第四章_电力电子技术—逆变电路

1、l4.1换流方式换流方式l4.2电压型逆变电路电压型逆变电路l4.3电流型逆变电路电流型逆变电路l4.4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l 逆变概念逆变概念与整流相对应，直流电变成交流电与整流相对应，直流电变成交流电交流侧接电网，为交流侧接电网，为有源逆变有源逆变交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变无源逆变l 逆变与变频逆变与变频变频电路：变频电路：交交变频和交直交变频交交变频和交直交变频交直交变频交直交变频:交直变换交直变换(整流整流)和直交变换和直交变换(逆变逆变)两部分两部分l 逆变电路的主要应用逆变电路的主要应用各种直流电源向交流供电，如蓄电池、干电池、太阳

2、能电池各种直流电源向交流供电，如蓄电池、干电池、太阳能电池交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等核心交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等核心部分部分l 换流换流变流电路在工作中不断变流电路在工作中不断从一个支路从一个支路向向另一个另一个支路的转移支路的转移掌握1. 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理l 以单相桥式逆变电路为例以单相桥式逆变电路为例S1S4是桥式电路的是桥式电路的4个臂个臂最基本的工作原理最基本的工作原理 改变两组开改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频关切换频率，可改变输出交流电频率率电阻负载时电阻负载时，io和和uo的的波形相同波形相同，相位

3、也相同相位也相同阻感负载时阻感负载时，io相位相位滞后滞后于于uo，波波形也不同形也不同tuoiot1t2负载S1S2S3S4iouoUd阻感负载阻感负载掌握1. 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理l S1、S4闭合，闭合，S2、S3断开时，负载电压断开时，负载电压uo为正为正l S1、S4断开，断开，S2、S3闭合时，负载电压闭合时，负载电压uo为负为负掌握1. 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理l 换流过程换流过程t1时刻前，时刻前，S1、S4导通，导通， uo和和io为正为正t1时刻断开时刻断开S1、S4，合上，合上S2、S3 ， uo立刻变负。但立刻变负。但电感使电

4、感使io极性不能突极性不能突变而维持原方向变而维持原方向，即由负极经，即由负极经S2、S3流回正极，电感释放能量，流回正极，电感释放能量，io逐渐减逐渐减小，到小，到t2时刻为零并反向增大时刻为零并反向增大tuoiot1t2掌握2. 换流方式分类换流方式分类l换流方式主要是如何使器件关断换流方式主要是如何使器件关断l 换流方式换流方式器件换流器件换流利用利用全控型器件全控型器件的的自关断能力自关断能力进行换进行换流，如流，如IGBT 、电力、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控等全控型器件的换流型器件的换流电网换流电网换流电网提供换流电压电网提供换流电压的换流方式，即将的换流方式，即将负

5、的电网电压施加在欲关断的负的电网电压施加在欲关断的VT上即可使其关断。上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，不适用于没有交不需要器件具有门极可关断能力，不适用于没有交流电网的无源逆变电路，更多用于整流和有源逆变流电网的无源逆变电路，更多用于整流和有源逆变掌握2. 换流方式分类换流方式分类负载换流：负载换流：由由负载提供换流电压负载提供换流电压的换的换流方式流方式 适用于适用于负载电流相位超前负载电流相位超前于电压的场于电压的场合，如电容性负载和同步电动机合，如电容性负载和同步电动机 负载换流逆变电路：负载换流逆变电路：4个个VT构成桥臂；构成桥臂；负载为阻感和电容并联；工作在接近并联谐

6、负载为阻感和电容并联；工作在接近并联谐振状态而振状态而略呈容性略呈容性；直流侧串大电感，；直流侧串大电感，id基基本没有脉动，即本没有脉动，即io为矩形波为矩形波 负载对基波阻抗大而对谐波阻抗小，所负载对基波阻抗大而对谐波阻抗小，所以以uo接近正弦波接近正弦波 t1时刻触发时刻触发VT2、VT3导通，导通，uo加到加到VT1、VT4上使其关断。为使换流顺利完成，上使其关断。为使换流顺利完成，t1时时刻前，刻前，uo过零前需有足够裕量。过零前需有足够裕量。 t t t tOOOOiit1uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4了解无裕量时，极性与所标示的极性相反，V

7、T1、VT4，不能关断。+-2. 换流方式分类换流方式分类强迫换流：强迫换流：设置附加设置附加的的换流电路换流电路，给，给欲关断的欲关断的VT强迫施加强迫施加反压反压或或反电流反电流的的换流方式。通常利用换流方式。通常利用附加电容所储存能附加电容所储存能量量来实现，则也称为来实现，则也称为电容换流（电电容换流（电 分类：分类：直接耦合式直接耦合式强迫换流和强迫换流和电感电感耦合式耦合式强迫换流强迫换流直接耦合式直接耦合式强迫换流：由换流电路内电强迫换流：由换流电路内电容直接提供换流电压容直接提供换流电压 当当VT导通时，预先给电容充电，合导通时，预先给电容充电，合上上S，可使，可使VT被施加反

