逆變電路的基本工作原理

1、第5章逆變電A 口117/17主要內(nèi)容：換流方式，電壓型逆變電路，電流型逆變電路，多重逆變電路和多電平逆 變電路。重點(diǎn)：換流方式，電壓型逆變電路。難點(diǎn)：電壓型逆變電路，電流型逆變電路?；疽螅赫莆論Q流方式，掌握電壓型逆變電路，理解電流型逆變電路，了解多重逆 變電路和多電平逆變電路。逆變概念：逆變直流電變成交流電，與整流相對(duì)應(yīng)。本章無(wú)源逆變逆變電路的應(yīng)用：蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等直流電源向交流負(fù)載供電時(shí)，需要逆變電路。交流電 機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。本章僅講述逆變電路基本內(nèi)容，笫6章PWM控制技術(shù)和第8章組合變流電路中，有 關(guān)逆變電路的

2、內(nèi)容會(huì)進(jìn)一步展開(kāi)1換流方式(1) 逆變電路的基本工作原理單相橋式逆變電路為例：SiS4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。Si、S4閉合，S2、Sm斷開(kāi) 時(shí)，負(fù)載電壓m為正Si； Si、S4斷開(kāi)，S2. S3閉合時(shí)，u。為負(fù)，把直流電變成了交流電。 改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。2a)圖5-1逆變電路及其波形舉例電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流i。和U。的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，i。滯后于U。, 波形也不同(圖5-lb) 0t前：S1、S4通，u。和i。均為正。“時(shí)刻斷開(kāi)Si、S4,合上S2、S3, Uo變負(fù)，但i。不能立刻反向。i。從電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和5流

3、回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋，io逐漸減 小，t2時(shí)刻降為零，之后i。才反向并增大(2) 換流方式分類換流一電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱換相。開(kāi)通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使其開(kāi)通。關(guān)斷：全控型器件可通過(guò)門極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷，一般在晶閘管電流過(guò)零后施加一定 時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。本章?lián)Q流及換流方式問(wèn)題最為全面集中，因此在本章講述1、器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流(Device Commutation)。2、電網(wǎng)換流由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流(Line Commutation)?？煽卣麟娐贰⒔涣髡{(diào)

4、壓 電路和采用相控方式的交交變頻電路，不需器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附 加元件。3、負(fù)載換流山負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)載換流(Load Commutation)。負(fù)載電流相位超前于負(fù)載 電壓的場(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，負(fù)載為同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù) 載換流。a)b)圖5-2負(fù)載換流電路及其工作波形基本的負(fù)載換流逆變電路：采用晶閘管，負(fù)載：電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈 容性。電容為改善負(fù)載功率因數(shù)使其略呈容性而接入，直流側(cè)串入大電感Ld，id基本沒(méi)有 脈動(dòng)。工作過(guò)程：4個(gè)臂的切換僅使電流路徑改變，負(fù)載電流基本呈矩形波。負(fù)載工作在對(duì)基波電流接

5、近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對(duì)基波阻抗很大，對(duì)諧波阻抗很小，山波形接近正弦。h 前：VTi、通，VT2、VTs 斷，u。、i。均為正，VT?、VT3 電壓即為 u。h時(shí)：觸發(fā)VT2、VTs使其開(kāi)通，u。加到VT4、VTi±使其承受反壓而關(guān)斷，電流從 VTi、VTj 換到 VT3、VT2oti必須在u°過(guò)零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成。4、強(qiáng)迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱 為強(qiáng)迫換流(Forced Commutation)。通常利用附加電容上儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，也稱為電 容換流。直接耦合式強(qiáng)迫換流由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓。VT

6、通態(tài)時(shí)，先給電容C 充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關(guān)斷。圖5-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式強(qiáng)迫換流通過(guò)換流電路內(nèi)電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流。 兩種電感耦合式強(qiáng)迫換流：圖5-4a中晶閘管在LC振蕩第一個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷。圖5-4b中晶閘管在LC振蕩第二個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷。圖5-4電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流也叫電壓換流(圖5-3)。先使晶閘管電流 減為零，然后通過(guò)反并聯(lián)二極管使其加反壓的換流叫電流換流(圖5-4)。器件換流適用于全控型器件。其余三種方式針對(duì)晶閘管。器件換流和強(qiáng)迫換流屬于自換流。電網(wǎng)換流和負(fù)載換流屬于外部換流。當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另

