第4章逆變電路

第4章逆變電路Chapter4DCtoACConverters

/Inverters2/6/20231引言逆變的概念與整流相對應，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。交流側(cè)接負載，為無源逆變，本章主要講述無源逆變。逆變與變頻變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。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。逆變電路的主要應用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。2/6/20232第4章逆變電路4.1換流方式4.2電壓型逆變電路4.3電流型逆變電路4.4多重逆變電路和多電平逆變電路本章小結(jié)2/6/202334.1換流方式4.1.1逆變電路的基本工作原理4.1.2換流方式分類2/6/202344.1.1逆變電路的基本工作原理2/6/20235逆變電路基本的工作原理

S1~S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。當開關S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正；當開關S1、S4斷開，S2、S3閉合時，uo為負，這樣就把直流電變成了交流電。改變兩組開關的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同。負載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2圖4-1逆變電路及其波形舉例4.1.2換流方式分類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。研究換流方式主要是研究如何使器件關斷。換流方式分為以下幾種器件換流（DeviceCommutation）利用全控型器件的自關斷能力進行換流。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。電網(wǎng)換流（LineCommutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關斷的晶閘管上即可使其關斷。不需要器件具有門極可關斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。2/6/202364.1.2換流方式分類2/6/20237a)uωtωtωtωtOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4圖4-2負載換流電路及其工作波形負載換流（LoadCommutation）由負載提供換流電壓的換流方式。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，如電容性負載和同步電動機。圖4-2a是基本的負載換流逆變電路，整個負載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性，直流側(cè)串大電感，工作過程可認為id基本沒有脈動。負載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小，所以uo接近正弦波。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。4.1.2換流方式分類2/6/20238強迫換流（ForcedCommutation）設置附加的換流電路，給欲關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。通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電容換流。分類直接耦合式強迫換流：由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓。電感耦合式強迫換流：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。直接耦合式強迫換流如圖4-3，當晶閘管VT處于通態(tài)時，預先給電容充電。當S合上，就可使VT被施加反壓而關斷。也叫電壓換流。圖4-3直接耦合式強迫換流原理圖4.1.2換流方式分類2/6/20239電感耦合式強迫換流圖4-4a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內(nèi)關斷，圖4-4b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內(nèi)關斷，注意兩圖中電容所充的電壓極性不同。在這兩種情況下，晶閘管都是在正向電流減至零且二極管開始流過電流時關斷，二極管上的管壓降就是加在晶閘管上的反向電壓。也叫電流換流。圖4-4電感耦合式強迫換流原理圖4.1.2換流方式分類2/6/202310換流方式總結(jié)自換流Self-commutation器件換流Devicecommutation強迫換流Forcedcommutation電網(wǎng)換流Linecommutation負載換流Loadcommutation4種換流方式外部換流Externalcommutation適用于全控器件主要針對晶閘管4.2電壓型逆變電路·引言2/6/202311根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同，可以分為兩類電壓型逆變電路：直流側(cè)是電壓源。電流型逆變電路：直流側(cè)是電流源。電壓型逆變電路的特點直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動。由于直流電壓源的鉗位作用，輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同。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)反饋二極管。圖4-5電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路）4.2電壓型逆變電路4.2.1單相電壓型逆變電路4.2.2三相電壓型逆變電路2/6/2023124.2.1單相電壓型逆變電路2/6/202313半橋逆變電路在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的聯(lián)結(jié)點便成為直流電源的中點，負載聯(lián)接在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)結(jié)點之間。工作原理設開關器件V1和V2的柵極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補。輸出電壓uo為矩形波，其幅值為Um=Ud/2。電路帶電阻負載，電流電壓波形相同。電路帶阻感負載t2時刻給V1關斷信號，給V2開通信號，則V1關斷，但感性負載中的電流io不能立即改變方向，于是VD2導通續(xù)流當t3時刻io降零時，VD2截止，V2開通，io開始反向，由此得出如圖4-6所示的電流波形。a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖4-6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形4.2.1單相電壓型逆變電路2/6/202314a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖4-6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形結(jié)論V1或V2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管,它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。優(yōu)點：簡單，使用器件少；缺點：輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡；因此，半橋電路常用于幾kW以下的小功率逆變電源。4.2.1單相電壓型逆變電路2/6/202315全橋逆變電路共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導通180°。

輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，但幅值高出一倍。在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)。Ud的矩形波uo展開成傅里葉級數(shù)得圖4-5全橋逆變電路(4-1)其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為

