第4章__逆变电路

1、1第第4章章 逆变电路逆变电路 2第第4章章 逆逆变电路变电路 引言引言1、有源逆变：、有源逆变：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。频率的交流电反送到电网去。2）应用：）应用：用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、用于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。高压直流输电和太阳能发电等方面。2、无源逆变：、无源逆变：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

2、逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。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：）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。用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。3逆变的相关知识逆变的相关知识1、逆变电路的分类、逆变电路的分类（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 电压型：电压型：电压型逆变器的输人端并接有大电容，输入直流电源电压型逆变器的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。为恒压源，逆变器将直流电压变换成交流

3、电压。 电流型：电流型：电流型逆变器的输入端串接有大电感，输入直流电源电流型逆变器的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为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出。输出。（2）根据电路的结构特点分类）根据电路的结构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；推挽式逆变电路；推挽式逆变电路；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4逆变的相关知识逆变的相关知识1、逆变电路的分类、逆变电路的分类（3）根据换流方式分类）根据换流方式分类 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

4、换流型逆变电路； 自换流型逆变电路。自换流型逆变电路。（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5逆变的相关知识逆变的相关知识2、逆变器的用途、逆变器的用途逆变器的用途十分广泛：逆变器的用途十分广泛：（1）可以做成变频变压电源（）可以做成变频变压电源（VVVF），），主要用于交流电动机调速。主要用于交流电动机调速。（2）可以做成恒频恒压电源（）可以做成恒频恒压电源（CVCF），），其典型代表为不间断电源（其典型代表为不间断电源（UPS）、航空）、航空机载电源、机车照明，通信等辅助电源也机载电源、机车照明，通信等辅助电源也要用要用CV

5、CF电源。电源。（3）可以做成感应加热电源，例如中频）可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电源等。电源，高频电源等。64.1 换流方式换流方式7l以以单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路为例说明最基本的工为例说明最基本的工作原理作原理4.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理图4-1 逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。84.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载时，负载电压电压uo为为正。S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电

6、压时，负载电压uo为为负。直流电交流电94.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理逆变电路最基本的工逆变电路最基本的工作原理作原理 改变两改变两组开关切换频率，可组开关切换频率，可改变输出交流电频率。改变输出交流电频率。图4-1 逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电阻负载电阻负载时，负载电流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感负载阻感负载时，i io o相位滞后于u uo o，波形也不同。104.1.2 换流方式分类换流方式分类l换流电流从一个支路向另一个支路电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为转移的过程，也称为换相。开通：适当的门极驱动信号

7、就可使器件开通。关断：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。l本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在本章集中讲述。114 types of commutation124.1.2 换流方式分类换流方式分类1) 器件换流器件换流（Device Commutation）利用全控型器件的自关断能力进行换流。利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用在采用IGBT 、电力、电力MOSFET 、GTO 、GTR等等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。全控型器件的电路中的换流方

8、式是器件换流。2) 电网换流电网换流（Line Commutation）电网提供换流电压的换流方式。电网提供换流电压的换流方式。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使将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，但不其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。适用于没有交流电网的无源逆变电路。3) 负载换流负载换流（Load Commutation）4) 强迫换流强迫换流（Forced Commutation）134.1.2 换流方式分类换流方式分类图4-2 负载换流电路及其工作波形 由负载提供换流电压的换流方式。由负载提供

9、换流电压的换流方式。负载电流的相位超前于负载电压的场负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。合，都可实现负载换流。如图是基本的如图是基本的负载换流负载换流电路，电路，4个桥个桥臂均由晶闸管组成。臂均由晶闸管组成。整个负载工作在接近并联谐振状态而整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。略呈容性。直流侧串电感，工作过程可认为直流侧串电感，工作过程可认为id 基基本没有脉动。本没有脉动。负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以小。所以uo接近正弦波接近正弦波。注意注意触发触发VT2、VT3的时刻的时刻t t1必须在必须在uo o过零前并留有足够的裕量，

10、才能过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。使换流顺利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4144)强迫换流强迫换流（Forced Commutation）4.1.2 换流方式分类换流方式分类由换流电路内电容直接提供换流电压直接耦合式强迫换流通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流电感耦合式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压或反电流的换流方式称为强迫换流强迫换流。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流电容换流。分类154.1.2 换流方式分类换流方式分类

11、直接耦合式直接耦合式强迫换流强迫换流 当晶闸管当晶闸管VTVT处于通态时，处于通态时，预先给电容充电。当预先给电容充电。当S S合上，合上，就可使就可使VTVT被施加反压而关断。被施加反压而关断。 也叫也叫电压换流电压换流。图4-3直接耦合式强迫换流原理图图4-4 电感耦合式强迫换流原理图电感耦合式电感耦合式强迫换流强迫换流 先使晶闸管电流减为零，先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其然后通过反并联二极管使其加上反向电压。加上反向电压。 也叫也叫电流换流电流换流。164.1.2 换流方式分类换流方式分类换流方式总结：换流方式总结：器件换流器件换流适用于全控型器件。适用于全控型器件。其余

12、三种方式其余三种方式针对晶闸管。针对晶闸管。器件换流和强迫换流器件换流和强迫换流属于自换流。属于自换流。电网换流和负载换流电网换流和负载换流属于外部换流。属于外部换流。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，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。174.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 根据直流侧电源性质的不同根据直流侧电源性质的不同电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Inverter-VSI直流侧是电压源电压源电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路Current Source Inve

