第七章逆變電路

1、 7.1 逆變器的性能指標與分類逆變器的性能指標與分類 如果將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直如果將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去，流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去，2 2）應(yīng)用：）應(yīng)用：它用于直流電機的可逆調(diào)速、繞線型異步電機的它用于直流電機的可逆調(diào)速、繞線型異步電機的串級調(diào)速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。串級調(diào)速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而是直接接到逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而是直接接到l負載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交負載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交l流電供給負載，流電供給

2、負載，它在交流電機變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源它在交流電機變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源l等方面應(yīng)用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容。等方面應(yīng)用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容。 （1）諧波系數(shù)諧波系數(shù)HF（Harmonic Factor） 諧波系數(shù)諧波系數(shù)HF定義為定義為諧波分量諧波分量有效值有效值同同基波分量基波分量有致值之比，即有致值之比，即 式中式中n=1、2、3，表示諧波表示諧波 次數(shù)，次數(shù)，n=1時為基波。時為基波。( (7.1.1) )1UUHFn （2 2）總諧波系數(shù)）總諧波系數(shù)THD（Total Harmonic Distrotion） 4 . 3,2211nn

3、UUTHD( (7.1.2) )（5 5）電磁干擾（電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（）和電磁兼容性（EMC）（3 3）逆變效率逆變效率 （4 4）單位重量的輸出功率單位重量的輸出功率: :衡量逆變器輸出功率密度的指標。衡量逆變器輸出功率密度的指標。 總諧波系數(shù)表征了一個總諧波系數(shù)表征了一個實際波形同其基波的接近程度實際波形同其基波的接近程度。THD定義為定義為 電壓型：電壓型：電壓型逆變器的輸人端并接有電壓型逆變器的輸人端并接有大電容大電容，輸入直流電源，輸入直流電源為為恒壓源恒壓源，逆變器將，逆變器將直流電壓直流電壓變換成變換成交流電壓交流電壓。 電流型：電流型：電流型逆變器的輸入端串接有電

4、流型逆變器的輸入端串接有大電感大電感，輸入直流電源，輸入直流電源為為恒流源恒流源，逆變器將輸入的，逆變器將輸入的直流電流直流電流變換為變換為交流電流交流電流輸出。輸出。（1 1）、根據(jù)輸入直流電源特點分類）、根據(jù)輸入直流電源特點分類 半橋式半橋式逆變電路；逆變電路； 全橋式全橋式逆變電路；逆變電路； 推挽式推挽式逆變電路；逆變電路； 其他形式：如單管晶體管逆變電路。其他形式：如單管晶體管逆變電路。（2 2）、根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點分類）、根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點分類 負載換流型逆變電路；負載換流型逆變電路； 脈沖換流型逆變電路；脈沖換流型逆變電路； 器件及電網(wǎng)換流型逆變電路。器件及電網(wǎng)換流型逆變電路。（

5、3 3）、根據(jù)換流方式分類）、根據(jù)換流方式分類（4 4）、根據(jù)負載特點分類）、根據(jù)負載特點分類 非諧振式逆變電路非諧振式逆變電路 諧振式逆變電路諧振式逆變電路（5 5）、根據(jù)）、根據(jù)輸出波形輸出波形特點分類特點分類 正弦波正弦波 方波及其他非正弦波方波及其他非正弦波l換流換流電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相換相。開通：適當?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使器件開通。關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(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零后施加一定時間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。1) 器件換流（Device

6、 Commutation）n利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。n在采用IGBT 、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2) 電網(wǎng)換流（Line Commutation）n電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。n將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3) 負載換流（Load Commutation）圖7-1 負載換流電路及其工作波形 u 由負載提供換流電壓的換流方式稱o負載電流的相位超前于負載電壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流。o如圖是基本的負載換流負載換流電路，4個橋臂均由晶閘管組成。o

7、整個負載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。o直流側(cè)串電感，工作過程可認為id 基本沒有脈動。ouo接近正弦波接近正弦波。o注意注意觸發(fā)VT2、VT3的時刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4（Forced Commutation）由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓直接耦合式強迫換流通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流電感耦合式強迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流強迫換流。 通常利用附加電容上所儲存

8、的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電容換流電容換流。分類o直接耦合式直接耦合式強迫換流 當晶閘管VT處于通態(tài)時，預(yù)先給電容充電。當S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。 也叫電壓換流電壓換流。圖7-2直接耦合式強迫換流原理圖圖7-3 電感耦合式強迫換流原理圖 電感耦合式電感耦合式強迫換流 先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓。 也叫電流換流電流換流。o換流方式總結(jié)：器件換流適用于全控型器件。其余三種方式針對晶閘管。器件換流和強迫換流屬于自換流。電網(wǎng)換流和負載換流屬于外部換流。當電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱悖瑒t稱為熄滅熄滅。 1、可以做成變頻變壓電