7、一個(gè)支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱悖瑒t稱 為熄滅。2電壓型逆變電路逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路, 電流型逆變電路或電流源型逆變電路。圖5-1電路的具體實(shí)現(xiàn)。圖5-5電壓型逆變電路舉例(全橋逆變電路)電壓型逆變電路的特點(diǎn)(1) 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)(2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同(3) 阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功提供通道，逆變橋各臂 并聯(lián)反饋二極管(1) 單相電壓型逆變電路1、半橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)：見(jiàn)圖5-6。工作原理：Vi和V2柵極信號(hào)各半周正偏、半周反偏，互補(bǔ)。u。

8、為矩形波，幅值為Um二Ud/2, io 波形隨負(fù)載而異，感性負(fù)載時(shí)，圖5-6b, W或V2通時(shí)，i。和i怙同方向，直流側(cè)向負(fù)載提 118/17供能量，VDi或VD?通時(shí)，i。和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋，VDi、VD?稱為反饋 二極管，還使i。連續(xù)，又稱續(xù)流二極管。121/17圖5-6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，使用器件少缺點(diǎn)：交流電壓幅值Ud/2,直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡，用于兒k、v 以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合。2、全橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)及工作情況：圖5-5,兩個(gè)半橋電路的組合。1和4 一對(duì)，2和3另一對(duì)，

9、成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，交替 各導(dǎo)通180% u。波形同圖5-6bo半橋電路的uo, 4S值高出一倍Um=Ud« io波形和圖56b 中的i。相同，幅值增加一倍，單相逆變電路中應(yīng)用最多的。輸出電壓定量分析4J7 (J、u. =- sin(2if+ -sin 3 + -sin 5rzef + Ais成傅里葉級(jí)數(shù) 疔、 35丿(5-1)n =1£l=1.27J7.基波幅值反(5-2)(5-3)基波有效值u。為正負(fù)各180。時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)。移相調(diào)壓方式(圖5-7) o可采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱為移相調(diào)壓。各柵極信號(hào)為180。正偏, 180。反偏

10、，且V】和V?互補(bǔ)，V3和W互補(bǔ)關(guān)系不變。W的基極信號(hào)只比W落后q(O<q <180°),、£的柵極信號(hào)分別比/、V的前移180°-q, Uo成為正負(fù)各為q的脈沖，改 變q即可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。詁bl圖5-7單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式3、帶中心抽頭變壓器的逆變電路交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT,經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。兩個(gè)二極管的作用 也是提供無(wú)功能量的反饋通道，Ud和負(fù)載相同，變壓器匝比為1:1:1時(shí)，u°和i。波形及幅 值與全橋逆變電路完全相同。oZvd1圖5-8帶中心抽頭變壓器的逆變電路與全橋電路的比較，比全橋電路少用一半開(kāi)關(guān)

11、器件，器件承受的電壓為2Ud,比全橋 電路高一倍。必須有一個(gè)變壓器。(2) 三相電壓型逆變電路三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路。應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路 可看成山三個(gè)半橋逆變電路組成。180。導(dǎo)電方式：每橋臂導(dǎo)電180°,同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度差120°,任一瞬間 有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流。波形分析:圖5-9三相電壓型橋式逆變電路a)b)c)d)e)0g)h)1L%irUzFEFt“NN'圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形負(fù)載各相到電源中點(diǎn)N勺勺電壓：U相，1通，uun-U<

12、;i/2, 4通，uuNUd/2o(5-4)(5-5)負(fù)載線電壓=umi = uuir 一 “HFuw =一力財(cái)負(fù)載相電壓怙=嘶7時(shí) 負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓umr =話1Juir +uw +扌("um +3Jw +2Jim) (5-6)負(fù)載三相對(duì)稱時(shí)有uun+uvn+u、vn=O,于是加=敦呻叫+心(5-7)利用式(55)和(5-7)可繪岀UUN、UVN、UWN波形。負(fù)載已知時(shí)，可由UUN波形求出iu波 形，一相上下兩橋臂間的換流過(guò)程和半橋電路相似，橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè) 電流id的波形，id每60。脈動(dòng)一次，直流電壓基本無(wú)脈動(dòng)，因此逆變器從直流側(cè)向交流側(cè) 傳送的功率是

