逆变原理介绍

1、电力电子技术电子教案第5章 逆变电路（第八章 P164） 引言 5.1 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5.2 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 5.3 电流型逆变电路 5.3.1 单相电流型逆变电路 5.3.2 三相电流型逆变电路5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 5.4.1 多重逆变电路 5.4.2 多电平逆变电路本章小结第5章 逆变电路引言逆变概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电。交流侧接电网，为有源逆变；交流侧接负载，为无源逆变；本章讲述无源逆变。逆变与变频变频电路：交交变频和交直交变频两种；交直

2、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。工业应用交流电源 变频变压电源 VVVF，即变频器。通常用于交流电动机调速； 恒频恒压电源 CVCF，典型代表是UPS，以及其它的各种电源； 感应加热用交流电源，要求频率可以在一定范围内变化。引言 逆变电路的应用蓄电池、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的核心部分都是逆变电路。本章内容5.1节换流方式5.2节电压型逆变电路5.3节电流型逆变电路5.4节逆变电路的多重化和多电平逆变电路。本章仅讲述逆变电路基本内容，有关逆变电路的内容会进一步展开。5.1 换

3、流方式 5.1.1 逆变电路的基本工作原理 单相桥式逆变电路为例S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负。把直流电变成了交流电。图5-1 逆变电路及其波形举例5.1.1 逆变电路的基本工作原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率；电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同；阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同（图5-1b）t1前：S1、S4通，uo和io均为正；t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向；io从电源负极流出，经S2、负

4、载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大。5.1.2 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。开通方式：适当的门极驱动信号就可使其开通关断方式：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。5.1.2 换流方式分类1. 器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Commutation）2. 电网换流由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）；可控整流电路、交流调压电

5、路和采用相控方式的交交变频电路；不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。3. 负载换流由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）；负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流；负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。5.1.2 换流方式分类基本的负载换流逆变电路：采用晶闸管作为主功率器件；负载：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。电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入；直流侧串入大电感Ld，直流侧 id基本没有脉动。 图5-2 负载换流电路及其工作波形 5.1.2 换流方式分类工作过程（工作波形图5-2b）4

6、个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波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，对谐波阻抗很小，即将uo波形中的谐波成分滤除，而使之接近正弦波（基波）。t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3承受正向电压uot1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。注意：由于有Ld的作用，不会造成短路。t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成5.1.2 换流方式分类4. 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电压或反向电流的换流方式称为强迫换

7、流（Forced Commutation）通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流直接耦合式强迫换流由换流电路内电容提供换流电压VT通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断。图5-3 直接耦合式强迫换流原理图5.1.2 换流方式分类电感耦合式强迫换流：通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流两种电感耦合式强迫换流：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5-4 电感耦合式强迫换流原理图请同学们分析为什么反向电流从VT流过，而不是通过VD？原因是：此时VT上的压降和C上的电压顺向串联，而流过VD，需要克服

8、二极管的正向压降，所以从VT流过，而不是通过VD。5.1.2 换流方式分类器件换流适用于全控型器件其余三种方式针对晶闸管器件换流和强迫换流属于自换流电网换流和负载换流外部换流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，则称为熄灭。给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图5-3）先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加 反压的换流叫电流换流 （图5-4） 。5.2 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电压型逆变电路或电压源型逆变电路电流型逆变电路或电流源型逆变电路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

9、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。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。图5-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）图5-1电路的具体实现5.2.1 单相电压型逆变电路1半桥逆变电路电路结构工作原理V1和V2栅极信号在一周期内各半开通、半周关断，形成互补。uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2图5-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形5.2.1 单相电压型逆变电路io波形随负载而异，如感性负载时见(图5-6b)；V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电

10、感中贮能向直流侧反馈；VD1、VD2称为反馈二极管,还使io连续，又称续流二极管。特点优点：简单，使用器件少缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡用于几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5.2.1 单相电压型逆变电路2全桥逆变电路电路结构及工作情况两个半桥电路的组合；1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180；uo波形同图5-6b半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud；io波形和图5-6b中的io相同，幅值增加一倍；单相逆变电路中应用最多的； 输出电压定量分析 uo成傅里叶级数 基波幅值 (5-2) 基

11、波有效值 (5-3) 当uo为正负各180时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现(5-1)5.2.1 单相电压型逆变电路5.2.1 单相电压型逆变电路移相调压（图5-7）可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压各栅极信号为180正偏，180反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变但V3的基极信号只比V1落后q ( 0q 0时，V12和VD1导通iU0时，V41和VD4导通5.4.2 多电平逆变电路线电压的电平相电压相减得到线电压两电平逆变电路的输出线电压有Ud和0三种电平三电平逆变电路的输出线电压有Ud、Ud/2和0五种电平三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路

12、三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半本章小结讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理 四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电路更为基本、更为重要换流方式分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降本章小结逆变电路分类方法可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深刻的认识负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路电容滤波的整流电路可看成

13、为电压型整流电路本章小结与其他章的关系本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整下一章的PWM控制技术在逆变电路中应用最多，绝大部分逆变电路都是PWM控制的，学完下一章才能对逆变电路有一个较为完整的认识逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二都结合构成间接交流变流电路此外，间接直流变流电路大量用于开关电源，其中的核心电路仍是逆变电路图5-1 逆变电路及其波形举例 图5-2 负载换流电路及其工作波形 图5-3 直接耦合式强迫换流原理图 图5-4 电感耦合式强迫换流原理图 图5-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路） 图5-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式 图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路 图5-9 三相电压型桥式逆变电路 图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 图5-11 电流型三相桥式逆变电路 图5-12 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路 图5-13 并联谐振式逆变电路工作波形 图5-14 电流型三相桥式逆变电路的