详细逆变电路

1、第第4 4章章: : 无源逆变电路无源逆变电路 4.1 4.1 逆变器的性能指标与分类逆变器的性能指标与分类 4.2 4.2 逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理 4.3 4.3 电压型逆变电路电压型逆变电路 4.4 4.4 电流型逆变电路电流型逆变电路 4.54.5负载换流式逆变电路负载换流式逆变电路 4.14.1逆变器的性能指标与分类逆变器的性能指标与分类 1 1）定义：）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的交流电反送到电网去。的交流电反送到电网去。2 2）应用：）应用：直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级

2、调速、高压直流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。输电和太阳能发电等方面。1 1）定义：）定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到负载，即将直逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载2 2）应用：）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。十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。 1 1、有源逆变、有源逆变: :2 2、无源逆变、无源逆变：4

3、.1.14.1.1逆变器的性能指标逆变器的性能指标 （1 1）谐波系数）谐波系数HFHF：谐波分量有效值同基波分量有致值：谐波分量有效值同基波分量有致值之比。之比。 （2 2）总谐波系数：总谐波系数表征了一个实际波形）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程度。同其基波的接近程度。（5 5）电磁干扰（）电磁干扰（EMIEMI）和电磁兼容性（）和电磁兼容性（EMCEMC）（3 3）逆变效率）逆变效率（4 4）单位重量的输出功率）单位重量的输出功率: :衡量逆变器输出率密度的衡量逆变器输出率密度的指标。指标。4.1.2 4.1.2 逆变电路的分类逆变电路的分类 电压型：电压型：输人

4、端并接有大电容，输入直流电源为恒压源，逆变器输人端并接有大电容，输入直流电源为恒压源，逆变器将直流电压变换成交流电压。将直流电压变换成交流电压。 电流型：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。将输入的直流电流变换为交流电流输出。（1 1）、根据输入直流电源特点分类）、根据输入直流电源特点分类 半桥式逆变电路；半桥式逆变电路； 全桥式逆变电路；全桥式逆变电路； 推换式逆变电路；推换式逆变电路； 其他形式：如单管晶体管逆变电路。其他形式：如单管晶体管逆变电路。（2 2）、根据电路的结构特点分类）、

5、根据电路的结构特点分类4.1.24.1.2逆变电路的分类逆变电路的分类（3 3）、根据换流方式分类）、根据换流方式分类（4 4）、根据负载特点分类）、根据负载特点分类 非谐振式逆变电路非谐振式逆变电路 谐振式逆变电路谐振式逆变电路 负载换流型逆变电路；负载换流型逆变电路； 脉冲换流型逆变电路；脉冲换流型逆变电路； 自换流型逆变电路。自换流型逆变电路。4.1.3 4.1.3 逆变电路用途逆变电路用途 1 1、可以做成变频变压电源（、可以做成变频变压电源（VVVFVVVF），主要用于交），主要用于交流电动机调速。流电动机调速。 2 2、可以做成恒频恒压电源（、可以做成恒频恒压电源（CVCFCVCF

6、），其典型代表为），其典型代表为不间断电源（不间断电源（UPSUPS）、航空机载电源、机车照明，通信等）、航空机载电源、机车照明，通信等辅助电源也要用辅助电源也要用CVCFCVCF电源。电源。 3 3、可以做成感应加热电源，例如中频电源，、可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电源等。高频电源等。逆变器的用途十分广泛：逆变器的用途十分广泛：返回返回4.2 4.2 逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理 开关开关T1、T4闭合，闭合，T2、T3断开：断开：u0=Ud； 开关开关T1、T4断开，断开，T2、T3闭合：闭合：u0=Ud ; 当以频率当以频率fS交替切换开关交替切换开关T1、T4和和T