13、脈動(dòng)的，電壓型逆變電路的一個(gè)特點(diǎn)。定量分析：a、輸出線電壓UUV展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)sinll + sml3d-AwI571113丿=2 厲6 ”血妙十 丫 丄(一廳 sinnoi(5-8)式中，« = 6±1 , k為自然數(shù)=0.316輸出線電壓有效值Y加115(5-9)甘卄/古認(rèn)=迺 基波幅值反(5-10)ttUg =r=基波有效值應(yīng)J7a = 0.78J74(5-11)b、負(fù)載相電壓UUN展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得:2 jy (1=-sin(2it+ -sin5+ -sin7(+ sinllo/ + sml3r2if +A 5711131>sin( +Vsin«r

14、2if"»丿式中，"徹±1, k為自然數(shù)負(fù)載相電爪有效值e =udcu-t = 0.47 ISH =21=0.637fTd基波幅值疔基波有效值等ES(5-12)(5-13)(5-14)(5-15)防止同一相上下兩橋臂開(kāi)關(guān)器件直通，釆取“先斷后通叩勺方法。3電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路電流型逆變電路。一般在直流側(cè)審聯(lián)大電感，電流 脈動(dòng)很小，可近似看成直流電流源。實(shí)例之一：圖5-11電流型三相橋式逆變電路。交流側(cè)電容用于吸收換流時(shí)負(fù)載電感中 存貯的能量。LVI>LV VD込Z TOsX7 vwvd4XZ4TOZ°1175VT孚叫翼

15、兀異圖5-11電流型三相橋式逆變電路 電流型逆變電路主要特點(diǎn)：(1)直流側(cè)串大電感，相當(dāng)于電流源。123/17（2）交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。（3）直流側(cè)電感起緩沖無(wú)功能量的作用，不必給開(kāi)關(guān)器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫 換流。（1）單相電流型逆變電路圖5-12單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路4橋臂，每橋臂晶閘管各串一個(gè)電抗器Lt限制晶閘管開(kāi)通時(shí)的di/dt。1、4和2、3以 10002500Hz的中頻輪流導(dǎo)通，可得到中頻交流電。釆用負(fù)載換相方式，要求負(fù)載電流 超前于電壓。負(fù)載一般是電磁感應(yīng)線圈，

16、加熱線圈內(nèi)的鋼料，RL串聯(lián)為其等效電路。因功率因數(shù) 很低，故并聯(lián)C。C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振式逆變電路。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。因基波頻 率接近負(fù)載電路諧振頻率，故負(fù)載對(duì)基波呈高阻抗，對(duì)諧波呈低阻抗，諧波在負(fù)載上產(chǎn)生 的壓降很小，因此負(fù)載電壓波形接近正弦波。工作波形分析：一周期內(nèi)，兩個(gè)穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。VTi和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，i產(chǎn)Id，t2時(shí)刻前在C上建立了左正右負(fù)的電壓。t2-t4： t2時(shí)觸發(fā)VT2和VT3開(kāi)通，進(jìn)入換流階段。Lt使VTi、VTj不能立刻關(guān)斷，電流 有一個(gè)減小過(guò)程。VT?、VT3電流有一個(gè)增大過(guò)

17、程。4個(gè)晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電壓經(jīng)兩個(gè) 并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電。t2時(shí)刻后，LTi、VTi、VTn LT*到C；另一個(gè)經(jīng)LT?、VT?、 VT4x LT4到Co t=t4時(shí)，VTi、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4-t2= tg稱為換流 時(shí)間。i。在t3時(shí)刻，即ivn二ivT2時(shí)刻過(guò)零，D時(shí)刻大體位于（2和U的中點(diǎn)。保證晶閘管的可幕關(guān)斷（圖5-13）:晶閘管需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VTi、V0承受一段反 壓時(shí)間tp, tp= t5- t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tqo為保證可靠換流應(yīng)在Uo過(guò)零前td= t5- t2時(shí) 刻觸發(fā)VT“ VT3o125/ 17td為觸

