后电流同步机反电动势滞后电流, ,呈容性呈容性, ,例例VT1,2VT1,2通，通，u uUVUV回回0 0前，前，VT3VT3正压触通时正压触通时V

22、TlVTl反压关断反压关断. . BQBQ检测转子磁极位置检测转子磁极位置(u(uUVUV) )控制触发电路。控制触发电路。无换向器电动机工作特性和调速方式和直流电动机相似无换向器电动机工作特性和调速方式和直流电动机相似. .-定子线圈定子线圈, ,转子磁极转子磁极-可负载换流。可负载换流。enen不突变不突变325.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路和多电平逆变电路v目的目的: : 改进输出电压电流波形改进输出电压电流波形, ,减小谐波减小谐波 多套逆变器移相组合输出多套逆变器移相组合输出，33v多重逆变电路多重逆变电路 电压型、电流型都可多重化电压型、电流型都可多重化 单相电压型

23、二重逆变电路单相电压型二重逆变电路 (1)(1)两套逆变电路移相两套逆变电路移相6060 (2) (2)输出串联组合。输出串联组合。工作波形工作波形输出谐波：输出谐波：谐波谐波移相移相 -消除奇消除奇3 3倍次谐波倍次谐波5.4.1 多重逆变电路12060180tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo3 1805-607 609 18011 -6034三相电压型二重逆变电路三相电压型二重逆变电路uU=uA1+(uA2-uB2)=1+(q -30+q +30)/(3)uA1 - - 四电平阶梯波四电平阶梯波, ,更近正弦更近正弦A1A2- B235三相电压型二重逆变电路三相电压型二重逆变电路对对n=6kn=6k1 1次谐波幅相算子复数式次谐波幅相算子复数式: :T= 1+(-n30T= 1+(-n30+ n30 + n30 )/(3)=1+(2/