电力电子 逆变电路

1、第第4章章 逆变电路逆变电路 4.1 换流方式换流方式 4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路电流型逆变电路 本章小结本章小结引言引言逆变的概念逆变的概念 与整流相对应，与整流相对应，直流电直流电变成变成交流电交流电。 交流侧接电网，为交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。 交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变无源逆变，本章主要讲述无源逆变。，本章主要讲述无源逆变。逆变与变频逆变与变频 变频电路：分为变频电路：分为交交变频交交变频和和交直交变频交直交变频两种。两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组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

2、是逆变。成，后一部分就是逆变。逆变电路的逆变电路的主要应用主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。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。等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。4.1 换流方式换流方式 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 4.1.2 换流方式分类换流方式分类4/474.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理

3、S1S4是桥式电路的是桥式电路的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。 负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2 当开关当开关S1、S4闭合，闭合，S2、S3断开时，负载电压断开时，负载电压uo为正；为正；当开关当开关S1、S4断开，断开，S2、S3闭合时，闭合时，uo为负，这样就把直为负，这样就把直流电变成了交流电。流电变成了交流电。图图4-1-1 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例 5/47逆变电路最基本的工作逆变电路最基本的工作原理原理 改变两组开关改变两组开关切换频率，可改变输出切换频率，可改变输出交流电频率。交流电频率。电阻

4、负载电阻负载时，负载电流时，负载电流i io o和和u uo o的波形相同，相位也的波形相同，相位也相同。相同。阻感负载阻感负载时，时，i io o相位滞后相位滞后于于u uo o，波形也不同。，波形也不同。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电阻负载电阻负载阻感负载阻感负载4.1.2 换流方式分类换流方式分类换流换流 电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相换相。换流方式换流方式 器件换流（器件换流（Device Commutation） 利用利用全控型器件的自关断能力全控型器件的自关断能力进行换流。进行换流。 在采用在

5、采用IGBT 、电力、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。型器件的电路中的换流方式是器件换流。 电网换流（电网换流（Line Commutation） 电网电网提供提供换流电压换流电压的换流方式。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。交流电网的无源逆变电路。4.1.2 换流方式分类换流方式分类负载换流（负载换流（Load Commutation） 由由负载负载提

6、供提供换流电压换流电压的换流方式。的换流方式。 负载负载电流电流的的相位超前相位超前于负载于负载电压电压的场合，都可实现的场合，都可实现负载换流，如电容性负载和同步电动机。负载换流，如电容性负载和同步电动机。强迫换流（强迫换流（Forced Commutation） 设置设置附加的换流电路附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加，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。反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为称为电容换流电容换流。强换流方式总结强换流方式总结 器件换流器件换流只适用于只

7、适用于全控型器件全控型器件，其余三种方式主要是，其余三种方式主要是针对针对晶闸管晶闸管而言的。而言的。 器件换流和强迫换流属于器件换流和强迫换流属于自换流自换流，电网换流和负载换，电网换流和负载换流属于流属于外部换流外部换流。4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路引言引言根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类 电压型电压型逆变电路：直流侧是电压源。逆变电路：直流侧是电压源。 电流型电流型逆变电路：直流侧是电流源。逆变电路：直流侧是电流源。电压型逆变电路的特点电压型逆变电路的特点 直流侧为直流侧为电压源电压源或并联或并联大电容大电容，直流侧电压基本无脉动。，直

8、流侧电压基本无脉动。 由于直流电压源的由于直流电压源的钳位作用钳位作用，输出电压为，输出电压为矩形波矩形波，输出电流因负，输出电流因负载阻抗不同而不同。载阻抗不同而不同。 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，逆变桥各臂并联能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管反馈二极管。图图4-2-1 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）电压型逆变电路举例（全桥逆变电路） 9/471、半桥逆变电路、半桥逆变电路t1t2：V1导通导通，负载电压右正左负，负载电压右正左负- +4-2-2 半桥逆变电路半桥逆变电路 设设V1、V