(4-2)(4-3)4.2.1單相電壓型逆變電路2/6/202316a)b)圖4-7單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式移相調(diào)壓方式V3的基極信號比V1落后（0＜＜180°）。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180°-。輸出電壓是正負各為的脈沖。工作過程t1時刻前V1和V4導通，uo=Ud。t1時刻V4截止，而因負載電感中的電流io不能突變，V3不能立刻導通，VD3導通續(xù)流，uo=0。t2時刻V1截止，而V2不能立刻導通，VD2導通續(xù)流，和VD3構成電流通道，uo=-Ud。到負載電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，V2和V3開始導通，uo仍為-Ud。t3時刻V3截止，而V4不能立刻導通，VD4導通續(xù)流，uo再次為零。改變就可調(diào)節(jié)輸出電壓。4.2.1單相電壓型逆變電路2/6/202317圖4-8帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭變壓器的逆變電路交替驅(qū)動兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負載加上矩形波交流電壓。兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。

Ud和負載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1時，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。

與全橋電路相比較比全橋電路少用一半開關器件。器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高一倍。必須有一個變壓器。

4.2.2三相電壓型逆變電路2/6/202318三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路。三相橋式逆變電路基本工作方式是180°導電方式。同一相（即同一半橋）上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120°，任一瞬間有三個橋臂同時導通。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流。圖4-9三相電壓型橋式逆變電路假想中點4.2.2三相電壓型逆變電路2/6/202319tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形工作波形對于U相輸出來說，當橋臂1導通時，uUN’=Ud/2，當橋臂4導通時，uUN’=-Ud/2，uUN’的波形是幅值為Ud/2的矩形波，V、W兩相的情況和U相類似。負載線電壓uUV、uVW、uWU可由下式求出負載各相的相電壓分別為

(4-4)(4-5)4.2.2三相電壓型逆變電路2/6/202320tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形把上面各式相加并整理可求得設負載為三相對稱負載，則有uUN+uVN+uWN=0，故可得負載參數(shù)已知時，可以由uUN的波形求出U相電流iU的波形，圖4-10g給出的是阻感負載下

時iU的波形。把橋臂1、3、5的電流加起來，就可得到直流側(cè)電流id的波形，如圖4-10h所示，可以看出id每隔60°脈動一次。(4-6)(4-7)4.2.2三相電壓型逆變電路2/6/202321基本的數(shù)量關系把輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)得式中，，k為自然數(shù)。輸出線電壓有效值UUV為其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分別為(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)4.2.2三相電壓型逆變電路2/6/202322把uUN展開成傅里葉級數(shù)得

式中，，k為自然數(shù)。負載相電壓有效值UUN為

其中基波幅值UUN1m和基波有效值UUN1分別為為了防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時導通而引起直流側(cè)電源的短路，要采取“先斷后通”的方法—加入死區(qū)時間。(4-12)(4-13)(4-14)(4-15)4.2.2三相電壓型逆變電路2/6/202323例：三相橋式電壓型逆變電路，180°導電方式，Ud=200V。試求輸出相電壓的基波幅值UUN1m和有效值UUN1、輸出線電壓的基波幅值UUV1m和有效值UUV1、輸出線電壓中7次諧波的有效值UUV7。解：

＝0.45×200＝90（V）＝0.637×200＝127.4（V）＝1.1×200=220（V）＝0.78×200=156（V）UUV7=2Ud/（3.14×7×）=22.3（V）

圖4-11電流型三相橋式逆變電路4.3電流型逆變電路·引言2/6/202324直流電源為電流源的逆變電路，稱為電流型逆變電路。電流型逆變電路主要特點直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動，相當于電流源。交流輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關，輸出電壓波形和相位因負載不同而不同。直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應用較多，換流方式有負載換流、強迫換流。4.3電流型逆變電路4.3.1單相電流型逆變電路4.3.2三相電流型逆變電路2/6/2023254.3.1單相電流型逆變電路2/6/202326電路分析由四個橋臂構成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用來限制晶閘管開通時的di/dt。采用負載換相方式工作的，要求負載電流略超前于負載電壓，即負載略呈容性。電容C和L、R構成并聯(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，且諧波幅值遠小于基波。圖4-12單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路4.3.1單相電流型逆變電路2/6/202327工作波形分析在交流電流的一個周期內(nèi)，有兩個穩(wěn)定導通階段和兩個換流階段。t1~t2：VT1和VT4穩(wěn)定導通階段，io=Id，t2時刻前，在C上建立了左正右負的電壓。在t2時刻觸發(fā)VT2和VT3開通，開始進入換流階段。由于換流電抗器LT的作用，VT1

