第4章++逆变电路

1、 逆变的概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电。交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变无源逆变。逆变与变频变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。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。主要应用各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。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。本章讲述无源逆变以单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路为例说明逆变电路最基本的工作原理图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

2、。S1、S4闭合闭合，S2、S3断开断开时，负载电压uo为正正。S1、S4断开断开，S2、S3闭合闭合时，负载电压uo为负负。直流电交流电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 Inverter-CSI直流侧是电流源电流源2）逆变电路的分类 根据主电路结构的不同根据主电路结构的不同主电路结构半桥逆变器、全桥逆变器、二电平逆变器、多电平逆变器。单相全桥逆变电路单相半桥逆变电路 1) 全桥逆变电路

3、共四个桥臂，每个桥臂由一个可控器件组成，负载上就可以得到交流电压 ，这是一个幅值为直流电源电压 的周期性交变电压，相应的电流为 。两对桥臂交替导通180。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。RiRudU1) 全桥逆变电路工作原理V1、 V4和V2、 V3栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo o为矩形波，幅值为Um=Ud/2。V1、4或V2、3通时，io和uo o同方向，直流侧向负载提供能量；VD1、4或VD2、3通时，i io o和u uo o反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1 、4 、VD2、3称为反馈二极反馈二极管管, ,它又起着使负载电流连

4、续的作用，又称续流二极管续流二极管。tttUu5sin513sin31sin4doddo1m27.14UUUdd1o9 . 022UUU矩形波uo o展开成傅里叶级数其中基波的幅值Uo1mo1m和基波有效值Uo1o1分别为moU1dU 逆变电路输出的交流电压基波最大幅值 和直流电压 之比称为直流电压利用率（或逆变电路输出电压增益），提高直流电压利用率可以提高逆变器的输出能力，因此这是逆变器性能的一个重要指标。阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压移相调压移相调压。V3的基极信号比V1落后q （0 q 180 ）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180q。输出电压是正负各为q的脉

5、冲。改变q就可调节输出电压。图4-4 单相全桥逆变电路的移相调压方式1）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- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo o为矩形波，幅值为Um=Ud/2。V1或V2通时，io和uo o同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，i io o和u uo o反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管反馈二极管, ,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管续流二极管。半桥逆变电路的电

6、压计算公式与全桥电路的输出电压公式基本相同，只是式中的U Ud d要换成U Ud d/2/2。因而，可以看出全桥逆变电路的直流电压利用率（输出电压增益）比半桥逆变电路要高。优点优点：电路简单，使用器件少。缺点缺点：输出交流电压幅值为U Ud d/2/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。应用应用：用于几kW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。3） 带中心抽头变压器的逆变电路图4-8 带中心抽头变压器的逆变电路Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，uo和io o波 形及幅值与全桥逆变电路完全相同。与全桥电路的比较：比全桥电路少用一半开关器件

7、。器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍。必须有一个变压器 。交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路图4-9 三相电压型桥式逆变电路基本工作方式180导电方式导电方式每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 。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臂之间进行，也称为纵向换流纵向换流。 各管的导通情况依次是V1、V2、V3；V2、V3、V4；V3、V4、V5；V4、V5、V6；V5、V6、V1；V6、

8、V1、V2；BOAOABuuuCOBOBCuuuAOCOCAuuu线电压由相电压相减得出： 线电压的波形是宽为1200的矩形波，各线电压波形依次相差1200。ntnntUtttttUusin1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2ddUN 式中，式中， ，k为自然数。为自然数。16 knd202UNUN471.0d21UtuU负载相电压uBO展开成傅里叶级数得电压输出相电压有效值UBO为基本的数量关系 相电压中无余弦项、偶次项和3的倍数次谐波。电压中最低为5次谐波，含量为基波的20%，其余为7次谐波，含量为基波的14.2%。nktnntUtttttUusin)

9、1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV式中，式中， ，k为自然数。为自然数。16 knd202UVUV816.0d21UtuU基本的数量关系负载线输出线电压uBC展开成傅里叶级数得电压输出线电压有效值UBC为 线电压中的谐波分量与相电压中的谐波分量相同，只是符号不同，使波形产生差异。线电压比相电压的幅值大3线电压与相电压有效值之间仍有 倍的关系。3180导电方式逆变器中，防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通”。先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两

10、者之间留一个短暂的死区时间。一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。 120导电方式导电方式由于同一桥臂中上下两管有600 0 的导通间隙，对换流的安全有利，但管子的利用率较低，并且若电机采用星型接法，则始终有一相绕组断开，在换流时该相绕组中会引起较高的感应电势，应采用过电压保护措施。 各管的导通情况依次是00 0 60 V6、V1；600 0 120 V1、V2；dAOUu21dBOUu210COudAOUu210BOudCOUu21当逆变器的负载为感性时，逆变器必须设置滞后电流的续流回路。负载已知时，可由相电压uAO波形求出iA波形。 和 之和组成iA的正向电流，。桥臂1、3、5的电流相