9、2的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。负载为感性。半周反偏，且二者互补。负载为感性。10/471、半桥逆变电路、半桥逆变电路t2t3：io不能改变方向，二极管不能改变方向，二极管VD2续流续流，负载电负载电压左正右负压左正右负+ -11/47t3t4：V2导通，导通， io反向，负载电压左正右负反向，负载电压左正右负+ -1、半桥逆变电路、半桥逆变电路12/47- +t4t5： io不能改变方向，不能改变方向， ，二极管，二极管VD1续流续流，负负载电压右正左负载电压右正左负1、半桥逆变电路、半桥逆变电路13/471、半桥逆变电路、半桥

10、逆变电路工作原理工作原理V1和和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，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，直流侧向负载提供能量；同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或或VDVD2 2通时，通时，i io o和和u uo o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。VDVD1 1、VDVD2 2称为称为反反馈二极管馈二极管, , 起着使负载电流连续的作用，又称起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管续流二极管。14

11、/471、半桥逆变电路、半桥逆变电路优点：电路简单，使用器件少。优点：电路简单，使用器件少。缺点：输出交流电压幅值为缺点：输出交流电压幅值为U Ud d/2/2，且直流侧需，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。两电容器串联，要控制两者电压均衡。应用：用于几应用：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单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。路的组合。15/474.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路全桥逆变电路全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成共四个桥臂，可看成两个半桥电路两个半桥电路组合而成。组合而成。 两对桥

12、臂交替导通两对桥臂交替导通180。 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。 在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压在这种情况下，要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。来实现。 Ud的矩形波的矩形波uo展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得tttUu5sin513sin31sin4do其中基波的幅值其中基波的幅值Uo1m和基波有效值和基波有效值Uo1分别为分别为 ddo1m27.14UUUdd1o9 . 022UUU图图4-5 全桥逆变电路全桥逆变电路 (4-1)(4-2)(4-3)16

13、/472、全桥逆变电路、全桥逆变电路tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo移相调压方式移相调压方式(阻感负载时适用）阻感负载时适用） V3的基极信号比的基极信号比V1落后落后 （0 180）。）。V3、V4的栅极信号分别比的栅极信号分别比V2、V1的前移的前移180- 。输出。输出电压是正负各为电压是正负各为 的脉冲。的脉冲。改变改变 就可调节输出电压就可调节输出电压。4-2-3全桥逆变电路及波形全桥逆变电路及波形17/474.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。三

14、相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 基本工作方式是基本工作方式是180导电方式导电方式。 同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差差120 ，任一瞬间有，任一瞬间有三个桥臂三个桥臂同时导通。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。图图4-2-4 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路 假想中点假想中点18/474.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViU

15、iduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-2-5 电压型三相桥式逆变电路的工作波形电压型三相桥式逆变电路的工作波形 工作波形工作波形 对于对于U相输出来说，当桥臂相输出来说，当桥臂1导通时，导通时，uUN=Ud/2，当桥臂，当桥臂4导通时，导通时，uUN=-Ud/2，uUN的波形是的波形是幅值为幅值为Ud/2的矩形波的矩形波，V、W两相的情况和两相的情况和U相类似。相类似。 负载线电压负载线电压uUV、uVW、uWU可由下可由下式求出式求出 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu负载各相的相电压分别为负载各相的相电压分别为 NN WNWN NN VNVN N

16、N UNUNuuuuuuuuu(4-4)(4-5)19/474.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-2-5 电压型三相桥式逆变电路的工作波形电压型三相桥式逆变电路的工作波形 把上面各式相加并整理可求得把上面各式相加并整理可求得)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu设负载为三相对称负载，则有设负载为三相对称负载，则有uUN+uVN+uWN=0，故可得，故可得 )(31 WN VN UNNNuuuu负载参数已知时，可

17、以由负载参数已知时，可以由uUN的波形的波形求出求出U相电流相电流iU的波形，图的波形，图4-10g给出的给出的是阻感负载下是阻感负载下 时时iU的波形。的波形。 3/把桥臂把桥臂1、3、5的电流加起来，就可的电流加起来，就可得到直流侧电流得到直流侧电流id的波形，如图的波形，如图4-10h所所示，可以看出示，可以看出id每隔每隔60脉动一次。脉动一次。 (4-6)(4-7)20/474.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路基本的数量关系基本的数量关系 把输出线电压把输出线电压uUV展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得 nktnntUtttttUusin)1(1sin3213sin13