和VT4不能立刻關斷，其電流有一個減小過程，VT2和VT3的電流也有一個增大過程。圖4-13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形圖4-12單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路4.3.1單相電流型逆變電路2/6/202328圖4-13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形4個晶閘管全部導通，負載電容電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電。一個回路是經(jīng)LT1、VT1、VT3、LT3回到電容C。另一個回路是經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4回到電容C。當t=t4時，VT1、VT4電流減至零而關斷，直流側(cè)電流Id全部從VT1、VT4轉(zhuǎn)移到VT2、VT3，換流階段結(jié)束。圖4-12單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路4.3.1單相電流型逆變電路2/6/202329圖4-13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形晶閘管需一段時間才能恢復正向阻斷能力，t4時刻換流結(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時間t，tβ=t5-t4應大于晶閘管的關斷時間tq。為保證可靠換流應在uo過零前t=t5-t2時刻觸發(fā)VT2、VT3，t為觸發(fā)引前時間io超前于uo的時間（負載的功率因數(shù)角）

把t表示為電角度（弧度）可得(4-16)(4-17)(4-18)4.3.1單相電流型逆變電路2/6/202330基本的數(shù)量關系io展開成傅里葉級數(shù)可得負載電壓有效值Uo和直流電壓Ud的關系

其基波電流有效值Io1為

(4-19)(4-20)4.3.1單相電流型逆變電路2/6/202331一般情況下值較小，可近似認為cos(/2)≈1，再考慮到式(4-18)可得或?qū)嶋H工作過程中，感應線圈參數(shù)隨時間變化，必須使工作頻率適應負載的變化而自動調(diào)整，這種控制方式稱為自勵方式。固定工作頻率的控制方式稱為他勵方式。自勵方式存在起動問題，解決方法：先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵方式。附加預充電起動電路。(4-21)4.3.2三相電流型逆變電路2/6/202332tOtOtOtOIdiViWuUVU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電路分析基本工作方式是120°導電方式，每個臂一周期內(nèi)導電120°，每個時刻上下橋臂組各有一個臂導通。換流方式為橫向換流。波形分析輸出電流波形和負載性質(zhì)無關，正負脈沖各120°的矩形波。輸出電流和三相橋整流帶大電感負載時的交流電流波形相同，諧波分析表達式也相同。輸出線電壓波形和負載性質(zhì)有關，大體為正弦波，但疊加了一些脈沖。輸出交流電流的基波有效值IU1和直流電流Id的關系為(4-22)i4.3.2三相電流型逆變電路2/6/202333圖4-15串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路主要用于中大功率交流電動機調(diào)速系統(tǒng)。電路分析是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°導電工作方式，輸出波形和圖4-14的波形大體相同。采用強迫換流方式，電容C1~C6為換流電容。換流過程分析電容器所充電壓的規(guī)律：對于共陽極晶閘管，它與導通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負，不與導通晶閘管相連的電容器電壓為零，共陰極的情況與此類似，只是電壓極性相反。4.3.2三相電流型逆變電路2/6/202334等效換流電容概念：圖4-16中的換流電容C13就是圖4-14中的C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容。分析從VT1向VT3換流的過程假設換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負。換流階段分為恒流放電和二極管換流兩個階段。t1時刻觸發(fā)VT3導通，VT1被施以反壓而關斷，Id從VT1換到VT3，C13通過VD1、U相負載、W相負載、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，如圖4－16b。圖4-16換流過程各階段的電流路徑4.3.2三相電流型逆變電路2/6/202335圖4-16換流過程各階段的電流路徑uC13下降到零之前，VT1承受反壓，反壓時間大于tq就能保證可靠關斷。t2時刻uC13降到零，之后C13反向充電，忽略負載電阻壓降，則二極管VD3導通，電流為iV，VD1電流為iU=Id-iV，VD1和VD3同時導通，進入二極管換流階段。隨著C13電壓增高，充電電流漸小，iV漸大，t3時刻iU減到零，iV=Id，VD1承受反壓而關斷，二極管換流階段結(jié)束。t3以后，進入VT2、VT3穩(wěn)定導通階段。4.3.2三相電流型逆變電路2/6/202336ttOuOiUCOuC13uC5uC3-UCOIdiUiVt1t2t3圖4-17串聯(lián)二極管晶閘管逆變電路換流過程波形從VT1向VT3換流的過程中，如果負載為交流電動機，則在t2時刻uC13降至零時，如電機反電動勢eVU>0，則VD3仍承受反向電壓而不能導通。直到uC13升高到與eVU相等后，VD3才承受正向電壓而導通，進入VD3和VD1同時導通的二極管換流階段。波形分析圖4-17給出了電感負載時，uC13、iU和iV的波形圖。uC1的波形和uC13完全相同。uC3從零變到-UC0，uC5從UC0變到零，變化幅度是C1的一半。這些電壓恰好符合相隔120°后從VT3到VT5換流時的要求，為下次換流準備好了條件。4.3.2三相電流型逆變電路2/6/202337圖4-18無換相器電動機的基本電路負載為同步電動機其工作特性和調(diào)速方式都和直流電動機相似，但沒有換向器，因此被稱為無換向器電動機。采用120°導電方式，利用電動機反電勢實現(xiàn)換流。BQ是轉(zhuǎn)子位置檢測器，用來檢測磁極位置以決定什么時候給哪個晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖。圖4-19無換相器電動機電路工作波形4.4多重逆變電路和多電平逆變電路·引言電壓型逆變電路的輸出電壓是矩形波，電流型逆變電路的輸出電流是矩形波，矩形波中含有較多的諧波，對負載會產(chǎn)生不利影響。常常采用多重逆變電路把幾個矩形波組合起來，使之成為接近正弦波的波形。也可以改變電路結(jié)構，構成多電平逆變電路，它能夠輸出較多的電平，從而使輸出電壓向正弦波靠近。