9、源（可以做成變頻變壓電源（VVVFVVVF），主要用于交流），主要用于交流電動機調(diào)速。電動機調(diào)速。 2、可以做成恒頻恒壓電源（可以做成恒頻恒壓電源（CVCF），其典型代表為），其典型代表為 不間斷電源（不間斷電源（UPS）、航空機載電源、機車照明，通信）、航空機載電源、機車照明，通信 等輔助電源也要用等輔助電源也要用CVCF電源。電源。 3、可以做成感應(yīng)加熱電源，例如中頻電源，高頻電可以做成感應(yīng)加熱電源，例如中頻電源，高頻電 源等。源等。逆變器的用途十分廣泛：逆變器的用途十分廣泛：l以單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理圖7-4 逆變電路及其波形舉例負載a)b)tS1S2S

10、3S4iouoUduoiot1t2S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。S1、S4閉合閉合，S2、S3斷開斷開時，負載電壓uo為正正。S1、S4斷開斷開，S2、S3閉合閉合時，負載電壓uo為負負。直流電交流電逆變電路最基本的工逆變電路最基本的工作原理作原理 改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖7-5 逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負載電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負載阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同。1）逆變電路的分類逆變電路的分類 根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同電壓型逆變電路又稱為電壓源

11、型逆變電路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流側(cè)是電壓源電壓源電流型逆變電路又稱為電流源型逆變電路Current Source Type Inverter-VSTI直流側(cè)是電流源電流源2）電壓型逆變電路的特點電壓型逆變電路的特點圖7-6 電壓型全橋逆變電路 (1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動無脈動,直流回路呈現(xiàn)低阻抗。 (2)輸出電壓為矩形波矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同。 (3)阻感負載時需提供無功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋反饋二極管。 它由兩個導(dǎo)電臂構(gòu)成，它由兩個導(dǎo)電臂構(gòu)成，每個導(dǎo)電臂由一

12、個全控器件每個導(dǎo)電臂由一個全控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。和一個反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容的足夠大的電容C1和和C2，且，且滿足滿足C1=C2。設(shè)感性負載連。設(shè)感性負載連接在接在A、0兩點間。兩點間。 T1和和T2之間存在死區(qū)時之間存在死區(qū)時間，以避免上、下直通，在間，以避免上、下直通，在死區(qū)時間內(nèi)兩晶閘管均無驅(qū)死區(qū)時間內(nèi)兩晶閘管均無驅(qū)動信號。動信號。圖圖7.7 電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形 1.1.電壓型電壓型單相單相半橋逆變電路結(jié)構(gòu)及波半橋逆變電路結(jié)構(gòu)及波形：形： 在一個周期內(nèi)，電力晶體管在一個周

13、期內(nèi)，電力晶體管T1和和T2的基的基極信號各有半周正偏，半周反偏，且互補。極信號各有半周正偏，半周反偏，且互補。 若負載為阻感負載，設(shè)若負載為阻感負載，設(shè)t2時刻以前，時刻以前，T1有有驅(qū)動信號導(dǎo)通，驅(qū)動信號導(dǎo)通，T2截止，則截止，則 u0=Ud/2。 t2時刻關(guān)斷的時刻關(guān)斷的T1，同時給，同時給T2發(fā)出導(dǎo)通信發(fā)出導(dǎo)通信號。由于感性負載中的電流號。由于感性負載中的電流i。不能立即改變不能立即改變方向，于是方向，于是D2導(dǎo)通續(xù)流，導(dǎo)通續(xù)流，u0=Ud /2 。 t3時刻時刻i。降至零，降至零，D2截止，截止，T2導(dǎo)通，導(dǎo)通，i。開始反向增大，此時仍然有開始反向增大，此時仍然有u0=Ud /2 。

14、 在在t4時刻關(guān)斷時刻關(guān)斷T2，同時給，同時給T1發(fā)出導(dǎo)通信號，發(fā)出導(dǎo)通信號，由于感性負載中的電流由于感性負載中的電流i。不能立即改變方向，。不能立即改變方向，D1先導(dǎo)通續(xù)流，此時有先導(dǎo)通續(xù)流，此時有u0=Ud /2 ； t5時刻時刻 i。降至零，降至零， T1導(dǎo)通，導(dǎo)通，u0=Ud /2 ； 圖圖7.8 電壓型半橋逆變電路及其電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形電壓電流波形 2.2.電壓型電壓型單相單相半橋逆變電路工作原理半橋逆變電路工作原理 緩緩沖沖電電感感反反饋饋的的無無功功能能量量 輸出輸出電壓有效值電壓有效值為為: 由傅里葉分析，輸出由傅里葉分析，輸出電壓瞬時值電壓瞬時值為為: 其中，