18、111sin1117sin715sin51sin32ddUV式中，式中， ，k为自然数。为自然数。16 kn输出线电压有效值输出线电压有效值UUV为为 d202UVUV816.0d21UtuU其中基波幅值其中基波幅值UUV1m和基波有效值和基波有效值UUV1分别为分别为 ddUV1m1 .132UUUddUV1mUV178. 062UUUU(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)21/474.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路 把把uUN展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得 ntnntUtttttUusin1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2

19、ddUN 式中，式中， ，k为自然数。为自然数。16 kn 负载相电压有效值负载相电压有效值UUN为为d202UNUN471.0d21UtuU 其中基波幅值其中基波幅值UUN1m和基波有效值和基波有效值UUN1分别为分别为ddUN1m637.02UUUdUN1mUN145.02UUU为了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的短路，为了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的短路，要采取要采取“先断后通先断后通”的方法。的方法。 (4-12)(4-13)(4-14)(4-15)22/47UUV7 =2 Ud/（3.147 ）=22.3（V） 4.2.2 三相电压

20、型逆变电路三相电压型逆变电路例：三相桥式电压型逆变电路，例：三相桥式电压型逆变电路，180导电方式，导电方式，Ud=200V。试求输出相电压。试求输出相电压的基波幅值的基波幅值UUN1m和有效值和有效值UUN1、输出线电压的基波幅值、输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值和有效值UUV1、输出线电压中、输出线电压中7次谐波的有效值次谐波的有效值UUV7。 解：解： 2dUN1mUN145. 02UUUddUN1m637. 02UUUddUV1m1.132UUUddUV1mUV178. 062UUUU0.4520090（V） 0.637200127.4（V） 1.1200=220（V） 0.78

21、200=156（V） 34.3 电流型逆变电路电流型逆变电路引言引言直流电源为直流电源为电流源电流源的逆变电路的逆变电路称为电流型逆变电路。称为电流型逆变电路。电流型逆变电路主要特点电流型逆变电路主要特点 直流侧串直流侧串大电感大电感，电流基本，电流基本无脉动，相当于电流源。无脉动，相当于电流源。 交流输出电流为交流输出电流为矩形波矩形波，与，与负载阻抗角无关，输出电压波负载阻抗角无关，输出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。 直流侧电感起缓冲无功能量直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并的作用，不必给开关器件反并联二极管。联二极管。电流型逆变电路中，采用电流

22、型逆变电路中，采用半控半控型器件型器件的电路仍应用较多，换的电路仍应用较多，换流方式有流方式有负载换流负载换流、强迫换流强迫换流。图图4-3-1 电流型三相桥式逆变电路电流型三相桥式逆变电路 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路电路分析电路分析 由四个桥臂构成，每个桥臂的由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个晶闸管各串联一个电抗器电抗器，用来限，用来限制晶闸管开通时的制晶闸管开通时的di/dt。 采用采用负载换相负载换相方式工作的，要方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，即求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈负载略呈容性容性。 电容电容C和和L 、R构成构成并联谐振电并联

23、谐振电路路。 输出电流波形接近输出电流波形接近矩形波矩形波，含，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。小于基波。图图4-3-2 单相桥式电流型单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路（并联谐振式）逆变电路 25/47l工作波形分析：工作波形分析：tOtO图5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4图图4-3-3 并联谐振式并联谐振式逆变电路工作波形逆变电路工作波形 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路l 一周期内，两个稳定导通一周期内

24、，两个稳定导通 阶段和两个换流阶段阶段和两个换流阶段t1t2：VT1和和VT4稳定导通阶段，稳定导通阶段，i=Id，t2时刻前在时刻前在C上建上建立了左正右负的电压立了左正右负的电压26/47l工作波形分析：工作波形分析：tOtO图5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4l 一周期内，两个稳定导通一周期内，两个稳定导通 阶段和两个换流阶段阶段和两个换流阶段 t2t4：t2时刻触发时刻触发VT2和和VT3开通，进入换流阶段开通，进入换流阶段 LT使使VT1、VT4不能立刻关断