7、2、T3时，则在电阻时，则在电阻R上获得如图上获得如图4.2.4(b)所示的交变电压波形，其周期所示的交变电压波形，其周期Ts=1/fS，这样，就将直流电压，这样，就将直流电压E变成了变成了交流电压交流电压uo。uo含有各次谐波，如果想含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。获得。图图4.2.1 单相桥式逆变电路工作原理单相桥式逆变电路工作原理 1、主要功能、主要功能: 图图4.2.1(a)中主电路开关中主电路开关T1T4，它实际是各种半导体开关器件的，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、可关一种

8、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（断晶闸管（GTO）、功率晶体管（）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（）、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。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、工作原理：返回返回 它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件和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够大的电容C1和和C2，且满足，且满足C1

9、=C2。设感性负载连接在。设感性负载连接在A、0两点间。两点间。 T1和和T2之间存在死区时间，以避免上、下直通，在死之间存在死区时间，以避免上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱动信号。区时间内两晶闸管均无驱动信号。1.1.电压型逆变电路电压型逆变电路半桥逆变电路结构及波形：半桥逆变电路结构及波形：4.3.1 4.3.1 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路4.3 4.3 电压型逆变电路电压型逆变电路 动动画画 输出输出电压有效值电压有效值为为: 由傅里叶分析，输出由傅里叶分析，输出电压瞬时值电压瞬时值为为: 其中，其中， 为输出电压角频率。为输出电压角频率。 当当 n=1时其时其基

10、波分量的有效值基波分量的有效值为为: 22122/0dTdSOUdtUTUS tnnUundo sin2, 5 , 3, 1 ddOUUU45. 0221(4.3.1)(4.3.2)(4.3.3)sf 2 在一个周期内，电力晶体管在一个周期内，电力晶体管T1和和T2的基极信号的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。各有半周正偏，半周反偏，且互补。 若负载为阻感负载，设若负载为阻感负载，设t2时刻以前，时刻以前，T1有驱动信有驱动信号导通，号导通，T2截止，则截止，则 u0=Ud/2。 t2时刻关断的时刻关断的T1，同时给，同时给T2发出导通信号。由于发出导通信号。由于感性负载中的电流感性负载

11、中的电流i。不能立即改变方向，于是。不能立即改变方向，于是D2导导通续流，通续流，u0=Ud /2 。 t3时刻时刻i。降至零，。降至零，D2截止，截止，T2导通，导通，i。开始反。开始反向增大，此时仍然有向增大，此时仍然有u0=Ud /2 。 在在t4时刻关断时刻关断T2，同时给，同时给T1发出导通信号，由于发出导通信号，由于感性负载中的电流感性负载中的电流i。不能立即改变方向，。不能立即改变方向，D1先导通先导通续流，此时仍然有续流，此时仍然有u0=Ud /2 ； t5时刻时刻 i。降至零，。降至零， T1导通，导通，u0=Ud /2 ； 图图4.3.1 电压型半桥逆变电路及其电压电流波形

12、电压型半桥逆变电路及其电压电流波形2 2、工作原理：工作原理：缓缓冲冲电电感感反反馈馈的的无无功功能能量量缺点：缺点：1）交流电压幅值仅为）交流电压幅值仅为Ud/2；2）直流侧需分压电容器；）直流侧需分压电容器；3 3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接接LC滤波器，输出滤波器滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输滤除逆变器输出电压中的高次谐波。出电压中的高次谐波。 优点：优点： 简单，使用器件少；简单，使用器件少；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；4.3.2 4.3.2 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电

13、路 全控型开关器件全控型开关器件T1和和T4构成一对桥臂，构成一对桥臂，T2和和T3构成一对桥臂构成一对桥臂, T1和和T4同时通、断；同时通、断；T2和和T3同时通、断。同时通、断。T1(T)4与与T2(T3)的驱动信的驱动信号互补，即号互补，即T1和和T4有驱动信号时，有驱动信号时，T2和和T3无无驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通180。1、电路工作过程：、电路工作过程： 输出方波电压瞬时值：输出方波电压瞬时值： 输出方波电压有效值：输出方波电压有效值： 基波分量的有效值：基波分量的有效值：图图4.3.2 电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图

