电力电子大学教程第4章--逆变电路m

1、 第第4章章 逆变电路逆变电路逆变电路逆变电路将直流电变为交流电将直流电变为交流电实用范围：实用范围：办公设备：笔记本电脑、移动电话、打印机、显示器家用电器：录象机、音响、DVD、VCD及电冰箱郊外旅游：野外照明、微波炉、烹饪等户外作业：电动工具，车辆求援，抢险救灾，商业促销等休闲娱乐：手机、PDA、数码摄象机、数码相机、电池充电及GPS卫星导航等 产品特点：产品特点：1、采用进口元器件制造，先进的电路设计，使得逆变器、采用进口元器件制造，先进的电路设计，使得逆变器的转换效率高达的转换效率高达90%，严格生产质量管理体系，现代化流，严格生产质量管理体系，现代化流水生产，保证了产品质量。水生产，

2、保证了产品质量。2、内部保护电路防止了电脉冲或电压波动的影响，能承、内部保护电路防止了电脉冲或电压波动的影响，能承受压缩机、电视显示器等冲击功率较大的用电器安全启动，受压缩机、电视显示器等冲击功率较大的用电器安全启动，电源开关可彻底切断内部电路，断后可保护电瓶不受损失。电源开关可彻底切断内部电路，断后可保护电瓶不受损失。3、自我保护设计，使得当电压低于、自我保护设计，使得当电压低于10V时，就会自动关时，就会自动关闭，保证了蓄电池有足够的电能启动车辆。闭，保证了蓄电池有足够的电能启动车辆。4、过热或过、过热或过载时会自动关闭；恢复正常后又会自动启动。工作时无噪载时会自动关闭；恢复正常后又会自动

3、启动。工作时无噪音，正常使用可运行多年不需维护。音，正常使用可运行多年不需维护。5、输入输出方式多、输入输出方式多样：样：12V输入、输入、24V输入、点烟器输入、电瓶直接输入；输入、点烟器输入、电瓶直接输入；220V交流输出、交流输出、110V交流输出等，完全能满足国内外用交流输出等，完全能满足国内外用户对交流用电的需求。户对交流用电的需求。 本章讲述无源逆变本章讲述无源逆变第第4章章 逆逆变电路变电路 引言引言逆变逆变与整流相对应，直流电变成交流电与整流相对应，直流电变成交流电l交流侧接电网，为交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。l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

4、频逆变与变频l变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。l交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。后一部分就是逆变。主要应用主要应用直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等带交流负载直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等带交流负载交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电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。力电子装置的核心部分都是逆变电路。直流电交流电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S1,4闭合闭合

5、，S2,3断开断开时S S1 1S S4 4是桥式电路的是桥式电路的4 4个臂，个臂，由器件及辅助电路组成。由器件及辅助电路组成。改变开关切换频率，可改变开关切换频率，可改变输出交流电频率改变输出交流电频率S1,4断开断开，S2,3闭合闭合时u uo o=-U=-Ud du uo o=U Ud dU Ud du uo oU Ud d-U-Ud dtt开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。关断：关断：全控型器件可通过门极关断。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。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

6、过零后施加一定时间反压，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。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本章换流及换流方式问题最为全面集中, ,因此安排在因此安排在本章集中讲述。本章集中讲述。 4.1.2 换流方式分类换流方式分类l换流换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为也称为换相换相。 4.1.2 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

7、采用在采用IGBT 、电力、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。件的电路中的换流方式是器件换流。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其关断。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，但不适用于没有交流电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。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 Com

8、mutation）负载换流工作波形负载换流工作波形 ?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4 4.1.2 换流方式分类换流方式分类由负载提供换流电压的换流方式由负载提供换流电压的换流方式3 3）负载换流）负载换流VT1,4通时，电容上电压：通时，电容上电压：VT2,3承受正向电压承受正向电压此时触发此时触发VT2,3 能通能通VT2,3导通后，导通后， VT1,4承受反压承受反压 实现负载换流实现负载换流什么样的电路能实现负载换流？什么样的电路能实现负载换流？关断关断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

9、电路内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通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为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。 4.1.2 换流方式分类换流方式分类4)强迫换流强迫换流（Forced Commutation）先使晶闸管电流减为零，然后通过先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压。反并联二极管使其加上反向电压。电流在支路内部终止流通而变为零，称为电流在支路内部终止流通而变为零，称为熄灭熄灭。电压型逆变

10、电路电压型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTIVoltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是直流侧是电压源电压源电流型逆变电路电流型逆变电路 Current Source Type Inverter-CSTICurrent Source Type Inverter-CSTI直流侧是直流侧是电流源电流源4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同根据直流侧电源性质的不同2 2）电压型逆变电路的特点）电压型逆变电路的特点(1)(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧为电压源或并联大电容， 相当于

