第4章逆变电路

1、第第4章章 逆逆变电路变电路 引言引言 逆变的概念逆变的概念 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。l交流侧接电网，为交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。l交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变无源逆变。 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交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。成，后一部分就是逆变。 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。交流电机调

2、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、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。本章讲述无源逆变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逆变电路电压型逆变电路又称为电压源又称为电压源型逆变电路型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是直流侧是电压源电压源电流型逆变电路电流型逆变电路又称为电流源又称为电流源型逆变电路型逆变电路Current Source Type Inverter-VSTI直流侧是直流侧是电流源电流源第第4章章

3、逆变电路逆变电路 引言引言 2）根据逆变器的）根据逆变器的主电路结构主电路结构不同可分为半桥逆变器、全不同可分为半桥逆变器、全桥逆变器、二电平逆变器、多电平逆变器。桥逆变器、二电平逆变器、多电平逆变器。 3）根据逆变器所用的电力电子器件及其）根据逆变器所用的电力电子器件及其关断（换流）方关断（换流）方式式的不同可分为自关断（用全控型开关器件，如的不同可分为自关断（用全控型开关器件，如IGBT、功率功率MOSFET、MCT和和IGCT等）、强迫关断（换流）、等）、强迫关断（换流）、电网换流逆变器（有源逆变器）、负载换流逆变器。电网换流逆变器（有源逆变器）、负载换流逆变器。 4）根据逆变器的电压和

4、频率的）根据逆变器的电压和频率的控制方法控制方法的不同可分为的不同可分为PWM（脉冲宽度调制）逆变器，（脉冲宽度调制）逆变器，PAM（脉冲幅值调制）（脉冲幅值调制）逆变器，方波或阶梯波（用阶梯波调幅或用数台逆变器逆变器，方波或阶梯波（用阶梯波调幅或用数台逆变器通过变压器实现串并联的移相调压）逆变器。通过变压器实现串并联的移相调压）逆变器。第第4章章 逆变电路逆变电路 引言引言4.1 电压型逆变电路电压型逆变电路 4.1.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路1) 全全桥逆变电路桥逆变电路电阻负载电阻负载共四个桥臂。共四个桥臂。两对桥臂两对桥臂栅极信号在一周期内栅极信号在一周期内各半周正偏、半

5、周反偏，各半周正偏、半周反偏，两者两者互补互补，交替导通交替导通180180。逆变逆变: :U Ud d( (直流直流)u uR R( (交流交流) )电阻负载电压电流波形相同。电阻负载电压电流波形相同。 逆变电路最基本的工作原理逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换频率，可改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。改变输出交流电频率。Ud0p pp p204 .1V4.1V3.2Vdi- -04. 1Vi3 .2ViRUd/RiRuR/UdUdUdtw wtw wtw w4V2VdiRiRuRdU1V3V+-4.1.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路1) 全全桥逆变电路桥逆变电路

6、阻感负载阻感负载d O uRL O i3V4VU3VD4VD1VD2VD2V1Vdi00p pp p204.1Di3.2Di4.1Di4.1Vi3.2Vi4.1V4.1V3.2V0idi0u) )b) )c) )dUdtw wtw wtw w 全控器件全控器件V通时，通时，io和和uo同方向，直流侧向负载提供同方向，直流侧向负载提供能量；能量；二极管二极管VD通时，通时，io和和uo反向，电感中贮能向直流侧反反向，电感中贮能向直流侧反馈。馈。VD称为称为反馈二极管反馈二极管。VD又起着使负载电流连续的作用，又称又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管续流二极管。4.1.1 单相电压型逆变电路

7、单相电压型逆变电路1) 全全桥逆变电路桥逆变电路阻感负载阻感负载douRLoi3V4VU3VD4VD1VD2VD2V1Vdi00p pp p204.1Di3.2Di4.1Di4.1Vi3 .2Vi4.1V4.1V3.2V0idi0u) )b) )c) )dUdtw wtw wtw w改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。来实现。ddoddmodoUUUUUUtnntttUu9 . 02227. 14) 12sin(1215sin513sin31(sin411-ppwwwwp4.1.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 阻感负载时