14、电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图(4.3.6)ddOUUU9 . 0241 dTdsOUdtUTUs 22/01tnnUundo sin4,5,3, 1 (4.3.4)(4.3.5) 同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相情况下，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。半桥逆变电路的两倍。1 1）纯电阻负载时）纯电阻负载时 0tTs4，T Ts s2t3T2t3Ts s4 4期间，期间，D1、D4导通起负载电流续导通起负载电流续流作用，在此期间流作用，在此期间T T1 1 T T4 4均不导通。均不导

15、通。图图4.3.2 电压型单相全桥逆变电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 2 2）电感负载时）电感负载时22somodTILdtdiLU dsomULTI4 由由可得负载电流峰值为：可得负载电流峰值为：(4.3.7) 0t期间，期间，T1和和T4有驱动信号，有驱动信号，由于电流由于电流i0为负值，为负值，T1和和T4不导通，不导通，D1、D4导通起负载电流续流作用，导通起负载电流续流作用， u0=+Ud。 t期间，期间， i0为正值，为正值，T1和和T4才导通。才导通。 t+期间，期间，T2和和T3有驱动有驱动信号，由于电流信号，由于电流i0为负值，为负值，T2、

16、T3不导不导通，通，D2、D3导通起负载电流续流作用，导通起负载电流续流作用， u0=Ud 。 +t2期间，期间，T2和和T3才导通。才导通。3 3）阻感负载）阻感负载RLRL时时图图4.3.2 电压型单相全桥逆变电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 图图4.3.2(e)所示是所示是RL负载时直流电源输负载时直流电源输入电流的波形。图入电流的波形。图4.3.2(f)所示是所示是RL负载时负载时直流电源输入电流的波形。直流电源输入电流的波形。4.3.3 4.3.3 电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路 电压型三相桥式逆变电路的基电压型三相桥式逆变电路的基本工作

17、方式为本工作方式为180180导电型，即每个导电型，即每个桥臂的导电角为桥臂的导电角为180180，同一相上下，同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各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相开始导电的时间依次相差120120。 在一个周期内，在一个周期内，6 6个开关管触个开关管触发导通的次序为发导通的次序为T T1 1TT2 2 T T3 3 T T4 4 TT5 5TT6 6 ，依次相隔，依次相隔6060，任一时，任一时刻均有三个管子同时导通，导通的刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为组合顺序为T T1 1T T2 2T T3 3，T T2 2T T3 3T T4 4

18、，T T3 3T T4 4T T5 5，T T4 4T T5 5T T6 6，T T5 5T T6 6T T1 1，T T6 6T T1 1T T2 2，每种组合工，每种组合工作作6060。图图4.3.3 电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路 1 1、工作过程：、工作过程： 将一个工作周期分成将一个工作周期分成6个区域。个区域。 在在00, ug20, ug30，则有，则有T1，T2，T3导通，导通，dcadbcabUuUuu0dcNdbNdaNUuUuUu323131 2 2、各相负载相电压和线电压波形：、各相负载相电压和线电压波形：根据同样的思路可得其余根据同样的思路可得其余5个时

19、域的值个时域的值线线电电压压相相电电压压图图4.3.4 4.3.4 电压型三相桥式逆变电路及其工作波形电压型三相桥式逆变电路及其工作波形式中式中Ud为逆变器输入直流电压。为逆变器输入直流电压。 3 3、负载相电压和线电压幅值分析：、负载相电压和线电压幅值分析：利用博里叶分析，其利用博里叶分析，其相电压的瞬时值相电压的瞬时值为：为： tttttUudBN 13sin13111sin1117sin715sin51sin2 dmBNUU21 相电压基波幅值相电压基波幅值 (4.3.8)(4.3.9)由上式可知，负载相电压中无由上式可知，负载相电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，次谐波，只含更高阶奇

