第5章逆變電路

1、南通大學(xué)電氣工程學(xué)院 南通大學(xué)電氣工程學(xué)院逆變的概念 逆變與整流相對(duì)應(yīng)，直流電變成交流電。l交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。l交流側(cè)接負(fù)載，為無(wú)源逆變無(wú)源逆變。l 逆變與變頻l變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。l交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。主要應(yīng)用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等。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。本章講述無(wú)源逆變南通大學(xué)電氣工程學(xué)院南通大學(xué)電氣工程學(xué)院l 以單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路為例說(shuō)明最基本的工作原理圖5-1 逆變電路及其波形舉例o負(fù)載S1S2S3S4io

2、uUdS1S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院直流電交流電南通大學(xué)電氣工程學(xué)院逆變電路最基本的工作逆變電路最基本的工作原理原理 改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖5-1 逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載阻感負(fù)載時(shí)，i io o相位滯后于u uo o，波形也不同。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院l 換流換流電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱為換相換相。開(kāi)通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使器件開(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

3、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,因此安排在本章集中講述。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院1) 器件換流（Device Commutation）利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。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）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負(fù)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(méi)有交流電網(wǎng)的無(wú)源逆變電路。3) 負(fù)載換流（Load Commu

4、tation）4) 強(qiáng)迫換流（Forced Commutation）南通大學(xué)電氣工程學(xué)院圖5-2 負(fù)載換流電路及其工作波形 由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。負(fù)載對(duì)基波的阻抗大而對(duì)諧波的阻抗小。所以u(píng)o接近正弦波接近正弦波。注意注意觸發(fā)VT2、VT3的時(shí)刻t1必須在uo過(guò)零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。(如t1時(shí)VT3導(dǎo)通u0為正VT1承受反向電壓關(guān)斷)?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4南通大學(xué)電氣工程學(xué)院4)強(qiáng)迫換流

5、（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(qiáng)迫換流通過(guò)換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來(lái)提供換流電壓或換流電流電感耦合式強(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)迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流強(qiáng)迫換流。 通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流電容換流。分類南通大學(xué)電氣工程學(xué)院直接耦合式直接耦合式強(qiáng)迫換流 當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容充電。當(dāng)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5-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖圖5-4 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式電感耦合式強(qiáng)迫換流 先使晶閘管電流減為零，然后通

6、過(guò)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。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院換流方式總結(jié)：器件換流適用于全控型器件。其余三種方式針對(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稱為熄滅熄滅。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院1）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

7、直流側(cè)是電流源電流源南通大學(xué)電氣工程學(xué)院2）電壓型逆變電路的特點(diǎn)圖5-5 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(wú)脈動(dòng)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)功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院 南通大學(xué)電氣工程學(xué)院1）半橋逆變電路u圖56 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理V1和V2柵極信號(hào)在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補(bǔ)，輸出電壓u

8、o o為矩形波，幅值為Um=Ud/2。V1或V2通時(shí)，io和uo o同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時(shí)，i io o和u uo o反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管反饋二極管, ,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管續(xù)流二極管。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院l 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，使用器件少。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：輸出交流電壓幅值為U Ud d/2/2，且直流側(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kW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(gè)半橋逆變電路的組合。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院2) 全橋逆變電路共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。兩

9、對(duì)橋臂交替導(dǎo)通180。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院圖5-7 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式b)V3的基極信號(hào)比V1落后q （0 q 180 ）。V3、V4的柵極信號(hào)分別比V2、V1的前移180q。輸出電壓是正負(fù)各為q的脈沖。改變q就可調(diào)節(jié)輸出電壓。a)tOtOtOtOtOuG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoq輸出電壓合電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過(guò)改變直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院3） 帶中心抽頭變壓器的逆變電路圖5-8 帶中心抽頭變壓器的逆變電路Ud和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：時(shí)，uo和io o波 形及幅值與全橋逆變電路完

10、全相同。與全橋電路的比較：比全橋電路少用一半開(kāi)關(guān)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 。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。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院l 三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路l 應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路圖5-9 三相電壓型橋式逆變電路南通大學(xué)電氣工程學(xué)院l 基本工作方式180導(dǎo)電方式導(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，也稱為縱向換流縱向換流。南通大學(xué)電氣工

11、程學(xué)院電路分析:負(fù)載各相到電源中點(diǎn)N的電壓：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2。負(fù)載線電壓負(fù)載相電壓 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu南通大學(xué)電氣工程學(xué)院)(31 WN VN UNNNuuuu負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓 (5-6)負(fù)載三相對(duì)稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7) )(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu南通大學(xué)電氣工程學(xué)院圖5-9 三相電壓型橋式逆變電路南通大學(xué)電氣工程學(xué)院tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)

12、uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3圖圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形南通大學(xué)電氣工程學(xué)院負(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)，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的，電壓型逆變電路的一個(gè)特點(diǎn)。防止同一相上下兩橋臂的開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短路，應(yīng)采取“先斷后通” 南通大學(xué)電氣工程學(xué)院電流型逆變電路主要特特點(diǎn)點(diǎn) (1) 直流側(cè)串大電感，電流基 本無(wú)脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源。直流電源為電流源的逆變電路稱為電流

13、型逆變電流型逆變電路電路。圖5-11 電流型三相橋式逆變電路 (2) 交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。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。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院 南通大學(xué)電氣工程學(xué)院1) 電路原理圖512 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路由四個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器，用來(lái)限制晶閘管開(kāi)通時(shí)的di/dt。工作方式為負(fù)載換相負(fù)載換相。電容C和L 、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。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)