15、其中， 為輸出電壓角頻率。為輸出電壓角頻率。 當當 n=1時其時其基波分量的有效值基波分量的有效值為為: 22122/0dTdSOUdtUTUS tnnUundo sin2, 5 , 3, 1 ddOUUU45. 0221(7.3.1)(7.3.2)(7.3.3)sf 2 圖圖7.9 電壓型半橋逆變電路電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形及其電壓電流波形 l優(yōu)點優(yōu)點：電路簡單，使用器件少。電路簡單，使用器件少。缺點缺點：輸出交流電壓幅值為輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應(yīng)用應(yīng)用：用于幾用于幾kW以下的小功率逆變

16、電源。以下的小功率逆變電源。l單相全橋、三相橋式都可看成若干個半單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。橋逆變電路的組合。7.3.2電壓型單相電壓型單相全全橋逆變電路橋逆變電路 全控型開關(guān)器件全控型開關(guān)器件T1和和T4構(gòu)成構(gòu)成一對橋臂，一對橋臂，T2和和T3構(gòu)成一對橋臂構(gòu)成一對橋臂, T1和和T4同時通、斷；同時通、斷；T2和和T3同時通、同時通、斷。斷。T1(T4)與與T2(T3)的驅(qū)動信號互的驅(qū)動信號互補，即補，即T1和和T4有驅(qū)動信號時，有驅(qū)動信號時，T2和和T3無驅(qū)動信號，反之亦然，兩對橋無驅(qū)動信號，反之亦然，兩對橋臂各交替導(dǎo)通臂各交替導(dǎo)通180。圖圖7.10 電壓型單相全

17、橋逆變電壓型單相全橋逆變 電路和電壓、電流波形圖電路和電壓、電流波形圖 1、電路、電路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 0tTs2期間，期間，T1和和T4有驅(qū)動有驅(qū)動信號，信號，T1和和T4導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2和和T3無無驅(qū)驅(qū)動 信 號 ，動 信 號 ， T2和和 T3不 導(dǎo) 通 ，不 導(dǎo) 通 ， u0=+Ud。 Ts2tTs期間，期間，T2和和T3有驅(qū)有驅(qū)動信號導(dǎo)通，動信號導(dǎo)通，T1和和T4無無驅(qū)動信號驅(qū)動信號截止截止， u0=Ud 。p 輸出的電壓是輸出的電壓是弧度寬的方波電弧度寬的方波電壓，幅值為壓，幅值為Ud。1 1）電電阻負載阻負載R時時圖圖7.11 電壓型單相全橋逆變電壓型單相全橋逆變 電路和電壓、電流波形

18、圖電路和電壓、電流波形圖 0tTs4，T1和和T4有驅(qū)動信號，由有驅(qū)動信號，由于電流于電流i0為負值，為負值，在此期間在此期間T T1 1、T T4 4均不均不導(dǎo)通導(dǎo)通，D1、D4導(dǎo)通起負載電流續(xù)流作導(dǎo)通起負載電流續(xù)流作用，用， u0=+Ud 。圖圖7.11電壓型單相全橋逆變電壓型單相全橋逆變 電路和電壓、電流波形圖電路和電壓、電流波形圖 2 2）電感負載）電感負載L時時Ts2t3Ts4期間，期間，T2和和T3有驅(qū)動有驅(qū)動信號，由于電流信號，由于電流i0為為正正值，值，T2、T3不不導(dǎo)通導(dǎo)通，D2、D3導(dǎo)通起負載電流續(xù)流作導(dǎo)通起負載電流續(xù)流作用，用， u0=-Ud 。Ts4tTs2期間，電流期

19、間，電流i0為為正正值，值，T1、T4才才導(dǎo)通導(dǎo)通。3Ts4tTs期間，期間，T2和和T3才導(dǎo)通。才導(dǎo)通。o輸出方波電壓瞬時值：輸出方波電壓瞬時值： o輸出方波電壓有效值：輸出方波電壓有效值： 基波分量的有效值：基波分量的有效值：圖圖7.11電壓型單相全橋逆變電壓型單相全橋逆變 電路和電壓、電流波形圖電路和電壓、電流波形圖 (7.3.6)ddOUUU9 . 0241 dTdsOUdtUTUs 22/01tnnUundo sin4, 5 , 3, 1 (7.3.4)(7.3.5)數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系 dwudvwuvUuUuu0dwNdvNduNUuUuUu323131線線電電壓壓相相電電壓壓dUV