20、次谐波，n次谐波次谐波幅值为基波幅值的幅值为基波幅值的1/n。其其线电压的瞬时值线电压的瞬时值为：为： tttttUudBC 13sin13111sin1117sin715sin51sin32线电压基波幅值线电压基波幅值 dmBCUU21 (4.3.11)(4.3.10)由上式可知，负载由上式可知，负载线线电压中无电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波次谐波幅值为基波幅值的幅值为基波幅值的1/n。表表4.3.1三相桥式逆变电路的工作状态表三相桥式逆变电路的工作状态表返回返回4.4.1 4.4.1 电流型单相桥式逆变电路电流型单相桥式逆变电路 当当T1、T4导

21、通，导通，T2、T3关断时，关断时，I0=Id ；反之，；反之，I0=-Id 。 当以频率当以频率f交替切换开关管交替切换开关管T1、T4和和T2、T3时，则在负载上获得如图时，则在负载上获得如图 4.4.1（b）所示的电流波形。）所示的电流波形。 输出电流波形为矩形波，与电路负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载性质无关，而输出电压波形由负载性质决定。性质决定。 主电路开关管采用自关断器件时，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，则需在如果其反向不能承受高电压，则需在各开关器件支路各开关器件支路串入二极管串入二极管。图图4.4.1 电流型单相桥式

22、电流型单相桥式 逆变电路及电流波形逆变电路及电流波形 1、电路工作过程：、电路工作过程：防反相高压防反相高压恒流大电感恒流大电感4.4 4.4 电流型逆变电路电流型逆变电路其中基波幅值其中基波幅值I01m和基波有效值和基波有效值I01分别为分别为 (4.4.1) (4.4.2) (4.4.3) )5sin513sin31(sin4 tttIido ddmIII27. 1401 ddIII9 . 02401 将图将图4.4.1（b）所示的电流波形所示的电流波形i0展开成傅氏级数展开成傅氏级数,有有2、电流波形参数计算：、电流波形参数计算： 图图4.4.1 电流型单相桥式电流型单相桥式 逆变电路及

23、电流波形逆变电路及电流波形 导电方式导电方式为为120导通、横向换流方式，导通、横向换流方式，任意瞬间只有两个桥臂导通。任意瞬间只有两个桥臂导通。 导通顺序导通顺序为为1T2T3T4T5T6，依，依次间隔次间隔60，每个桥臂导通，每个桥臂导通120。这。这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。各有一个臂导通。 输出电流波形输出电流波形与负载性质无关。与负载性质无关。 输出电压波形输出电压波形由负载的性质决定。由负载的性质决定。图图4.4.3 电流型三相桥式逆变电路原理图及输出电流波形电流型三相桥式逆变电路原理图及输出电流波形 (4.4.4) 1、工

24、作方式、工作方式: 输出电流的基波有效值输出电流的基波有效值I01和直和直流电流流电流Id的关系式为：的关系式为： ddIII78. 0601 返回返回4.5 4.5 负载换流式逆变电路负载换流式逆变电路4.5.1 并联谐振式逆变电路并联谐振式逆变电路 1、电路结构、电路结构 2、工作原理、工作原理 3 、电路参数计算、电路参数计算 4.5.2 串联谐振式逆变电路串联谐振式逆变电路 1、电路结构、电路结构 2、工作原理、工作原理 返回返回4.5.1 4.5.1 并联谐振式逆变电路并联谐振式逆变电路 负载为中频电炉，实际上是一个感负载为中频电炉，实际上是一个感应线圈，图中应线圈，图中L L和和R