8、，还可采用移相阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压得方式来调节输出电压移移相调压相调压。a)tOtOtOtOtO b)uG1uot1t2t3io V3的基极信号比的基极信号比V1 1落后落后 （0 180 ）。）。V3、V4的栅极信号分别比的栅极信号分别比V2、V1的前移的前移180180 。输出输出电压是正负各为电压是正负各为 的脉冲。的脉冲。 改变改变 就可调节输出电压。就可调节输出电压。uG2uG3uG4u0i01) 全全桥逆变电路桥逆变电路阻感负载阻感负载在纯电阻负载时，采用移相调在纯电阻负载时，采用移相调压方法得到相同的结果，只是压方法得到相同的结果，只是VD不再续流，不再续

9、流，Ud=0时，负载上时，负载上没有电流。没有电流。4.1.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路2）半桥逆变电路半桥逆变电路工作原理工作原理 V1和和V2栅极信号在一周期内栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，各半周正偏、半周反偏，两两者互补者互补，输出电压，输出电压u uo o为矩形为矩形波，幅值为波，幅值为Um=Ud/2。 V1或或V2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；VD1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。VDVD1 1、VDVD2

10、2称为称为反馈二极管反馈二极管, ,它又起着使负载电流连续的它又起着使负载电流连续的作用，又称作用，又称续流二极管续流二极管。4.1.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路l优点：优点：电路简单，使电路简单，使用器件少。用器件少。缺点：缺点：输出交流电压输出交流电压幅值为幅值为U Ud d/2/2，且直流侧，且直流侧需两电容器串联，要控需两电容器串联，要控制两者电压均衡。制两者电压均衡。a)应用应用：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。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。变电路的组合。4.1.1 单相电压型逆变电路

11、单相电压型逆变电路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与全桥电路的比较：与全桥电路的比较：比全桥电路少用一半开关器件。比全桥电路少用一半开关器件。器件承受的电压为器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高，比全桥电路高 一倍。一倍。必须有一个变压器必须有一个变压器 。交替驱动两个交替驱动两个IGBT，经变压经变压器耦合给负载加上矩形波交器耦合给负载加上矩形波交流电压。流电压。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与与全桥逆变电路完全相同。全桥

12、逆变电路完全相同。4.1.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l三个单相逆变电路可组合成一个三相逆三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路变电路,应用最广的是应用最广的是三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路4.1.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l 基本工作方式基本工作方式180导电方式导电方式每桥臂导电每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差开始导电的角度差120 。任一瞬间有三个桥臂同时导通。任一瞬间有三个桥臂同时导通。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

13、两臂之间进行，也称为纵向换流纵向换流。4.1.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l 基本工作方式基本工作方式180导电方式导电方式wtwtwtwtUUdBO11sin1117sin715sin51sin2p-wtwtwtwtUUdBC11sin1117sin715sin51sin2p22ddBOdd2BCdddU2U12U42U0.471U23333342UUU0.816U233ppppp4.1.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l 基本工作方式基本工作方式120导电方式导电方式每桥臂导电每桥臂导电120，同一组，同一组3 3个开关交替导电，各相开个开关交替导电，各相开始导电的角度

14、差始导电的角度差120 。任一瞬间有任一瞬间有2 2个桥臂同时导通。个桥臂同时导通。每次换流都是在同一组之间进行，也称为每次换流都是在同一组之间进行，也称为横向换流横向换流。4.1.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l 基本工作方式基本工作方式120导电方式导电方式dU000ABuBCuCAu234512345661- - -触发管号触发管号000AOuBOuCOu12345612345660120180240360300- -触发管号触发管号b b ) ) 线电压波形线电压波形a a） 相电压波形相电压波形dUdU2dU2dU2dUtw wtw wtw wtw wtw wtw w逆变器