8、压而关断被施加反压而关断直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流了解2. 换流方式分类换流方式分类 电感耦合式电感耦合式强迫换流：通过换流电路内电容和电感的强迫换流：通过换流电路内电容和电感的耦耦合来提供合来提供换流电压或换流电流。换流电压或换流电流。电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流 VT在在LC振荡振荡第一个半周期第一个半周期内关断。即接通内关断。即接通S，LC电流反向电流反向流过流过VT，与，与原负载电流相减直原负载电流相减直到到VT正向合成电流至正向合成电流至0，再通过，再通过VD续流续流 VT在在LC振荡振荡第二个半周期第二个半周期内关断。即接通内关断。即接通S，LC电流正向电流正向流

9、过流过VT，与原负载电流叠加，与原负载电流叠加经经过半个振荡周期过半个振荡周期，反向流过，反向流过VT，直到直到VT合成正向电流减至合成正向电流减至0，再，再通过通过VD 两种情况都是两种情况都是VT正向电流减至正向电流减至0，且，且VD开始流过电流时关断开始流过电流时关断，VD的管压降就是加在的管压降就是加在VT上的反向电压，如上的反向电压，如电感耦合式强迫换流。电感耦合式强迫换流。过目2. 换流方式分类换流方式分类l 换流方式总结换流方式总结器件换流器件换流只适用于只适用于全控型器件全控型器件，其余三种方式主要是，其余三种方式主要是针针对对VT而言而言器件换流和强迫换流属于器件换流和强迫换

10、流属于自换流自换流，电网换流和负载换流，电网换流和负载换流属于属于外部换流外部换流熄灭熄灭当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在是在支路内部终止流通而变为零支路内部终止流通而变为零掌握电压型逆变电路电压型逆变电路又称为电压源型逆变又称为电压源型逆变电路电路直流侧是电压源直流侧是电压源电流型逆变电路电流型逆变电路又称为电流源型逆变又称为电流源型逆变电路电路直流侧是电流源直流侧是电流源l 电压型逆变电压型逆变电路特点电路特点直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动由于直流电压源的钳位作用，由于直流

11、电压源的钳位作用，输出电压为矩形波输出电压为矩形波，输出，输出电流因负载阻抗不同而不同电流因负载阻抗不同而不同阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管了解l 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路l 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路1. 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路半桥逆变电路半桥逆变电路l 电路结构电路结构由两个桥臂组成，由两个桥臂组成，每个桥臂为一个可每个桥臂为一个可控器件和一个反并联控器件和一个反并联VD直流侧有两个串联的大电容，两

12、个电直流侧有两个串联的大电容，两个电容的容的联结点联结点为直流电源的为直流电源的中点中点阻感负载联接在直流电源中点和两个阻感负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间桥臂联结点之间l 工作原理工作原理V1和和V2栅极信号在一个周期内各半周栅极信号在一个周期内各半周正偏，半周反偏，二者互补正偏，半周反偏，二者互补输出电压输出电压uo为矩形波，其幅值为为矩形波，其幅值为Um=Ud/2ttOOONoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2u掌握1. 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路半桥逆变电路半桥逆变电路l 工作原理工作原理t2时刻前，时刻前，V1为通态

13、，为通态，V2为断态为断态t2时刻给时刻给V1关断信号，给关断信号，给V2开通信号，开通信号，V1关断，但关断，但感性负载中的电流感性负载中的电流io不能不能立即改变方向，立即改变方向，VD2续流续流t3时刻时刻io降零时，降零时，VD2截止，截止，V2开通，开通，io开始反向开始反向导通与续流导通与续流 V1或或V2通时，通时，io和和uo同向，直流侧向同向，直流侧向负载提供能量负载提供能量 VD1或或VD2通时，通时，io和和uo反向，反向，L中贮能中贮能向直流侧反馈向直流侧反馈。VD1、VD2称为称为反馈二极管反馈二极管(又使又使io连续，又称续流二极管连续，又称续流二极管)ttOOON

14、oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2u掌握1. 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路半桥逆变电路半桥逆变电路l 注意注意V1、V2不能同时导通不能同时导通l 优点优点电路简单，使用器件少电路简单，使用器件少l 缺点缺点输出交流电压幅值为输出交流电压幅值为Ud/2，直流侧需两电容器串联，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡要控制两者电压均衡l 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变电路单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合的组合了解1. 单相电压型逆变电路单相电压型逆

15、变电路全桥逆变电路全桥逆变电路l 电路结构、原理及特点电路结构、原理及特点由四个桥臂构成，等价于两个半桥由四个桥臂构成，等价于两个半桥电路组合电路组合两对桥臂交替导通两对桥臂交替导通180输出输出为正负为正负180uo和和io波形与半桥电路形状相同，但幅值加倍波形与半桥电路形状相同，但幅值加倍半桥电路导通和续流区间与全桥对应，无功能量交换原理相同半桥电路导通和续流区间与全桥对应，无功能量交换原理相同uo为为180o脉冲，改变输出交流电压有效值只能靠改变脉冲，改变输出交流电压有效值只能靠改变Ud实现实现输出矩形波电压输出矩形波电压uo傅里叶级数傅里叶级数do1343155sin tsintUus