11、加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。感性负载下的三相桥式逆变器和无功能量的反馈1Vi4VDi 在感性负载下，反馈二极管是必不可少的。它既能提供感性负载电流的通道，避免过电压的出现、又可减少电流、改善逆变器的效率。在电压型逆变器向电网反馈能量时，必须专门设置一个用来反馈能量的有源逆变电桥；原因：电压型逆变器的直流电压极性不变，故必须使直流电流反向才能反馈能量，因而反馈用的逆变桥，必须反并联，使反方向的反馈电流进入电网。与电流型逆变器相比，这是较大的缺点。换流换流电流从一个支路向另一个支路转移的

12、过程，也称为换相换相。换流方式可分为：1) 器件换流（Device Commutation）利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。2) 电网换流（Line Commutation）电网提供换流电压的换流方式。3) 负载换流（Load Commutation） 由负载提供换流电压称为负载换流。凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可以实现负载换流。4) 强迫换流（Forced Commutation） 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方式称为强迫换流。电流型逆变电

13、路主要特特点点 (1) 直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源。直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电流型逆变电路电路。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 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。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。换流方式有负载换流、强迫换流。 1) 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，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。工作方式为负载换流负载换流。 多用于感应加热炉的电感

14、线圈供电的中频电源。电容C和L 、R构成并联谐振电路（略容性）。输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4图413并联谐振式逆变电路工作波形2) 工作分析一个周期内有两个一个周期内有两个导通阶段和两个换导通阶段和两个换流阶段。流阶段。t t1 1 t t2 2：VT1和VT4稳定导通阶段稳定导通阶段，i i= =I Id d，t t2 2时刻前在C上建立了左正右负的电压。t t2 2 t t4 4：t

15、t2 2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段换流阶段。LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程。VT2、VT3电流有一个增大过程。4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。LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。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

16、=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为保证可靠换流应在uo过零前td d= t5- t2时刻触发VT2、VT3 。. td 为触发引前时间触发引前时间 (4-16)io超前于uo的时间 (4-17)表示为电角度 (4-18) 为电路工作角频率；g、b分别是tg g、tb b对应的电角度。忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数 (4-19)基波电流有效值 (4-20

17、)负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损 耗，忽略晶闸管压降） (4-21)tttbgttt2bgbg22tttttIi5sin513sin31sin4dodd1o9 . 024IIIcos11. 1cos22ddoUUU（1）滤波环节电压型逆变电路的直流滤波环节，是并联大电容，直流侧电压基本无脉动，相当于电压源，直流回路呈现低阻抗；而电流型逆变电路直流侧串联有大电感，直流侧电流基本无脉动，相当于电流源，直流回路呈现高阻抗。（2）输出波形电压型逆变电路输出电压是矩形波或阶梯波，且与负载阻抗角无关，输出电流波形含有高次谐波并对负载变化反应迅速；而电流型逆变电路输出电流是矩形波或阶梯

18、波，输出电压波形取决于负载，对于电动机负载，其波形接近于正弦波。（3）电路结构对于电压型逆变电路，当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，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。逆变桥各臂都并联了反馈二极管。对于电流型逆变电路，当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。（4）四象限运行电压型变换器不容易进行四象限运行，原因是回馈制动时要求逆变桥运行在整流状态，而整流桥运行在逆变状态，由于直流环节接有大电容，因此改变极性很困难。为了使电压型变换器

19、进行四象限运行，就要再设置一个全控整流桥与原来的整流桥反并联，反向的全控整流桥的作用主要是实现电机的回馈制动。电流型逆变电路因直流环节串有大电感，在维持电流方向不变的情况下，逆变桥和整流桥可以很方便的改变极性，从而回馈电机的制动功率。所以电流型逆变电路容易实现四象限运行。（5）负载电压型变换器适用于带多台电机齐速运行；电流型变换器适于单机拖动，尤其适于加减速频繁需经常反转的场合。电压型电压型逆变电路输出电压是矩形波，电流型电流型逆变电路输出电流是矩形波，含有较多谐波。多重逆变电路多重逆变电路把几个矩形波组合起来，接近正弦。多电平逆变电路多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近正弦。 多重逆变电路

20、多重逆变电路 电压型、电流型都可多重化，以电压型电压型为例。单相电压型二重逆变电路两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器T1和T2串联起来。输出波形：两个单相的输出u1和u2是180矩形波。图4-21 二重逆变电路的工作波形12060180tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo图4-20 二重单相逆变电路u1和u2相位错开 =60,其中的3次谐波就错开了 360=180。变压器串联合成后，3次谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波。uo波形是120矩形波，含6k1次谐波，3k次谐波都被抵消。多重逆变电路有串联多重和并联多重两种串联多重串联多重把几个逆变电路的输出串联起来，多用于电压型电压型

