详细逆变电路电子教案

第4章:无源逆变(nìbiàn)电路4.1逆变器的性能指标与分类4.2逆变电路的工作原理4.3电压(diànyā)型逆变电路4.4电流型逆变电路4.5负载换流式逆变电路第一页，共31页。4.1逆变器的性能指标与分类(fēnlèi)1）定义：将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率(pínlǜ)的交流电反送到电网去。2）应用：直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。1）定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到负载，即将(jíjiāng)直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载2）应用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。1、有源逆变:2、无源逆变：第二页，共31页。4.1.1逆变器的性能指标（1）谐波系数(xìshù)HF：谐波分量有效值同基波分量有致值之比。（2）总谐波系数：总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近(jiējìn)程度。（5）电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）（3）逆变效率（4）单位重量(zhòngliàng)的输出功率:衡量逆变器输出率密度的指标。第三页，共31页。4.1.2逆变电路(diànlù)的分类①电压(diànyā)型：输人端并接有大电容，输入直流电源为恒压源，逆变器将直流电压(diànyā)变换成交流电压(diànyā)。②电流型：输入端串接有大电感，输入直流电源为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出。（1）、根据(gēnjù)输入直流电源特点分类

①半桥式逆变电路；②全桥式逆变电路；③推换式逆变电路；④其他形式：如单管晶体管逆变电路。（2）、根据电路的结构特点分类第四页，共31页。4.1.2逆变(nìbiàn)电路的分类（3）、根据(gēnjù)换流方式分类（4）、根据(gēnjù)负载特点分类①非谐振式逆变电路②谐振式逆变电路①负载换流型逆变电路；②脉冲换流型逆变电路；③自换流型逆变电路。第五页，共31页。4.1.3逆变(nìbiàn)电路用途1、可以做成变频(biànpín)变压电源（VVVF），主要用于交流电动机调速。2、可以做成恒频恒压电源(diànyuán)（CVCF），其典型代表为不间断电源(diànyuán)（UPS）、航空机载电源(diànyuán)、机车照明，通信等辅助电源(diànyuán)也要用CVCF电源(diànyuán)。3、可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电源等。逆变器的用途十分广泛：返回第六页，共31页。4.2逆变(nìbiàn)电路的工作原理开关T1、T4闭合，T2、T3断开：u0=Ud；开关T1、T4断开，T2、T3闭合：u0=－Ud;当以频率fS交替切换开关T1、T4和T2、T3时，则在电阻R上获得如图4.2.4(b)所示的交变电压波形(bōxínɡ)，其周期Ts=1/fS，这样，就将直流电压E变成了交流电压uo。uo含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。图4.2.1单相桥式逆变电路工作(gōngzuò)原理1、主要功能:图4.2.1(a)中主电路开关T1~T4，它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）。将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。2、工作原理：返回第七页，共31页。它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全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C1和C2，且满足C1=C2。设感性负载连接在A、0两点间。T1和T2之间存在死区时间，以避免(bìmiǎn)上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱动信号。1.电压型逆变电路(diànlù)半桥逆变电路(diànlù)结构及波形：4.3.1电压型单相半桥逆变(nìbiàn)电路4.3电压型逆变电路

动画第八页，共31页。输出电压有效值为:

由傅里叶分析(fēnxī)，输出电压瞬时值为:

其中，为输出电压角频率。当n=1时其基波分量的有效值为:

(4.3.1)(4.3.2)(4.3.3)第九页，共31页。在一个周期内，电力晶体管T1和T2的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。若负载为阻感负载，设t2时刻以前，T1有驱动信号导通，T2截止，则u0=Ud/2。t2时刻关断的T1，同时给T2发出(fāchū)导通信号。由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，于是D2导通续流，u0=－Ud/2。t3时刻i。降至零，D2截止，T2导通，i。开始反向增大，此时仍然有u0=－Ud/2。在t4时刻关断T2，同时给T1发出(fāchū)导通信号，由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，D1先导通续流，此时仍然有u0=Ud/2；t5时刻i。降至零，T1导通，u0=Ud/2；图4.3.1电压型半桥逆变电路及其电压电流(diànliú)波形2、工作(gōngzuò)原理：缓冲电感反馈的无功能量第十页，共31页。缺点(quēdiǎn)：1）交流电压幅值仅为Ud/2；2）直流侧需分压电容器；3）为了使负载电压接近(jiējìn)正弦波通常在输出端要接LC滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输出电压中的高次谐波。优点：简单(jiǎndān)，使用器件少；应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；第十一页，共31页。4.3.2电压(diànyā)型单相全桥逆变电路全控型开关器件T1和T4构成一对桥臂，T2和T3构成一对桥臂,T1和T4同时通、断；T2和T3同时通、断。T1(T)4与T2(T3)的驱动(qūdònɡ)信号互补，即T1和T4有驱动(qūdònɡ)信号时，T2和T3无驱动(qūdònɡ)信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通180°。1、电路工作(gōngzuò)过程：第十二页，共31页。输出方波电压(diànyā)瞬时值：输出方波电压(diànyā)有效值：基波分量的有效值：图4.3.2电压型单相(dānxiānɡ)全桥逆变电路和电压、电流波形图(4.3.6)(4.3.4)(4.3.5)同单相半桥逆变电路相比，在相同负载(fùzài)的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。1）纯电阻负载时第十三页，共31页。0≤t＜Ts／4，Ts2≤t≤3Ts／4期间，D1、D4导通起负载电流(diànliú)续流作用，在此期间T1∼T4均不导通。图4.3.2电压型单相全桥逆变电路(diànlù)和电压、电流波形图2）电感(diànɡǎn)负载时由可得负载电流峰值为：(4.3.7)第十四页，共31页。0≤θ≤ωt期间，T1和T4有驱动信号，由于电流i0为负值(fùzhí)，T1和T4不导通，D1、D4导通起负载电流续流作用，u0=+Ud。θ≤ωt≤π期间，i0为正值，T1和T4才导通。π≤ωt≤π+θ期间，T2和T3有驱动信号，由于电流i0为负值(fùzhí)，T2、T3不导通，D2、D3导通起负载电流续流作用，u0=－Ud。π+θ≤ωt≤2π期间，T2和T3才导通。3）阻感负载(fùzài)RL时图4.3.2电压(diànyā)型单相全桥逆变电路和电压(diànyā)、电流波形图图4.3.2(e)所示是RL负载时直流电源输入电流的波形。图4.3.2(f)所示是RL负载时直流电源输入电流的波形。第十五页，共31页。4.3.3电压型三相(sānxiānɡ)桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为180°导电型，即每个桥臂的导电角为180°，同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各相开始导电的时间依次相差120°。在一个周期内，6个开关管触发导通的次序为T1→T2→T3→T4→T5→T6，依次相隔(xiānggé)60°，任一时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组合工作60°。图4.3.3电压型三相(sānxiānɡ)桥式逆变电路1、工作过程：第十六页，共31页。将一个工作周期分成(fēnchénɡ)6个区域。在0<ωt≤π/3区域，设ug1>0,ug2>0,ug3>0，则有T1，T2，T3导通，2、各相负载(fùzài)相电压和线电压波形：根据同样(tóngyàng)的思路可得其余5个时域的值线电压相电压图4.3.4电压型三相桥式逆变电路及其工作波形式中Ud为逆变器输入直流电压。第十七页，共31页。

3、负载(fùzài)相电压和线电压幅值分析：利用(lìyòng)博里叶分析，其相电压的瞬时值为：相电压基波幅(bōfú)值(4.3.8)(4.3.9)由上式可知，负载相电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波幅值为基波幅值的1/n。其线电压的瞬时值为：线电压基波幅值

(4.3.11)(4.3.10)由上式可知，负载线电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波幅值为基波幅值的1/n。第十八页，共31页。表4.3.1三相桥式逆变电路(diànlù)的工作状态表返回第十九页，共31页。4.4.1电流型单相桥式逆变(nìbiàn)电路当T1、T4导通，T2、T3关断时，I0=Id；反之，I0=-Id。当以频率f交替(jiāotì)切换开关管T1、T4和T2、T3时，则在负载上获得如图4.4.1（b）所示的电流波形。输出电流波形为矩形波，与电路负载性质无关，而输出电压波形由负载性质决定。主电路开关管采用自关断器件时，如果其反向不能承受高电压，则需在各开关器件支路串入二极管。图4.4.1电流型单相桥式逆变电路(diànlù)及电流波形1、电路工作过程：防反相高压恒流大电感4.4电流型逆变电路第二十页，共31页。其中基波(jībō)幅值I01m和基波(jībō)有效值I01分别为