18、發(fā)引前時(shí)間(5-16)io超前于M的時(shí)間為'廠亍"表示為電角度(5-17)(5-18)131/173為電路工作角頻率；丫、卩分別是tp tp對(duì)應(yīng)的電角度）圖5-13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形數(shù)量分析：忽略換流過(guò)程，i?？山瞥删匦尾ǎ归_(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)( + -sin.3(2iT + -sin5(iet + A35(5-19)基波電流有效值= fe=0-97a(5-20)負(fù)載電壓有效值U。和直流電壓Ud的關(guān)系（忽略Ld的損耗，忽略晶閘管壓降）22 cos#i.h3LCOS>(5-21)實(shí)際工作過(guò)程中，感應(yīng)線圈參數(shù)隨時(shí)間變化，必須使工作頻率適應(yīng)負(fù)載的變化而自動(dòng) 調(diào)整，這種控

19、制方式稱為自勵(lì)方式。固定工作頻率的控制方式稱為他勵(lì)方式。自勵(lì)方式存在起動(dòng)問(wèn)題，解決方法：一是先用他勵(lì)方式，系統(tǒng)開(kāi)始工作后再轉(zhuǎn)入自勵(lì)方式。另一種方法是附加預(yù)充電起動(dòng) 電路。（2）三相電流型逆變電路電流型三相橋式逆變電路（圖5-11,采用全控型器件）。基本工作方式是120。導(dǎo)電方式每個(gè)臂一周期內(nèi)導(dǎo)電120%每時(shí)刻上下橋臂組各有 一個(gè)臂導(dǎo)通，橫向換流。波形分析：輸出電流波形和負(fù)載性質(zhì)無(wú)關(guān)，正負(fù)脈沖各120。的矩形波。輸出電流和三相橋整流帶 大電感負(fù)載時(shí)的交流電流波形相同，諧波分析表達(dá)式也相同。輸出線電壓波形和負(fù)載性質(zhì) 有關(guān)，大體為正弦波。(5-22)輸出交流電流的基波有效值串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路

20、如圖5-15所示。這種電路因各橋臂的晶閘管和二極管串 聯(lián)使用而得名，主要用于中大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。電流型三相橋式逆變電路：電路仍為前述的120。導(dǎo)電工作方式，輸出波形和圖5-14 的波形大體相同。各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用，各橋臂之間換流采用強(qiáng)迫換流方 式，連接于各臂之間的電容GG即為換流電容。換流過(guò)程分析（圖5-16）電容器充電規(guī)律：圖5-14電流型三相橋式逆變電路的輸出波形L4 vtl十 0rr-r-cvb3厶仇兮丫。嚴(yán)兮7 vrAZVD込Zq -佃込ZqVB蘋 VP2Wvt4o圖5-15串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路對(duì)共陽(yáng)極晶閘管，與導(dǎo)通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負(fù)。不與導(dǎo)通

21、晶閘管相 連的電容器電壓為零。共陰極晶閘管與共陽(yáng)極晶閘管惜況類似，只是電容器電壓極性相 反。等效換流電容：例如分析從VTi向VT3換流時(shí)，C13就是Ch與C5串聯(lián)后再與Ci并聯(lián) 的等效電容。設(shè)GC6的電容量均為C,則Cb = 3C/2o從VTi向VT3換流的過(guò)程：換流過(guò)程可分為恒流放電和二極管換流換流前v和VT2通,C13電壓Uco左正右負(fù)。圖5-16換流過(guò)程各階段的電流路徑a、恒流放電階段h時(shí)刻觸發(fā)VT*導(dǎo)通，VT被施以反壓而關(guān)斷。Id從VTi換到VO, C門通過(guò)VDi、U 相負(fù)載、W相負(fù)載、VD2、VT2、直流電源和VTs放電，放電電流恒為Id,故稱恒流放電 階段。uci3下降到零之前，VTi承受反壓，反壓時(shí)間大于q就能保證關(guān)斷。b、二極管換流階段t2時(shí)刻uc門降到零，之后C門反向充電。忽略負(fù)載電阻壓降，則二極管V6導(dǎo)通，電流為iv, VDi電流為iu=Id-iv, VDi和VDs同時(shí)通，進(jìn)入二極管換流階段。隨著03電壓增I苛，充電電流漸小，iv漸大，t_3時(shí)刻iu減到零, 階段結(jié)束。t3以后，VT2、VT-3穩(wěn)定導(dǎo)通階段波形分析：電感負(fù)載時(shí),Uci3、iu、iv及UC、uc3、波形如圖5-17所示。圖中給出了各 換流電容電壓Uci、UC3和UC5的波形。UC1 的波形和UC13完全相同，在換流過(guò)程中，從Uco降