15、采用逆变器采用120导通方式时，由于同一桥臂中上下两管有导通方式时，由于同一桥臂中上下两管有60的导通间的导通间隙，对换流的安全有利，但管子的利用率较低。隙，对换流的安全有利，但管子的利用率较低。若电机采用星型接法，则始终有一相绕组断开，在换流时该相绕组中若电机采用星型接法，则始终有一相绕组断开，在换流时该相绕组中会引起较高的感应电势，应采用过电压保护措施。会引起较高的感应电势，应采用过电压保护措施。180o和和120o方式比较方式比较180o方式特点：方式特点： 纵向换流。纵向换流。 上下桥臂防直通，要求上下桥臂防直通，要求控制精确。控制精确。 输出相电压为梯形波输出相电压为梯形波, ,线电

16、压为矩形波。线电压为矩形波。 120o方式特点：方式特点： 横向换流。横向换流。 有利于安全换流。有利于安全换流。 电压型逆变电路，输出线电压为梯形波。电压型逆变电路，输出线电压为梯形波。 若电机采用星型接法，在换流时会引起较高的感应电若电机采用星型接法，在换流时会引起较高的感应电势，应采用过电压保护措施。势，应采用过电压保护措施。4.1 电压型逆变电路电压型逆变电路2）电压型逆变电路的特点电压型逆变电路的特点图图5-5 电压型全桥逆变电路电压型全桥逆变电路 (1)(1)直流侧为电压源或直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压并联大电容，直流侧电压基本基本无脉动无脉动。 (2)(2)输出电压为矩

17、形波，输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同输出电流因负载阻抗不同而不同。而不同。 (3)(3)阻感负载时需提供阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。联反馈二极管。电流型逆变电路主要电流型逆变电路主要特特点点 (1) 直流侧串大电感，电直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流基本无脉动，相当于电流源。流源。4.2 电流型逆变电路电流型逆变电路 直流电源为电流源直流电源为电流源的逆变电路称为的逆变电路称为电电流型逆变电路流型逆变电路。图4-11 电流型三相桥式逆变电路

18、(2) 交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出交流输出电流为矩形波，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。电压波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。电压源和电流源逆变器主要特点比较电压源和电流源逆变器主要特点比较 逆变器类型逆变器类型比较项目比较项目电压源电压源电流源电流源直流回路滤波环节直流回路滤波环节(无功功率缓冲环节无功功率缓冲环节)电容器电容器电抗器电抗器输出电压波形输出电压波形矩形波矩形波决定于负载，对电机决定于负载，对电机负载近似为正弦波负载近

19、似为正弦波输出电流波形输出电流波形决定于负载的功率因数，决定于负载的功率因数，由较大的谐波分量由较大的谐波分量矩形波矩形波开关器件开关器件全控器件反并联二极管全控器件反并联二极管大部分为晶闸管大部分为晶闸管输出阻抗输出阻抗小小大大回馈制动回馈制动须在电源则侧设置反并须在电源则侧设置反并联逆变器联逆变器方便，主电路不需要方便，主电路不需要附加设备附加设备调速动态响应调速动态响应较慢较慢快快4.2.1 换流方式分类换流方式分类l换流换流电流从一个支路向另一个支路转电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为移的过程，也称为换相换相。开通开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。：适当的门极驱动信号就

20、可使器件开通。关断关断：全控型器件可通过门极关断。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。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，才能一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。关断。研究换流方式主要是研究如何使研究换流方式主要是研究如何使器件关断器件关断。4.2.1 换流方式分类换流方式分类1) 器件换流器件换流利用全控器件的自关断能力进行换流。利用全控器件的自关断能力进行换流。2) 电网换流电网换流电网提供换流电压的换流方式。电网提供换流电压的换流方式。3) 负载换流负载换流-负载电流的相位超前于电压时，由负载

