第五章逆变电路

1、1第第5 5章章 逆变电路逆变电路(DC/AC(DC/AC变换）变换）5.1 换流方式5.2 电压型逆变电路5.3 电流型逆变电路5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结2逆变把直流电变成交流电源逆变交流侧接有电源逆变电路无源逆变交流侧直接和负载连接一般指无源逆变电路第第5 5章章 逆变电路逆变电路(DC/AC(DC/AC变换）变换）3 逆变电路应用广泛，在各种直流电源电池向交流负载供电时，就需要逆变电路。 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其电路的核心部分都是逆变电路。换流换流 变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移。4第第5 5章章 逆

2、变电路逆变电路(DC/AC(DC/AC变换）变换）5.1 换流方式5.2 电压型逆变电路5.3 电流型逆变电路5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结55.1 换流方式5.1.1 逆变电路的基本工作原理5.1.2 换流方式分类65.1.1 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负载a)S1S2S3S4iouoUdb)tuoiot1t2图5-1 逆变电路及其波形举例uS1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。u当开关S1、S4 闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；u当S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负。u直流电变成了交流电，改变两组开关的切换

3、频率，即可改变输出交流电的频率。u 当负载为电阻时，io和uo的波形相同，相位也相同u 当负载为阻感时，io相位滞后于uo，波形也不同u 设t1时刻前S1、S4导通，uo和io均为正u t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo极性立刻变负，但io不能立刻改变而维持原方向u io从直流电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，io逐渐减小，到t2时刻降为零，之后io才反向并逐渐增大。75.1 换流方式5.1.1 逆变电路的基本工作原理5.1.2 换流方式分类85.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类换流换流全控型器件可通过门极得控制使其关断，半控型

4、器件晶闸管，必须利用外部条件或采取其它措施才能使其关断。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反向电压，才能关断。开通时关断时无论支路是有全控型还是半控型电力电子器件组成，只要有适当的门极驱动信号，就可使其开通。换相换相91. 器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流2. 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无源逆变电路由电网提供换流电压103. 负载换流负载电流相位超前于负载电压的场合负载为电容性负载时 实现负载换流负载为同

5、步电动机时由负载提供换流电压图5-2 a) 负载换流电路RLCEdLdVT1VT2VT3VT4uoioida)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呈容性。直流侧串入大电感Ld，工作过程中可认为 id基本没有脉动 11b)wtwtwtwtOOOOiit1uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4图5-2 b) 负载换流 工作波形l 4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波l 负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大而对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦波l T1时刻前：VT1、VT4为通态，VT2、VT

6、3为断态，uo、io均为正，VT2、VT3上施加的电压即为uol t1时刻触发VT2、VT3使其开通，uo通过VT2、VT3本别加到VT4、VT1上使其承受反向电压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2l 触发VT2、VT3时刻， t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成124. 强迫换流（电容换流）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SVT负载负载+图5-3 直接耦合式强迫换流原理图晶闸管VT通态时，预先给电容C按图5-3中所示极性充电。合上开关S，就可使晶闸管被施加

7、反向电压而关断13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5-4 电感耦合式强迫换流原理图图5-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断图5-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断图a中，接通S后，LC振荡电流将反向流过VT，与VT的负载电流相减，直到VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。LC图b中，接通S后，LC振荡电流先正向流过VT并和VT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VT，直到VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。14给晶闸管加上反向电压而

8、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15器件换流强迫换流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 16第第5 5章章 逆变电路逆变电路(DC/AC(DC/AC变换）变换）5.1 换流方式5.2 电压型逆变电路5

9、.3 电流型逆变电路5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结175.2 5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路5.2.1 单相电压型逆变电路5.2.2 三相电压型逆变电路185.2 5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路电流型逆变电路（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+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio图5-5 电压型全桥逆变电路(全桥逆变电路）19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有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，滞留贿赂呈现低阻抗。2）输出电压为矩形波，与负载阻抗角无关

10、，交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联反馈二极管。 205.2 5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路5.2.1 单相电压型逆变电路5.2.2 三相电压型逆变电路215.2.1 5.2.1 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+- -RLa)UdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2图5-6 a) 单相半桥电压型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。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电

11、容的联结点是直流电源的中点。负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。22ttOOONb)uoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2图5-6 b)单相半桥电压型逆变电路工作波形设开关器件V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补。当负载为感性时，工作波形如图5-6b所示 输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2 输出电流io波形随负载情况而异。 t2时刻以前V1通，V2断 t2时刻给V1关断信号，给 V2开通信号，则V1关断，但感性负载中io不能立即改变方向，于是V2导通续流。 t3时刻io降为零时，VD2截止，V2开通，io开始

12、反向。 t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号，V2关断，VD1先导通续流，t5时刻V才开通。 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23负载电感将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是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。24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