21、。并联多重并联多重把几个逆变电路的输出并联起来，多用于电流型电流型。12060180tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo图4-21 二重逆变电路的工作波形图4-20 二重单相逆变电路回顾图4-9三相电压型桥式逆变电路和图4-10的波形。以N为参考点，输出相电压有U Ud d/2/2和-U-Ud d/2/2两种电平，称为两电平逆变电路两电平逆变电路。图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3 三电平逆变电路三电平逆变电路也称中点钳位型逆变电中点钳位型逆

22、变电路路（Neutral Point Clamped） 当A相开关处于三种不同位置时，相对电源中点O的输出电位为 、0、 。因此称三点式或三电平逆变器。1Z2Z3ZO2dU2dUdCdCABCO 图4-15 三点式（三电平）逆变电路示意图2dU2dU 三电平逆变电路三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（Neutral Point Clamped）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 。图4-25 三电平逆变电路以U U相相为例分析工作情况V11和V12（或VD11和VD12）通，V41和V42断，UO间电位差为Ud/2。V41和V42（或VD4

23、1和VD42）通，V11和V12断，UO间电位差为-Ud/2。V12和V41导通，V11和V42关断时，UO间电位差为0。V12和V41不能同时导通。i iU U00时，V12和VD1导通。i iU U00时，V41和VD4导通。图4-25 三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。因此，这种电路特别适合于高压大容量的应用场合。PWM控制技术正是有赖于在逆

24、变电路逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。在电力传动和电力牵引领域中，逆变器大多是感应电动机的电源，因此需要随着频率的改变而改变逆变器的输出电压，以保持V/f 为恒值，使电机具有恒转矩的性能。也就是说要输出一个电压、频率都可调的交流电源（VVVF）。间接变频装置（间接变频装置（交交-直直-交交）的各种形式）的各种形式斩波器DC调压DC不 控整 流50Hz AC逆变ACVVVF调频AC可 控整 流50Hz 调压逆变ACVVVF调频不 控整 流50Hz AC调压调频PWM逆变器ACVVVFDCDC功率因数小，谐波严重，一般用于电压变

25、化不太大的场合谐波问题仍然没有解决主电路不用附加其他装置，结构简单，性能优良。 上述一系列等高不等宽的脉冲列，可以用计算方法求得，但较为实用的方法是调制法，即以所期望的正弦波作调制波，对它进行调制的等腰三角波称为载波。当等腰三角波与正弦波相交时，用交点控制逆变器开关的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于正弦曲线函数值的矩形波，这就是正弦脉宽调制技术（SPWM）。双极性PWM控制方式波形urucuOttuouofod单极性PWM控制方式波形urucuOtOuouofuoUd-Ud衡量PWM控制方法的标志：基本标志基本标志 输出波形中所含谐波的多少重要要求重要要求 1、提高逆变电路的直流电压利用

26、率 提高逆变器的输出能力提高逆变器的输出能力 2、较少开关次数降低开关损耗降低开关损耗输出电压谐波的分布是衡量PWM控制策略的最基本的指标之一。逆变器在PWM 脉冲的控制下将直流电能变换成交流电能的过程中，除了产生所需要的基波成分外，还会产生大量的谐波。输出谐波的大小直接关系到输出电能质量的好坏，但在实际中不应只对输出谐波进行笼统的“大小”评价，更准确的应该是对PWM 输出中不同谐波的分布和含量进行研究，以便寻求最佳的抑制乃至消除PWM 逆变器谐波影响的措施。 技术性能指标（一）技术性能指标（一）输出电压谐波的分布开关频率的提高受开关损耗和开关器件的开关速度的限制，这一矛盾在大功率装置中尤为突

27、出。如何用较低的开关频率（当然也就意味着相对较小的开关损耗）尽可能地保证输出电能的质量，就成为PWM 控制策略设计者必须考虑的非常重要的因素。 技术性能指标（二）技术性能指标（二）开关器件的开关损耗对于电压型逆变器，在一定的直流环节电压条件下，PWM 控制所能产生的最高交流输出电压代表了该PWM 控制策略直流电压利用率的高低。 技术性能指标（三）技术性能指标（三）直流环节电压的利用率PWM波形生成的第三种方法跟踪控制方法跟踪控制方法。把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为 反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。常用的有滞环比较方式滞环比较方式和固定开关频率方式固定开关频率方式。 1) 跟踪型PWM变流电路中，电流跟踪控制应用最多。图4-21 滞环比较方式的指令电流和输出电流图4-20 滞环比较方式电流跟踪控制举例基本原理基本原理把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。V1（或VD1）通时，i增大V2（或VD2