11、大电源。相当于大电源。(2)(2)输出电压为矩形波，且与输出电压为矩形波，且与无关无关 输出电流因负载阻抗不同而不同。输出电流因负载阻抗不同而不同。(3)(3)阻感负载时需提供无功功率。为阻感负载时需提供无功功率。为给交流侧向直流侧反馈的无功能量提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供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路ttuG1uG2t1t2t3tiouot4t5器件导通情况器件导通情况控制信号控制信号u0i0开开V1,关关V2开开V2,关关V1V1VD2V2VD1VD1+-+-工作原理工作原理1 1）半桥逆变电路）半桥逆

12、变电路V1V1和和V2V2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，2dU开开V1,关关V22dU2dU2dU2dUl优点：简单，使用器件少优点：简单，使用器件少V1通，通，u0=Ud/2VD2通，通，u0= -Ud/2V2通，通，u0= -Ud/2VD1通，通，u0= Ud/2缺点：输出电压幅值缺点：输出电压幅值为为U Ud d/2/2，且直流侧需两，且直流侧需两电容串联，要均压。电容串联，要均压。应用：用于几应用：用于几kWkW以下以下的小功率逆变电源。单的小功率逆变电源。单相全桥、三相桥式都可相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变

13、电看成若干个半桥逆变电路的组合。路的组合。四个桥臂，可看成两个半桥组合而成四个桥臂，可看成两个半桥组合而成两对桥臂交替导通两对桥臂交替导通180180输出电压和电流波形同半桥电路形状输出电压和电流波形同半桥电路形状改变改变U U0 0只能通过改变只能通过改变U Ud d来实现来实现4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路2) 全全桥逆变电路桥逆变电路ttuG1,4uG2,3t1t2t3tiouot4t5器件导通情况器件导通情况控制信号控制信号u0i0V1,4导通，导通，u0=UdVD2,3导通，导通，u0= -UdV2,3导通，导通，u0= -UdVD1,4导通，导通，u0= Ud开开

14、V1,4,关关V2,3开开V2,3,关关V1,4开开V1,4,关关V2,3V1,4VD2,3V2,3VD1,4VD1,4-Ud-UdUdUdUd+-+- tuG1tuG2tuG3tuG4t1t2iotuo调调 调输出电压调输出电压4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路阻感负载时，可阻感负载时，可移相调压移相调压t3t4t5t6t7t8V1,4V2,3VD2器件导器件导通情况通情况V1V2V1,4VD4VD3VD3VD1VD4 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuuUdtuUN4.2.2 三相电压型逆变电

15、路三相电压型逆变电路波形分析波形分析)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu负载对称时负载对称时uUN+uVN+uWN=0)(31 WN VN UNNNuuuuUd6uVNtuWNtuUVtuNNtuUNtiUtidt2Ud3Ud3负载已知时，可由负载已知时，可由uUN波形求出波形求出iU波形。波形。uVNtuWNtl基本工作方式180导电方式导电方式每桥臂导电每桥臂导电180180，同一相上下，同一相上下两臂交替导电，各相差两臂交替导电，各相差120 120 。任一瞬间有三个桥臂同时导通任一瞬间有三个桥臂同时导通每次换流都是在同一相上下两每次换流都是在同一相上下两臂

16、之间进行，也称为臂之间进行，也称为纵向换流纵向换流。应用最广应用最广0)ii(iWVU 一周期内有两个导通阶段和两个换流阶段一周期内有两个导通阶段和两个换流阶段t t1 1t t2 2：VTVT1 1, ,4 4稳定导通稳定导通, ,i i= =I Id d，t t2 2时刻前在时刻前在C C上建立左正右负电压。上建立左正右负电压。t t2 2t t4:4:换流阶段换流阶段 电容经两个放电回电容经两个放电回 路同时放电路同时放电4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路工作分析工作分析t t= =t t4 4时时, , 换流结束换流结束 tg g -换流时间换流时间。T Tb b承受反压

17、时间承受反压时间四个桥臂构成四个桥臂构成, ,电抗器用来限制开通时的电抗器用来限制开通时的d di i/d/dt t。工作方式为工作方式为负载换相负载换相。 C L RC L R构成并联谐振电路构成并联谐振电路l输出电流接近矩形波，输出电流接近矩形波，ttuG1,4uG2,3iTioIdt3tfuotdtbiVT2,3iVT1,4Idt2t1t7t6t5t4trttt 电流型逆变电路主要电流型逆变电路主要特点特点 (1)(1) 直流侧串大电感，电流基直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源本无脉动，相当于电流源 (2)(2) 交流输出电流为矩形波，电压交流输出电流为矩形波，电压波形和相位