21、提负载电流的相位超前于电压时，由负载提供换流电压。供换流电压。4) 强迫换流强迫换流设置附加的换流电路设置附加的换流电路器件换流器件换流适用于全控型器件。适用于全控型器件。其余三种方式其余三种方式针对晶闸管。针对晶闸管。器件换流和强迫换流器件换流和强迫换流属于自换流。属于自换流。电网换流和负载换流电网换流和负载换流属于外部换流。属于外部换流。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用电流型逆变电路中，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。较多。换流方式有负载换流、强迫换流。4.2.2 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路1) 电路原理电路原理单相桥式电流型（并联谐振式

22、）逆变电路由四个桥臂构成，每个由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶个电抗器，用来限制晶闸管开通时的闸管开通时的di/dt。工作方式为工作方式为负载换相负载换相。电容电容C C和和L L 、R R构成并联构成并联谐振电路。谐振电路。l输出电流波形接近矩形输出电流波形接近矩形波，波，含基波和各奇次谐含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于波，且谐波幅值远小于基波。基波。4.2.2 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路tOttOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7uotg guABtd dtb bIdiVT1,4iV

23、T2,3uVT2,3uVT1,4并联谐振式逆变电路工作波形 输出电流波形接近矩输出电流波形接近矩形波，电压波形接近形波，电压波形接近正弦波。正弦波。4.2.2 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路2) 工作分析tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7uotg guABtd dtb bIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4 换流阶段换流阶段：L LT T使使VTVT1 1、VTVT4 4不能立刻关断，电流有一个减小过不能立刻关断，电流有一个减小过程。程。VTVT2 2、VTVT3 3电流有一个增大过程。电流有一个增大过程。4个晶闸

24、管全部导通，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。负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。VT1、VT1、VT3、LT3到到C；另一个经；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到到C。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。4.2.2 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路2) 工作分析tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7uotg guABtd dtb bIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4并联谐振式逆变电路工作波形Td d tg g tb b 为为触发引前时间

25、触发引前时间io超前于超前于uo的时间：的时间：tg g 为为换流时间换流时间tb b为为VTVT承受反压时间承受反压时间bgttt2 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和直流电压和直流电压Ud的关系（忽略的关系（忽略Ld的损的损 耗，忽略晶闸管压降）耗，忽略晶闸管压降）4.2.2 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路tttIiwwwp5sin513sin31sin4dodd1o9 . 024IIIppcos11. 1cos22ddoUUU4.2.3 三相电流型逆变电路

26、三相电流型逆变电路1) 电路分析电路分析基本工作方式是基本工作方式是120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120，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。itOtOtOtOIdiViWuUVU电流型三相桥式逆变电路的输出波形 图4-11 电流型三相桥式逆变电路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感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，谐负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达

27、式也相同。波分析表达式也相同。输出线电压波形和负载性质有关，输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波。大体为正弦波。4.2.3 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路l串联二极管式晶闸管逆变串联二极管式晶闸管逆变电路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主要用于中大功率交流电动机调速系统。调速系统。是是电流型电流型三相桥式逆变电路。三相桥式逆变电路。各桥臂的晶闸管和二极管串联各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。使用。120导电工作方式导电工作方式，输出波形，输出波形和上图的波形大体相同。和上图的波形大体相同。强迫换流强迫换流方式，电容方式，电容C1C6为换为换流电容。流电容。4.2.3 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路 换流过程分析换流过程分析电容器所充电压的规律电容器所充电压的规律：对于共阳极晶闸管，与导通晶闸管相连：对于共阳极晶闸管，与导通晶闸管相连一端为正，另一端为负；不与导通晶闸管相连的电压为零。一端为正，另一端为负；不与导通晶闸管相连的电压为零。等效换流电容概念等效换流电容概念：分析从：分析从VTVT1 1向向VTVT3 3换流时，左图换流时，左图C C1313就是右图就是右图C C3 3与与C C5 5串联后再与串