14、小于基波。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖513并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形2) 工作分析一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)導(dǎo)通階段和兩個(gè)換導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。流階段。t t1 1 t t2 2：VT1和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段穩(wěn)定導(dǎo)通階段，i i= =I Id d，t t2 2時(shí)刻前在C上建立了左正右負(fù)的電壓。t t2 2 t t4 4：t t2 2時(shí)觸發(fā)VT2和VT3開(kāi)通，進(jìn)入換流階段換流階段。LT使VT1、VT4不能立刻關(guān)斷，電流有一個(gè)

15、減小過(guò)程。VT2、VT3電流有一個(gè)增大過(guò)程。4個(gè)晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電容電壓經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電。LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一個(gè)經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4到C。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院t=t4時(shí)，VT1、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4t2= tg g 稱為換流時(shí)間換流時(shí)間。保證晶閘管的可靠關(guān)斷保證晶閘管的可靠關(guān)斷晶閘管需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時(shí)間tb。tb b= t5- t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。 。io在t3時(shí)刻，即iVT1=iVT2時(shí)刻過(guò)零，t3時(shí)刻大體位于t2和t4的中點(diǎn)。tOtOtOtOtOtOt

16、OtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖513并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形南通大學(xué)電氣工程學(xué)院為保證可靠換流應(yīng)在uo過(guò)零前td d= t5- t2時(shí)刻觸發(fā)VT2、VT3 。. td 為觸發(fā)引前時(shí)間觸發(fā)引前時(shí)間 (5-16)io超前于uo的時(shí)間 (5-17)表示為電角度 (5-18) w為電路工作角頻率；g、b分別是tg g、tb b對(duì)應(yīng)的電角度。忽略換流過(guò)程，io可近似成矩形波，展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù) (5-19)基波電流有效值 (5-20)負(fù)載電壓有效值Uo和直流電壓Ud的關(guān)系（忽略Ld的損 耗

17、，忽略晶閘管壓降） (5-21)tttbgttt2bgwbg22tttttIiwww5sin513sin31sin4dodd1o9 . 024IIIcos11. 1cos22ddoUUU南通大學(xué)電氣工程學(xué)院實(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，這種控制方式稱為自勵(lì)方式自勵(lì)方式。固定工作頻率的控制方式稱為他勵(lì)方式他勵(lì)方式。自勵(lì)方式存在起動(dòng)問(wèn)題，解決方法：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。附加預(yù)充電起動(dòng)電路。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院1) 電路分析 基本工作方式是120導(dǎo)電方式導(dǎo)電方式每個(gè)臂一周期內(nèi)導(dǎo)電120，每個(gè)時(shí)刻上下橋臂組各有一個(gè)臂導(dǎo)通，換流方式

18、為橫向換流橫向換流。itOtOtOtOIdiViWuUVU圖5-14 電流型三相橋式逆變電路的輸出波形 圖5-11 電流型三相橋式逆變電路2) 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。輸出交流電流的基波有效值。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路圖5-15 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 主要用于中大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。是電流型電流型三相橋式逆變電路。各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用。120導(dǎo)電工作方式導(dǎo)電工作方式，輸出波形和圖5-14的波形大體

19、相同。強(qiáng)迫換流強(qiáng)迫換流方式，電容C1C6為換流電容。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院- - +U VW+ - -U VWa)+ - -U VWb)- - +UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV圖5-16 換流過(guò)程各階段的電流路徑換流過(guò)程分析電容器所充電壓的規(guī)律電容器所充電壓的規(guī)律： 對(duì)于共陽(yáng)極晶閘管，它與導(dǎo)通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負(fù)，不與導(dǎo)通晶閘管相連的電容器電壓為零。等效換流電容概念等效換流電容概念： 分析

20、從VT1向VT3換流時(shí)，圖516中的C13就是圖514中的C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容。圖5-15 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 南通大學(xué)電氣工程學(xué)院分析從從VTVT1 1向向VTVT3 3換流換流的過(guò)程: 假設(shè)換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負(fù)。如圖516a。 換流階段分為恒流放電恒流放電和二極管換二極管換流流兩個(gè)階段。t t1 1時(shí)刻觸發(fā)VT3導(dǎo)通導(dǎo)通，VT1被施以反壓而關(guān)斷關(guān)斷。Id從VT1換到VT3，C13通過(guò)VD1、U相負(fù)載、W相負(fù)載、VD2、VT2、直流電源和VT3放電，放電電流恒為Id，故稱恒流放電階段恒流放電階段。如圖516b。uC13下降到零之前，VT1

21、承受反壓，反壓時(shí)間大于tq就能保證關(guān)斷。圖5-16 換流過(guò)程各階段的電流路徑 a) b）+- -UVW+- -UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id南通大學(xué)電氣工程學(xué)院- -+UVW- -+UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13iViViU=Id- -iV圖5-16 換流過(guò)程各階段的電流路徑c) d）t t2 2時(shí)刻u uC13C13降到零，之后C13反向充電。忽略負(fù)載電阻壓降，則二極管VD3導(dǎo)通，電流為i iV V，VD1電流為i iU U= =I Id d- -i iV V，VD1和VD3同時(shí)通，進(jìn)入二極二極管換流階段管換流階段。隨著C13電壓增高，充電電流漸小，iV漸大，t3時(shí)刻iU減到零，iV=Id，VD1承受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段結(jié)束結(jié)束。 t3以后，VT2、VT3穩(wěn)定導(dǎo)通穩(wěn)定導(dǎo)通階段階段。南通大學(xué)電氣工程學(xué)院波形分析電感負(fù)載時(shí)，u uC13C13、i iU U、i iV V及u uC1C1、u uC3C3、u uC5C5波形。u uC1C1的波形和u uC13C13完全相同，從UC0降為UC0 。C3和C5是串聯(lián)后再和C1并聯(lián)的，電壓變化的幅度是C1的一半。u uC3C3從零變到-U UC0C0，u uC5C5