第5章 逆变电路(gai)

1、电力电子技术电力电子技术 第第5 5章章 逆变电路逆变电路电力电子技术电力电子技术引言引言逆变概念逆变概念 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，交流侧接电网，为有源逆变交流侧接电网，为有源逆变交流侧接负载，为无源逆变，本章讲述无源逆变交流侧接负载，为无源逆变，本章讲述无源逆变逆变与变频逆变与变频变频电路：交交变频和交直交变频两种变频电路：交交变频和交直交变频两种交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变部分就是逆变 逆变电路的应用逆变电路的应用 蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电蓄

2、电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路时，需要逆变电路 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电力电子技术电力电子技术S S11S S4 4是桥式电路的是桥式电路的4 4个臂，由电力电子器件及辅助电个臂，由电力电子器件及辅助电路组成路组成S S1 1、S S4 4闭合，闭合，S S2 2、S S3 3断开时，负载电压断开时，负载电压u uo o为正为正S S1 1、S S4 4断开，断开，S S2 2、S S3 3闭合时，闭合时，u uo o为

3、负，把直流电变成为负，把直流电变成了交流电了交流电改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率5.1 5.1 换流方式换流方式5.1.1 5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理负载a)b)图5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2电力电子技术电力电子技术 电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流i io o和和u uo o的波形相同，相位也相同的波形相同，相位也相同 阻感负载时，阻感负载时，i io o相位滞后于相位滞后于u uo o，波形也不同（波形也不同（图图5-5-1 1b b）t t1 1前：前：S S1 1、S S

4、4 4通，通，u uo o和和i io o均为正均为正t t1 1时刻断开时刻断开S S1 1、S S4 4，合上合上S S2 2、S S3 3，u uo o变负，但变负，但i io o不能立不能立刻反向刻反向i io o从电源负极流出，经从电源负极流出，经S S2 2、负载和负载和S S3 3流回正极，负载流回正极，负载电感能量向电源反馈，电感能量向电源反馈，i io o逐渐减小，逐渐减小，t t2 2时刻降为零，时刻降为零，之后之后i io o才反向并增大才反向并增大负载a)b)图5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2电力电子技术电力电子技术 换流换流电流从一个支路向另一个支

5、路转移的过程，也电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相称换相开通：适当的门极驱动信号就可使其开通开通：适当的门极驱动信号就可使其开通关断：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过零后施加一定时间反压，才能一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断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 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, ,因此在本章讲述因此在本章讲述5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式

6、分类电力电子技术电力电子技术 1. . 器件换流器件换流 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 （ D e v i c e D e v i c e CommutationCommutation） 2. 2. 电网换流电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流（由电网提供换流电压称为电网换流（Line CommutationLine Commutation） 可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路路 不需器件具有门极可关断能力，也不

7、需要为换流附加元件不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件 3. 3. 负载换流负载换流 由负载提供换流电压称为负载换流（由负载提供换流电压称为负载换流（Load CommutationLoad Commutation） 负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流 负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流流电力电子技术电力电子技术采用晶闸管采用晶闸管负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性并联

8、谐振状态而略呈容性 电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入 直流侧串入大电感直流侧串入大电感L Ld d， i id d基本没有脉动基本没有脉动ttttRLCOOOOiit1b)a)图5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4基本的负载换流逆变电路：基本的负载换流逆变电路：电力电子技术电力电子技术 工作过程工作过程 4 4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波 负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很负载工

9、作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，大，对谐波阻抗很小，u uo o波形接近正弦波形接近正弦t t1 1前：前：VTVT1 1、VTVT4 4通，通，VTVT2 2、VTVT3 3断，断，u uo o、i io o均为正，均为正，VTVT2 2、VTVT3 3电压电压即为即为u uo ot t1 1时：触发时：触发VTVT2 2、VTVT3 3使其开通，使其开通，u uo o加到加到VTVT4 4、VTVT1 1上使其承受反上使其承受反压而关断，电流从压而关断，电流从VTVT1 1、VTVT4 4换到换到VTVT3 3、VTVT2 2t t1 1必须在必须在u u

10、o o过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成ttttRLCOOOOiit1b)a)图5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4电力电子技术电力电子技术 设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流管强迫施加反向电压或反向电流的换流方 式 称 为 强 迫 换 流 （方 式 称 为 强 迫 换 流 （ F o r c e dCommutation）通常利用附加电容上储存的能量来实通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电

11、容换流现，也称为电容换流 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流由换流电路内由换流电路内电容提供换流电压电容提供换流电压VT通态时，先给电容通态时，先给电容C充电。合上充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断就可使晶闸管被施加反压而关断SVT负载+-图5-34. 4. 强迫换流强迫换流电力电子技术电力电子技术 电感耦合式强迫换流：通过换流电路内电感耦合式强迫换流：通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电电容和电感耦合提供换流电压或换流电流流两种电感耦合式强迫换流：两种电感耦合式强迫换流：图图5-4a中晶闸管在中晶闸管在LC振荡第一个半周振荡第一个半周期内关断期内关断图图5-4b中晶闸管在

12、中晶闸管在LC振荡第二个半周振荡第二个半周期内关断期内关断CL+VDSCVT负载+LSVT负载VDb)a)图5-4给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图图5-3）先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流反压的换流叫电流换流电力电子技术电力电子技术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外部换流外部换流当电流不是从一个

13、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，则称为熄灭是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭电力电子技术电力电子技术 逆变电路按其直流电源性质不同分为逆变电路按其直流电源性质不同分为两种两种电压型逆变电路或电压源型逆变电路电压型逆变电路或电压源型逆变电路电流型逆变电路或电流源型逆变电路电流型逆变电路或电流源型逆变电路 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，直流侧电压基本无脉动直流侧电压基本无脉动 (2) (2) 输出电压为矩形波，输出电流因输出电压为矩形波，输出电流因