13、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252全桥逆变电路+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio图5-5 电压型全桥逆变电路(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18026ttOOONb)uoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2图5-6 b)单相半桥电压型逆变电路工作波形l电压型全桥逆变电路输出电压uo的波形和图5-6b的半桥电路的波形uo

14、形状相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，Um=Udl 输出电流io波形和图5-6b中的io形状相同，幅值增加一倍l VD1 、V1、VD2、V2相继导通的区间，分别对应VD1和VD4、V1和V4、VD2和VD3、V2和V3相继导通的区间27全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，对电压波形进行定量分析将幅值为Uo的矩形波uo展开成傅里叶级数，得其中基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为 上述公式对半桥逆变电路也适用，将式中的ud换成Ud /2 uo为正负电压各为180的脉冲时，要改变输出电压有效值只能通过改变输出直流电压Ud来实现tttUuwww5sin513sin31sin4do(5-1)(

15、5-1)ddo1m27. 14UUUdd1o9 . 022UUU(5-3)(5-3)(5-2)(5-2)28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移相调压移相调压+- -CRLUdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式a) 各IGBT栅极信号为180正偏，180反偏，且V1和V2栅极信号互补，V3和V4栅极信号互补 V3的基极信号不是比V1落后180，而是只落后q ( 0 q 180) V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180-q 输出电压uo是正负各为q 的脉冲29tOtOtOtOtOq qb)uG1uG2u

16、G3uG4uoiot1t2t3iouo图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式l t1时刻前V1和V4导通，输出电压uo为udl t1时刻V3和V4栅极信号反向，V4截止，因io不能突变，V3不能立即导通，VD3导通续流，因V1和VD3同时导通，所以输出电压为零各IGBT栅极信号uG1uG4及输出电压uo、输出电流io的波形见图5-7bl t2时刻V1和V2栅极信号反向， V1截止， V2不能立即导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，输出电压为-Udl 到负载电流过零开始反向， VD2和VD3截止， V2和V3开始导通， uo仍为- Udl t3时刻V3和V4栅极信号再次反向， V3截止

17、， V4不能立刻导通， VD4导通续流， uo再次为零l 输出电压uo的正负脉冲宽度各为 ，改变 ，可调节输出电压30u在纯电阻负载时，VD1VD4不再导通，不起续流作用，uo为零的期间，4个桥臂均不能导通，负载没有电流。u采用改变正负脉冲宽度的方法来调节半桥逆变电路的输出电压，上下两桥臂栅极信号不再是各180正偏、180反偏且互补，而是正偏宽度为，反偏宽度为360- ，两者相位差为180。这时输出电压uo也是正负脉冲的宽度各为。313 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5-8 带中心抽头变压器的逆变电路负载+-iouoUdV1V2VD1VD2l 交替驱动两个IGBT，经

18、变压器耦合给负载加上矩形波交流电压l 两个二极管的作用也是给负载电感中贮藏的无功能量提供反馈通道l Ud和负载参数相同，变压器一次侧2个绕组和二次侧绕组的匝比为1:1:11:1:1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同l 带中心抽头变压器的逆变电路比全桥电路少用一半开关器件，但器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高一倍，必须有一个变压器 325.2 5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路5.2.1 单相电压型逆变电路5.2.2 三相电压型逆变电路335.2.2 5.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路图5-9 三相电压型桥式逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，采用IG

19、BT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。NN+- -UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2l 电压型三相桥式逆变电路也是180导电方式l 每桥臂导电角度180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120 l 在任一瞬间将有三个桥臂同时导通l 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换纵向换流流34图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形U相输出相输出 当桥臂1导通时， uUN =Ud /2 当桥臂4导通时， uUN=Ud /2 uUN的波形幅值是为Ud/2 的矩形波 V、W两相情况和两相情况和U相类

20、似相类似uVN 、 uWN的波形形状与uUN相同，只是依次相差12035 负载线电压负载相电压将上两式整理得负载中点N和电源中点N之间电压uUN UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu(5-4)NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu(5-5)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu(5-5)36)(31 WN VN UNNNuuuu(5-7)负载为三相对称负载，则有 uUN+uVN+uWN=0，可得 uNN的 也是矩形波，但其频率为uUN频率的3倍，幅值为其1/3,即为Ud / 6负载参数已知时，可由uUN波形求出U相电流iU波形，负载的阻抗角j不同，iu的波形形状和相位都有所不同图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形37图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形t 桥臂1和桥臂4之间的换流过程和半桥电路相似。t上桥臂1中的V1从通态转换到断态时，因负载电感中的电流不能突变，下桥臂4中的VD4先导通续流，待负载电流降为零，桥臂4中电流反向时，V4才开始导通。t负载的阻抗角 j越大， VD4 导通时间越长。t iu的上升段为桥臂1导