18、因负载不同而不同。波形和相位因负载不同而不同。(3)(3)直流侧电感起缓冲无功能量的直流侧电感起缓冲无功能量的 作作用，不必反并联二极管。用，不必反并联二极管。 电路多采用半控型器件，换流方式电路多采用半控型器件，换流方式有负载换流、强迫换流。有负载换流、强迫换流。主要用于中大功率交流电动机调速系统。主要用于中大功率交流电动机调速系统。是是电流型电流型三相桥式逆变电路。三相桥式逆变电路。各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。120120导电工作方式导电工作方式，输出波形和图，输出波形和图5-5-1414的波形大体相同。的波形大体相同。强迫换流强迫换流方式，电容方式，电

19、容C C1 1C C6 6为换流电容。为换流电容。4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路l串联二极管式晶闸管逆变电路串联二极管式晶闸管逆变电路- - +UVW+ - -UVWa)+ - -UVWb)- - +UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV 换流过程分析换流过程分析 等效换流电容概念等效换流电容概念： 分析从分析从VTVT1 1向向VTVT3 3换流时，换流时，C C1313就是就是C C3

20、3与与C C5 5串联后再与串联后再与C C1 1并联的等效电容并联的等效电容4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路4.4 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电压型逆变电路输出电压是矩形波，l电流型逆变电路输出电流是矩形波，含有较多谐波。l多重逆变电路把几个矩形波组合起来，接近正弦。l多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近正弦。12060180tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo二重逆变电路的工作波形二重逆变电路的工作波形二重单相逆变电路二重单相逆变电路4.4.1 多重逆变电路多重逆变电路u1和和u2相位错开相位错开j j =60,其中的其中的3次次谐波就

21、错开了谐波就错开了 360=180。T T1 1、T T2 2串联合成后，串联合成后，3次谐波互相次谐波互相抵消，总输出电压中不含抵消，总输出电压中不含3次谐波次谐波uo波形是波形是120矩形波，含矩形波，含6k1次谐波，次谐波，3k次谐波都被抵消。次谐波都被抵消。l单相电压型二重逆变电路单相电压型二重逆变电路由两个单相全桥组成，由两个单相全桥组成，T T1 1和和T T2 2串联起来。属串联起来。属串联多重串联多重输出波形：两个单相的输输出波形：两个单相的输出出u u1 1和和u u2 2是是180180矩形波。矩形波。电压型、电流型都可多重化电压型、电流型都可多重化, ,现以现以电压型电压

22、型为例为例三电平逆变电路三电平逆变电路4.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路也称中点钳位型逆变电路中点钳位型逆变电路电路构成特点电路构成特点每桥臂由两个全控器件串联构成，两者每桥臂由两个全控器件串联构成，两者中点通过钳位二极管和直流侧中点相连中点通过钳位二极管和直流侧中点相连 l以以U U相相为例分析工作情况为例分析工作情况lV V1111和和V V1212（或（或VDVD1111和和VDVD1212）通，）通，V V4141和和V V4242断，断，UOUO间电位差为间电位差为U Ud d/2/2。V V4141和和V V4242（或（或VDVD4141和和VDVD4242）通，）通，V

23、V1111和和V V1212断，断，UOUO间电位差为间电位差为- -U Ud d/2/2。V V1212和和V V4141导通，导通，V V1111和和V V4242关断时，关断时，UOUO间电位差为间电位差为0 0。V V1212和和V V4141不能同时导通。不能同时导通。i iU U00时，时，V V1212和和VDVD1 1导通。导通。i iU U00时，时，V V4141和和VDVD4 4导通。导通。l线电压的电平线电压的电平相电压相减得到线电压。相电压相减得到线电压。输出线电压有输出线电压有Ud、Ud/2和和0五种五种电平电平 比两电平逆变电路多两种电平。比两电平逆变电路多两种电

24、平。输出电压谐波少于两电平逆变电路输出电压谐波少于两电平逆变电路突出优点：主开关器件承受电压为突出优点：主开关器件承受电压为Ud/2回顾三相电压型桥式逆变电路回顾三相电压型桥式逆变电路, ,相电压相电压有有 U Ud d/2/2两种电平两种电平, ,称为称为两电平逆变电路两电平逆变电路+-小小 结结l与其它章的关系与其它章的关系本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整。本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整。下一章的下一章的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。