13、rter-CSI直流侧是电流源电流源184.2 电压型逆变电路电压型逆变电路2）电压型逆变电路的特）电压型逆变电路的特点点图4-5 电压型全桥逆变电路 (1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动无脉动。 (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。194.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 204.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路1）半桥逆变电路半桥逆变电路u图46 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5

14、t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理工作原理 V1和和V2栅极信号在一周期内各半栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压输出电压u uo o为矩形波，幅值为为矩形波，幅值为Um=Ud/2。 V1或或V2通时，通时，i io o和和u uo o同方向，直流同方向，直流侧向负载提供能量；侧向负载提供能量；VD1或或VDVD2 2通通时，时，i io o和和u uo o反向，电感中贮能向直反向，电感中贮能向直流侧反馈。流侧反馈。VDVD1 1、VDVD2 2称为称为反馈二反馈二极管极管, ,它又起着使负载电流连续的它又起着使负载电流连续的

15、作用，又称作用，又称续流二极管续流二极管。214.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路l优点：优点：电路简单，使用器件少。电路简单，使用器件少。缺点：缺点：输出交流电压幅值为输出交流电压幅值为U Ud d/2/2，且直流侧，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。需两电容器串联，要控制两者电压均衡。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。l单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。变电路的组合。22电流型逆变电路主要电流型逆变电路主要特特点点 (1) 直流侧串大电感，电流基直流侧串大电感，电流基 本无脉

16、动，相当于电流源。本无脉动，相当于电流源。4.3 电流型逆变电路电流型逆变电路直流电源为电流源直流电源为电流源的逆变电路称为的逆变电路称为电电流型逆变电路流型逆变电路。图4-11 电流型三相桥式逆变电路 (2) 交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位 因负载不同而不同。因负载不同而不同。 (3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。换流方

17、式有负载换流、强迫换流。换流方式有负载换流、强迫换流。234.3 电流型逆变电路电流型逆变电路 244.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路1) 电路原理电路原理图412 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路由四个桥臂构成，每个桥由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开抗器，用来限制晶闸管开通时的通时的di/dt。工作方式为工作方式为负载换相负载换相。电容电容C C和和L L 、R R构成并联谐构成并联谐振电路。振电路。l 输出电流波形接近矩形波，输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。谐波

18、幅值远小于基波。254.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4图413并联谐振式逆变电路工作波形2) 工作分析工作分析一个周期内有两一个周期内有两个导通阶段和两个导通阶段和两个换流阶段。个换流阶段。t t1 1 t t2 2：VTVT1 1和和VTVT4 4稳定导通阶段稳定导通阶段，i i= =I Id d，t t2 2时时刻前在刻前在C C上建立了左正右负的电压。上建立了左正右负的电压。t t2 2 t t4 4：t

19、t2 2时触发时触发VTVT2 2和和VTVT3 3开通，进入开通，进入换流阶换流阶段段。 L LT T使使VTVT1 1、VTVT4 4不能立刻关断，电流有一个减不能立刻关断，电流有一个减小过程。小过程。VTVT2 2、VTVT3 3电流有一个增大过程。电流有一个增大过程。 4 4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。联的放电回路同时放电。 L LT1T1、VTVT1 1、VTVT3 3、L LT3T3到到C C；另一个经；另一个经L LT2T2、VTVT2 2、VTVT4 4、L LT4T4到到C C。264.3.1 单相电流型逆

20、变电路单相电流型逆变电路t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。t4t2= tg g 称为换流时间换流时间。保证晶闸管的可靠关断保证晶闸管的可靠关断晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tb。tb b= t5- t4应大于晶闸管的关断时间tq。 。io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4图413并联谐振式逆变电路工作波形27

21、 为保证可靠换流应在为保证可靠换流应在uo过零前过零前td d= t5- t2时刻触发时刻触发VT2、VT3 。. td d 为为触发触发引前时间引前时间 (4-16) io超前于超前于uo的时间的时间 (4-17) 表示为电角度表示为电角度 (4-18) w w为电路工作角频率；为电路工作角频率；g g、b b分别是分别是tg g、tb b对应的电角度。对应的电角度。 忽略换流过程，忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数可近似成矩形波，展开成傅里叶级数 (4-19) 基波电流有效值基波电流有效值 (4-20) 负载电压有效值负载电压有效值Uo和直流电压和直流电压Ud的关系（忽略的

22、关系（忽略Ld的损的损 耗，忽略晶闸管压降）耗，忽略晶闸管压降） (4-21)4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路tttbgttt2bgwbg22tttttIiwww5sin513sin31sin4dodd1o9 . 024IIIcos11. 1cos22ddoUUU284.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为这种控制方式称为自励方式。固定工作频率的控制方式称为固定工作频率的控制方式称为他励方式。自励

23、方式存在起动问题，解决方法：自励方式存在起动问题，解决方法：先用他励方式，系统开始工作后再转入自励先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。方式。附加预充电起动电路。附加预充电起动电路。29第第4章章 逆逆变电路变电路 小结小结l 讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理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，四大类基本变流电路中，AC/DC和和DC/AC两类电路两类电路更为基本、更为重要更为基本、更为重要l 换流方式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和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。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晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。所下降。30第第4章章 逆逆变电路变电路 小结小结l逆变电路分类方法可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类