25、，电流有一个减小过程不能立刻关断，电流有一个减小过程 同理，同理，LT使使VT2、VT3电流有一个增大过程电流有一个增大过程4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路27/47l工作波形分析：工作波形分析：tOtO图5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,44.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路l 一周期内，两个稳定导通一周期内，两个稳定导通 阶段和两个换流阶段阶段和两个换流阶段t2时刻后，时刻后，4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电个晶闸管全部导

26、通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电回路同时放电放电回路：放电回路：LT1-VT1-VT3-LT3-C；另一路经；另一路经LT2-VT2-VT4-LT4-C28/47l工作波形分析：工作波形分析：tOtO图5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,44.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路l 一周期内，两个稳定导通一周期内，两个稳定导通 阶段和两个换流阶段阶段和两个换流阶段t4时刻，时刻，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束电流减至零而关断，换流阶段结束

27、t4t2= t 称为换流时间称为换流时间29/47l工作波形分析：tOtO图5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,44.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路l 一周期内，两个稳定导通一周期内，两个稳定导通 阶段和两个换流阶段阶段和两个换流阶段io在在t3时刻，即时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，时刻过零，t3时刻大体位于时刻大体位于t2和和t4的中点的中点30/47保证晶闸管的可靠保证晶闸管的可靠关断（图关断（图4-3-3）晶闸管需一段时间晶闸管需一段时间才能恢复

28、正向阻断才能恢复正向阻断能力，换流结束后能力，换流结束后还要使还要使VT1、VT4承承受一段反压时间受一段反压时间t t = t5- t4应大于晶闸应大于晶闸管的关断时间管的关断时间tqtOtO图5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4图图4-3-3 并联谐振式并联谐振式逆变电路工作波形逆变电路工作波形 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路31/474.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 为保证可靠换流应在为保证可靠换流应在uo过零过零前前t = t5

29、- t2时刻触发时刻触发VT2、VT3 t 为触发引前时间为触发引前时间 io超前于超前于uo的时间的时间 t 表示为电角度表示为电角度 （弧度）（弧度） 为电路工作角频率；为电路工作角频率； 、 分别是分别是t 、t 对应的电角度对应的电角度为负载功率因数角为负载功率因数角tttttt222tttOtO图5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,432/474.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路基本的数量关系基本的数量关系 io展开成傅里叶级数可得展开成傅里叶级数可

30、得 tttIi5sin513sin31sin4do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的关系的关系 其基波电流有效值其基波电流有效值Io1为为 dd1o9 .024III2cos)2cos(22cos)cos(2dsin21d1oo)(o)(dUUttUtuUAB(4-19)(4-20)33/474.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路tOtOtOtOIdiViWuUVU图4-3-5 电流型三相桥式逆变电路的输出波形 图4-3-4 电流型三相桥式逆变电路电路分析电路分析 基本工作方式是基本工作方式是120导电方式导电方式，每个臂，每个臂一周期内导电一周期内导电120

31、，每个时刻上下桥臂组，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通。各有一个臂导通。 换流方式为换流方式为横向换流横向换流。波形分析波形分析 输出电流波形和负载性质无关，正负脉输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各冲各120的的矩形波矩形波。 输出电流和三相桥整流带大电感负载时输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。同。 输出线电压波形和负载性质有关，输出线电压波形和负载性质有关，大体大体为正弦波为正弦波，但叠加了一些脉冲。，但叠加了一些脉冲。 输出交流电流的基波有效值输出交流电流的基波有效值IU1和直流电和直流电流流Id的关系为的关系为 dd1U78. 06III(4-22)34/474.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路图图4-3-6 串联二极管串联二极管式晶闸管逆变电路式晶闸管逆变电路 串联二极管式晶闸管逆变电路串联二极管式晶闸