25、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，二者结合构成间接交流变流电路逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二者结合构成间接交流变流电路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将在第将在第10章介绍，学完第章介绍，学完第10章后，对逆变电路及其应用将有更完整的认识。章后，对逆变电路及其应用将有更完整的认识。第第4章章 逆逆变电路变电路 小结小结电压型逆变电路的特点电压型逆变电路的特点(1)(1)直流侧为电压源或并联大电容直流侧为电压源或并联大电容(2)(2)输出电压

26、为矩形波，输出电流因输出电压为矩形波，输出电流因 负载阻抗不同而不同。负载阻抗不同而不同。(3)(3)阻感负载时需提供无功功率。为阻感负载时需提供无功功率。为给交流侧向直流侧反馈的无功能量提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供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管 电流型逆变电路主要电流型逆变电路主要特点特点(1)(1) 直流侧串大电感，电流基直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源本无脉动，相当于电流源(2)(2) 交流输出电流为矩形波，电压波交流输出电流为矩形波，电压波形和相位因负载不同而不同。形和相位因负载不同而不同。(3)(3)直流侧电感起缓冲无功能量的直流

27、侧电感起缓冲无功能量的 作作用，不必反并联二极管。用，不必反并联二极管。 电路多采用半控型器件，换流方式电路多采用半控型器件，换流方式有负载换流、强迫换流。有负载换流、强迫换流。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分为外部换流和自换流两大类外部换流：电网换流和负载换流；自换流：器件换流和强迫换流外部换流：电网换流和负载换流；自换流：器件换流和强迫换流晶闸管时代十分重要，全

28、控型器件时代其重要性有所下降。晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。l逆变电路分类方法逆变电路分类方法按直流侧电源性质分类，分为电压型和电流型两类。按直流侧电源性质分类，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负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路电流型整流电路。电容滤波的整流电路可看成为电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。电压型整流电路。 1无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？ 第第4章章 练习题练习题

29、 2换流方式各有那几种？各有什么特点？换流方式各有那几种？各有什么特点？ 3什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么特点。有什么特点。 4电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？型逆变电路中没有反馈二极管？ 6并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相，为保证换相并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相，为保证换相应满足什么条件？应满足什么条件？ 8逆变电路多重化的目的是什么？如何实现？串联多重和并逆变电路多重化的目的是什么？如何实现？串联多重和并

30、联多重逆变电路各用于什么场合？联多重逆变电路各用于什么场合？ 电压型逆变器当交流侧为阻感性负载时，需要向电源反电压型逆变器当交流侧为阻感性负载时，需要向电源反馈无功功率。直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给馈无功功率。直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂开交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂开关器件都反并联了反馈二极管。关器件都反并联了反馈二极管。 而对电流型逆变器来说，当交流侧为阻感负载时，也而对电流型逆变器来说，当交流侧为阻感负载时，也需要提供无功能量反馈，但直流侧电感起缓冲无功能量的需要提供无功能量反馈，但直流侧电感起缓冲无

31、功能量的作用，因反馈无功能量时，直流电流并不反向，因此不必作用，因反馈无功能量时，直流电流并不反向，因此不必象电压型逆变器那样要给开关器件反并联二极管。象电压型逆变器那样要给开关器件反并联二极管。 4电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？型逆变电路中没有反馈二极管？无换相器电动机的基本电路4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路l实例：实例：无换向器电动机无换向器电动机电流型三相桥式逆变器驱动同步电动机，负载换流电流型三相桥式逆变器驱动同步电动机，负载换流。工作特性和调速方式和直流电动机相似，但无

32、换向工作特性和调速方式和直流电动机相似，但无换向器，因此称为器，因此称为无换向器电动机无换向器电动机。wtuuuuOOOOOwtwtwtOwtwtVT4导通UVWiViWiUudMVT1导通VT3导通VT6导通VT5导通VT2导通uVT1BQ转子位置检测器转子位置检测器，检测磁极位置以决定什么检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触时候给哪个晶闸管发出触发脉冲。发脉冲。无换相器电动机电路工作波形无换相器电动机的基本电路无换相器电动机的基本电路4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路由两个三相桥式逆变电路构成，输由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过变压器串联合成。出通过变压器串联合成。两个逆变电路均为两个逆变电路均为180180导通方式。导通方式。逆变桥逆变桥IIII的相位逆变桥的相位逆变桥I I滞后滞后3030。T T1 1为为/ Y/ Y联结，线电压变比为联结，线电压变比为 （一次和二次绕组匝数相等（一次和二次绕组匝数相等) )。T T2 2一次侧一次侧联结，二次侧两绕组曲联结，二次侧两绕组曲折星形接法，其二次电压相对于一次折星形接法，其二次电压相对于一次电压而言，比电压而言，比T T1 1的接法超前的接法超前3030，以，以抵消逆变桥抵消逆变桥IIII比逆变桥比逆变桥I