(4.4.1)

(4.4.2)

(4.4.3)

将图4.4.1（b）所示的电流(diànliú)波形i0展开成傅氏级数,有2、电流(diànliú)波形参数计算：图4.4.1电流型单相桥式逆变电路及电流波形

第二十一页，共31页。导电方式为120°导通、横向换流方式，任意瞬间只有两个桥臂导通。导通顺序为1→T2→T3→T4→T5→T6，依次间隔60°，每个桥臂导通120°。这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。输出电流波形与负载性质(xìngzhì)无关。输出电压波形由负载的性质(xìngzhì)决定。图4.4.3电流型三相(sānxiānɡ)桥式逆变电路原理图及输出电流波形(4.4.4)

1、工作(gōngzuò)方式:输出电流的基波有效值I01和直流电流Id的关系式为：

返回第二十二页，共31页。4.5负载(fùzài)换流式逆变电路4.5.1并联谐振式逆变电路1、电路结构2、工作原理3、电路参数计算(jìsuàn)4.5.2串联谐振式逆变电路1、电路结构2、工作原理返回第二十三页，共31页。4.5.1并联谐振(xiézhèn)式逆变电路负载为中频电炉，实际上是一个感应线圈，图中L和R串联为其等效电路。因为负载功率因数很低，故并联补偿电容器C。电容C和电感L、电阻R构成并联谐振电路，所以称这种电路为并联谐振式逆变电路。本电路采用负载换流，即要求(yāoqiú)负载电流超前电压，因此，补偿电容应使负载过补偿，使负载电路工作在容性小失谐情况下。图4.6.1并联谐振(xiézhèn)式逆变电路的原理图１、电路结构:小电感，限制晶闸管电流上升率大滤波电感第二十四页，共31页。并联谐振式逆变电路属电流型，故其交流输出电流波形接近矩形波，其中包含基波和各次谐波。工作时晶闸管交替触发的频率应接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈现高阻抗(zǔkàng)，而对谐波呈现低阻抗(zǔkàng)，谐波在负载电路上几乎不产生压降，因此，负载电压波形为正弦波。又因基波频率稍大于负载谐振频率，负载电路呈容性，io超前电压uo一定角度，达到自动换流关断晶闸管的目的。图4.6.3并联谐振式逆变电路原理图及其工作(gōngzuò)波形２、工作(gōngzuò)原理：第二十五页，共31页。图4.6.2并联谐振式逆变电路换流(huànliú)的工作过程逆变电路换流(huànliú)的工作过程第二十六页，共31页。t2时刻触发T2，T3，电路开始换流。由于T2，T3导通时，负载两端电压施加到T1，T4的两端，使T1，T4承受负压关断。由于每个晶闸管都串有换相电抗器LT，故T1和T4在t2时刻不能立刻(lìkè)关断，T2，T3中的电流也不能立刻(lìkè)增大到稳定值。在换流期间，四个晶闸管都导通，由于时间短和大电感Ld的恒流作用，电源不会短路。当t=t4时刻，T1、T4电流减至零而关断，直流侧电流Id全部从T1、T4转移到T2、T3，换流过程结束。t4-t2=tr称为换流时间。T1、T4中的电流下降到零以后，还需一段时间后才能恢复正向阻断能力，因此换流结束以后，还要使T1、T4承受一段反压时间tβ才能保证可靠关断。tβ=t5－t4应大于晶闸管关断时间tq。图4.6.3并联谐振式逆变(nìbiàn)电路原理图及其工作波形第二十七页，共31页。为了保证电路可靠换流，必须在输出电压u0过零前tƒ时刻触发T2、T3，称tƒ为触发引前时间。为了安全起见，必须使

式中k为大于1的安全系数，一般取为2~3。 负载的功率因数(ɡōnɡlǜyīnshù)角φ由负载电流与电压的相位差决定，从图3.6.3可知：

其中ω为电路的工作频率。图4.6.3并联谐振(xiézhèn)式逆变工作波形（4.6.2）（4.6.1）第二十八页，共31页。如果忽略换流过程，i0为矩形(jǔxíng)波。展开成傅氏级数得