14、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。为了给阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管逆变桥各臂并联反馈二极管+-CRL图5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio5.2 5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路电力电子技术电力电子技术5.2.1 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路工作原理工作原理V V1 1和和V V2 2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，互补反偏，互补u uo o为矩形波，幅值为为矩形波，幅值为

15、U Um m= =U Ud d/2/21 1半桥逆变电路半桥逆变电路+-RLa)ttOOONb)图5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2电力电子技术电力电子技术 io波形随负载而异，感性负载时波形如下图波形随负载而异，感性负载时波形如下图 V1或或V2通时，通时，io和和uo同方向，直流侧向负载提供能量同方向，直流侧向负载提供能量 VD1或或VD2通时，通时，io和和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈反向，电感中贮能向直流侧反馈 VD1、VD2称为反馈二极管称为反馈二极管,还使还使io连续，又称续流二极

16、管连续，又称续流二极管 特点特点 优点：简单，使用器件少优点：简单，使用器件少 缺点：交流电压幅值缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡两者电压均衡 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的组合单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合+-RLa)ttOOONb)图5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2电力电子技术电力电子技术电路结构及工作情况电路结构及工作情况两个半桥电路

17、的组合两个半桥电路的组合1 1和和4 4一对，一对，2 2和和3 3另一对，成对桥臂同时导通，两对另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通交替各导通180180u uo o波形同波形同图图半桥电路的半桥电路的u uo o，幅值高出一倍幅值高出一倍U Um m= =U Ud di io o波形和图波形和图5-65-6b b中的中的i io o相同，幅值增加一倍相同，幅值增加一倍单相逆变电路中应用最多的单相逆变电路中应用最多的2 2全桥逆变电路全桥逆变电路+-CRLtOtOtOtOtOa)b)图5-7UdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3i

18、ouo电力电子技术电力电子技术tttUu5sin513sin31sin4doddo1m27. 14UUUdd1o9 . 022UUU输出电压定量分析输出电压定量分析 u uo o成傅里叶级数成傅里叶级数基波幅值基波幅值 基波有效值基波有效值u uo o为正负各为正负各180180时，要改变输出电压有效值只能改变时，要改变输出电压有效值只能改变U Ud d来实现来实现电力电子技术电力电子技术 各栅极信号为各栅极信号为180180正偏，正偏，180180反偏，且反偏，且V V1 1和和V V2 2互补，互补，V V3 3和和V V4 4互补关系不变互补关系不变 V V3 3的基极信号只比的基极信号

19、只比V V1 1落后落后 ( ( 0 0q q 1800时，V12和VD1导通iU0时，V41和VD4导通 电力电子技术电力电子技术5.4.2 5.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路线电压的电平线电压的电平相电压相减得到线电压两电平逆变电路的输出线电压有Ud和0三种电平三电平逆变电路的输出线电压有Ud、Ud/2和0五种电平三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半 电力电子技术电力电子技术本章小结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，AC/DC和DC/AC两类

20、电路更为基本、更为重要换流方式换流方式 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 晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降 电力电子技术电力电子技术本章小结逆变电路分类方法逆变电路分类方法可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，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负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路 电力电子技术电力电子技术本章小结与其他章的关系与其他章的关系 本章对逆变电路的讲述是很基本

21、的，还远不完整 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 逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二都结合构成间接交流变流电路 此外，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8章介绍，学完第8章后，对逆变电路及其应用将有更完整的认识 电力电子技术电力电子技术图图5-1 5-1 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例 负载a)b)图5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2 返回返回 电力电子技术电力电子技术图图5-2 5-2 负载换流电路及其工作波形负载换流电路及其工作波形

22、ttttRLCOOOOiit1b)a)图5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4返回返回 电力电子技术电力电子技术图5-3 直接耦合式强迫换流原理图 SVT负载+-图5-3返回返回 电力电子技术电力电子技术图5-4 电感耦合式强迫换流原理图 CL+VDSCVT负载+LSVT负载VDb)a)图5-4返回返回 电力电子技术电力电子技术图5-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路） +-CRL图5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio返回返回 电力电子技术电力电子技术图5-6 单相半桥电压型逆变电路及其工

23、作波形 +-RLa)ttOOONb)图5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2返回返回 电力电子技术电力电子技术图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式 +-CRLtOtOtOtOtOa)b)图5-7UdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo返回返回 电力电子技术电力电子技术图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路 负载+-图5-8iouoUdV1V2VD1VD2返回返回 电力电子技术电力电子技术图5-9 三相电压型桥式逆变电路 NN+-UVW图

24、5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2返回返回 电力电子技术电力电子技术图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 tOtOtOtOtOtOtOtO图5-10a)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3返回返回 电力电子技术电力电子技术图5-11 电流型三相桥式逆变电路 UVW图5-11idUdVT1VT2VT3VT4VT5VT6返回返回 电力电子技术电力电子技术图5-12 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路 ABCRL图5-12LdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4u

25、oio返回返回 电力电子技术电力电子技术图5-13 并联谐振式逆变电路工作波形 tOtO图5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4返回返回 电力电子技术电力电子技术图5-14 电流型三相桥式逆变电路的输出波形 tOtOtOtO图5-14IdiViWuUViU返回返回 电力电子技术电力电子技术图5-15 串联二极管式晶闸管逆变电路 M3UVW+-图5-15LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6返回返回 电力电子技术电力电子技术图5-16 换流过程各阶段的电流路径 - +U VW+ -U VWa)+ -U VWb)- +UVWc)d)图5-16VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C1