20、UVUdwtuU816.021202ddmUVUUU1 .1321dmUVUVUUU78.0211 基波幅值：基波幅值： 基波有效值：基波有效值： 基波幅值：基波幅值： 基波有效值：基波有效值：dUNUNUdwtuU471. 021202ddmUNUUU637. 021dmUNUNUUU45. 0211電流型逆變電路主要特特點：點： (1) 直流側(cè)串大電感，電流基 本無脈動，相當于電流源。o直流電源為電流源的逆變電路稱為電電流型逆變電路流型逆變電路。 (2) 交流輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關(guān)。輸出電壓波形和相位 因負載不同而不同。 (3)直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并

21、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。換流方式有負載換流、強迫換流（脈沖換流）。 當當T1、T4導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷關(guān)斷時，時，I0=Id ；反之，；反之，I0=-Id 。 當以頻率當以頻率f交替切換開關(guān)管交替切換開關(guān)管T1、T4和和T2、T3時，則在負載上獲得時，則在負載上獲得如圖如圖 7.15（b）所示的電流波形。）所示的電流波形。 輸出電流波形為矩形波，與輸出電流波形為矩形波，與電路負載性質(zhì)無關(guān)，而輸出電壓電路負載性質(zhì)無關(guān)，而輸出電壓波形由負載性質(zhì)決定。波形由負載性質(zhì)決定。 主電路開關(guān)管采用自關(guān)斷器主電路開關(guān)管采用自關(guān)斷器件時，如果其反向不能承受高電件時，如果

22、其反向不能承受高電壓，則需在各開關(guān)器件支路壓，則需在各開關(guān)器件支路串入串入二極管二極管。圖圖7.15 電流型單相橋式電流型單相橋式 逆變電路及電流波形逆變電路及電流波形 1、電路工作原理：、電路工作原理：防反相高壓防反相高壓恒流大電感恒流大電感其中基波幅值其中基波幅值I01m和基波有效值和基波有效值I01分別為分別為 (7.4.1) (7.4.2) (7.4.3) )5sin513sin31(sin4 tttIido ddmIII27. 1401 ddIII9 . 02401 將圖將圖7.15（b）所示的電流波形所示的電流波形i0展開成傅氏級數(shù)展開成傅氏級數(shù),有有2、電流波形參數(shù)計算：、電流波

23、形參數(shù)計算： 圖圖7.16電流型單相橋式電流型單相橋式 逆變電路及電流波形逆變電路及電流波形 導(dǎo)電方式導(dǎo)電方式為為120導(dǎo)通、橫向換流方式，導(dǎo)通、橫向換流方式，任意瞬間只有任意瞬間只有兩個橋臂兩個橋臂導(dǎo)通。導(dǎo)通。 導(dǎo)通順序?qū)樞驗闉門1T2T3T4T5T6，依，依次間隔次間隔60，每個橋臂導(dǎo)通，每個橋臂導(dǎo)通120。這樣，。這樣，每個時刻上橋臂組和下橋臂組中都各有一每個時刻上橋臂組和下橋臂組中都各有一個臂導(dǎo)通。個臂導(dǎo)通。 輸出電流波形輸出電流波形與負載性質(zhì)無關(guān)。與負載性質(zhì)無關(guān)。 輸出電壓波形輸出電壓波形由負載的性質(zhì)決定。由負載的性質(zhì)決定。圖圖7.17 電流型三相橋式逆變電電流型三相橋式逆變電路

24、原理圖及輸出電流波形路原理圖及輸出電流波形 (7.4.4) 1、工作原理、工作原理: 2、輸出電流的基波有效值、輸出電流的基波有效值I01和直和直流電流流電流Id的關(guān)系式為：的關(guān)系式為： ddIII78. 0601 o 將一個正弦波半波電壓分成將一個正弦波半波電壓分成N等份，等份，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點與相應(yīng)沖來代替，且矩形脈沖的中點與相應(yīng)正弦等份的中點重合，得到如圖正弦等份的中點重合，得到如圖7.5.1（b）所示的脈沖列。這就是）所示的脈沖列。這就是PWM波波形。正弦波的另外一個半波可以用相形。正弦波的另外一個半波可以用相同的辦法來等效。同的辦法來等效。o PWM被形的脈沖寬度是按正弦規(guī)被形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化，稱為律變化，稱為SPWM（Sinusoidal Pulse