16、intddo1m27.14UUUdd1o9 . 022UUU基波幅值基波幅值Uo1m基波有效值基波有效值Uo11. 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路全桥逆变电路全桥逆变电路l 移相调压移相调压阻感负载时，还可阻感负载时，还可采用移相方式来采用移相方式来调节输出电压调节输出电压，即调节输出电压脉，即调节输出电压脉冲宽度冲宽度V1和和V2、V3和和V4栅极信号互补，栅极信号互补，V3比比V1落后落后 (0 180o)，V3、V4栅极信栅极信号分别比号分别比V2、V1前移前移180o- （同一对桥（同一对桥臂不再同步）臂不再同步）。输出电压输出电压uo不再是正负不再是正负各各180o的的脉冲，而

17、是正负各为脉冲，而是正负各为 的脉冲的脉冲工作过程工作过程 t1时刻前时刻前V1和和V4导通，导通， uo=Ud t1时刻时刻V4截止，截止，L中的中的io不能突变，不能突变，V3不能立刻导通，不能立刻导通，VD3导通续流导通续流， V1和和VD3导通，导通，uo=0了解1. 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路全桥逆变电路全桥逆变电路工作过程工作过程 t2时刻时刻V1截止，而截止，而V2不能立刻导通，不能立刻导通，VD2导通续流导通续流，和，和VD3构成电流通道构成电流通道，uo=-Ud io过零并开始反向，过零并开始反向，VD2和和VD3截截止止，V2和和V3开始导通，开始导通，uo仍为仍

18、为-Ud t3时刻时刻V3截止，而截止，而V4不能立刻导通，不能立刻导通，VD4导通续流，导通续流， V2和和VD4导通，又导通，又uo=0改变改变 就可调节输出电压就可调节输出电压了解2. 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l 电路结构电路结构由由三个单相逆变电路组合三个单相逆变电路组合三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 基本工作方式是基本工作方式是180o导电导电 同一相上下同一相上下两臂两臂交替交替导电导电，各相开始导电的角度，各相开始导电的角度差差 120o，任一瞬间有，任一瞬间有三个桥臂同时导通三个桥臂同时导通 每次换流都在同一相每次换流都在同一相上下两臂之间进行上下两臂之间进行，也

19、称为，也称为纵纵向换流向换流掌握2. 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l 工作波形工作波形 对于对于U相，当桥臂相，当桥臂1导通，导通，uUN=Ud/2，当桥臂，当桥臂4导通，导通，uUN=-Ud/2，uUN 是幅值为是幅值为Ud/2矩形波，矩形波，V、W和和U类似类似 负载线电压负载线电压 负载相电压负载相电压tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuuNN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu假想中点掌握 120o

20、 180o 180o 180o 120o（4-4）（4-5）2. 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l 工作波形工作波形 中点间电压中点间电压 三相对称负载，则三相对称负载，则)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu)(31 WN VN UNNNuuuuuNN为矩形波，频率为为矩形波，频率为uUN的的3倍，倍，幅值为其幅值为其1/3，即，即Ud/6根据式（根据式（4-5）求出）求出uUN的波形、的波形、uUN、uVN、uWN波形相同，相位依次差波形相同，相位依次差120o负载参数已知时，可由负载参数已知时，可由uUN波形求出波形求出iU波形波形tOtOtOtOtOt

21、OtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud33/阻感负载阻感负载了解（4-6）（4-7）=02. 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l 工作原理工作原理一相上下两桥臂间的一相上下两桥臂间的换流过程和半换流过程和半桥电路相似桥电路相似，如，如V1、V4 V1由通到断，由通到断，VD4续流，待负续流，待负载电流反向，载电流反向，V4导通，导通，VD4导通时导通时间取决于间取决于 大小大小 iU上升段，桥臂上升段，桥臂1导电：导电：iU0,V1导通导通 iU下降段，桥臂下降段，桥臂4导电：导电：iU0,VD4导通；导通；iU

22、0，则，则VD3仍承受反压不能导通，直到仍承受反压不能导通，直到uC13=eVU后，后，VD3才承受正压导通，进入才承受正压导通，进入VD3和和VD1同时导通的同时导通的VD换流阶段换流阶段- - +UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id- - +UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV了解2. 三相电流型逆变电三相电流型逆变电路路串联二极管式晶串联二极管式晶闸管电路闸管电路l 工作波形工作波形uC1波形和波形和uC13完全相同完全相同C3、C5串联使得充放电电流和电压串联使得充放电电流和电压变换均为变换均为C13一半，一半，uC3从从0变到变到-UC0，uC5从从UC0变到变到0，这些电压符合相隔这些电压符合相隔120o后从后从VT3到到VT5换流要求，为下次换流做准备换流要求，为下次换流做准备ttOuOiUCOuC13uC5uC3- -UCOIdiUiVt1t2t3了解2. 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路串串联二极管式晶闸管电路联二极管式晶闸管电路l 实例实例负载为同步电动机负载为同步电动机无换向器电动机：工作特性和调速方无换向器电动机：工作特性和调速方