25、 R串联为其等效电路。串联为其等效电路。因为负载功率因数很低，故并联补偿电因为负载功率因数很低，故并联补偿电容器容器C C。电容电容C C和电感和电感L L、电阻电阻R R构成并联谐振构成并联谐振电路，所以称这种电路为并联谐振式逆电路，所以称这种电路为并联谐振式逆变电路。变电路。本电路采用负载换流，即要求负载本电路采用负载换流，即要求负载电流超前电压，因此，电流超前电压，因此，补偿电容应使负补偿电容应使负载过补偿，使负载电路工作在容性小失载过补偿，使负载电路工作在容性小失谐情况下谐情况下。 图图4.6.1 并联谐振式逆变电路的原理图并联谐振式逆变电路的原理图 、电路结构、电路结构: :小电感，

26、限制晶闸小电感，限制晶闸管电流上升率管电流上升率大滤波电感大滤波电感并联谐振式逆变电路属并联谐振式逆变电路属电流型电流型，故，故其交流输出电流波形接近矩形波，其中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。包含基波和各次谐波。工作时晶闸管交替触发的频率应接工作时晶闸管交替触发的频率应接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈近负载电路谐振频率，故负载对基波呈现现高阻抗高阻抗，而对谐波呈现，而对谐波呈现低阻抗低阻抗，谐波，谐波在负载电路上几乎不产生压降，因此，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

27、性，稍大于负载谐振频率，负载电路呈容性，io超前电压超前电压uo一定角度，达到自动换流一定角度，达到自动换流关断晶闸管的目的。关断晶闸管的目的。 图图4.6.3 并联谐振式逆变电路原理图及其工作波形并联谐振式逆变电路原理图及其工作波形 、工作原理：、工作原理：图图4.6.2 并联谐振式逆变电路换流的工作过程并联谐振式逆变电路换流的工作过程 逆变电路换流的工作过程逆变电路换流的工作过程t2时刻触发时刻触发T2，T3 ，电路开始换流。由，电路开始换流。由于于T2，T3导通时，负载两端电压施加到导通时，负载两端电压施加到T1，T4的两端，使的两端，使T1，T4承受负压关断。由于每承受负压关断。由于每

28、个晶闸管都串有换相电抗器个晶闸管都串有换相电抗器LT ，故故T1和和T4在在t2时刻不能立刻关断，时刻不能立刻关断，T2，T3中的电流也中的电流也不能立刻增大到稳定值。不能立刻增大到稳定值。在换流期间，四个晶闸管都导通，由于在换流期间，四个晶闸管都导通，由于时间短和大电感时间短和大电感Ld的恒流作用，电源不会短的恒流作用，电源不会短路。路。当当t=t4时刻，时刻，T1、T4电流减至零而关断，电流减至零而关断，直流侧电流直流侧电流Id全部从全部从T1、T4转移到转移到T2、T3 ，换流过程结束。换流过程结束。t4-t2=tr称为换流时间。称为换流时间。T1、T4中的电流下降到零以后，还需一段时中

29、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，因此换流结束间后才能恢复正向阻断能力，因此换流结束以后，还要使以后，还要使T1、T4承受一段反压时间承受一段反压时间t才才能保证可靠关断。能保证可靠关断。t=t5t4应大于晶闸管关应大于晶闸管关断时间断时间tq。 图图4.6.3 并联谐振式逆变并联谐振式逆变电路原理图及其工作波形电路原理图及其工作波形 为了保证电路可靠换流，必须为了保证电路可靠换流，必须在输出电压在输出电压u0过零前过零前t时刻触发时刻触发T2、T3，称，称t为触发引前时间。为了安为触发引前时间。为了安全起见，必须使全起见，必须使 式中式中k为大于为大于1的安全系数，一般取为的安全系数，一般取为23。负载的功率因数角负载的功率因数角由负载电由负载电流与电压的相位差决定，从图流与电压的相位差决定，从图3.6.3可知：可知： 其中其中为电路的工作频率。为电路的工作频率。图图4.6.3 并联谐振式逆变并联谐振式逆变工作波形工作波形 （4.6.2）（4.6.1）qrfkttt )2( ttr 如果忽略换流过程，如果忽略换流过程，i0为矩形波。展开成傅氏级数得为矩形波。展开成傅氏级数得 tttIi