2/6/2023384.4多重逆變電路和多電平逆變電路4.4.1多重逆變電路4.4.2多電平逆變電路2/6/2023394.4.1多重逆變電路2/6/202340120°60°180°tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo圖4-20二重單相逆變電路圖4-21二重逆變電路的工作波形二重單相電壓型逆變電路兩個單相全橋逆變電路組成，輸出通過變壓器T1和T2串聯(lián)起來。輸出波形兩個單相的輸出u1和u2是180°矩形波。u1和u2相位錯開=60°,其中的3次諧波就錯開了3×60°=180，變壓器串聯(lián)合成后，3次諧波互相抵消，總輸出電壓中不含3次諧波。uo波形是120°矩形波，含6k±1次諧波，3k次諧波都被抵消。由此得出的一些結(jié)論把若干個逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。多重逆變電路有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種方式，電壓型逆變電路多用串聯(lián)多重方式，電流型逆變電路多用并聯(lián)多重方式。4.4.1多重逆變電路2/6/202341圖4-22三相電壓型二重逆變電路三相電壓型二重逆變電路電路分析由兩個三相橋式逆變電路構成，輸出通過變壓器串聯(lián)合成。兩個逆變電路均為180°導通方式。工作時，逆變橋II的相位比逆變橋I滯后30°。T1為Δ/Y聯(lián)結(jié)，線電壓變比為，T2一次側(cè)Δ聯(lián)結(jié)，二次側(cè)兩繞組曲折星形接法，其二次電壓相對于一次電壓而言，比T1的接法超前30°，以抵消逆變橋II比逆變橋I滯后的30°，這樣uU2和uU1的基波相位就相同。如果T2和T1一次側(cè)匝數(shù)相同，為了使uU2和uU1基波幅值相同，T2和T1二次側(cè)間的匝比就應為。

4.4.1多重逆變電路2/6/202342UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)圖4-23二次側(cè)基波電壓合成相量圖tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud圖4-24三相電壓型二重逆變電路波形圖工作波形T1、T2二次側(cè)基波電壓合成情況的相量圖如圖4-23所示，圖中UA1、UA21、UB22分別是變壓器繞組A1、A21、B22上的基波電壓相量。由圖4-24可以看出，uUN比uU1接近正弦波。4.4.1多重逆變電路2/6/202343基本的數(shù)量關系把uU1展開成傅里葉級數(shù)得式中，n=6k±1，k為自然數(shù)。uU1的基波分量有效值為n次諧波有效值為(4-23)(4-24)(4-25)4.4.1多重逆變電路2/6/202344輸出相電壓uUN的基波電壓有效值為其n次諧波有效值為式中，n=12k±1，k為自然數(shù)，在uUN中已不含5次、7次等諧波。該三相電壓型二重逆變電路的直流側(cè)電流每周期脈動12次，稱為12脈波逆變電路，一般來說，使m個三相橋式逆變電路的相位依次錯開運行，連同使它們輸出電壓合成并抵消上述相位差的變壓器，就可以構成脈波數(shù)為6m的逆變電路。(4-26)(4-27)4.4.2多電平逆變電路2/6/202345tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3圖4-9三相電壓型橋式逆變電路圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形回顧圖4-9三相電壓型橋式逆變電路和圖4-10的波形，以N’為參考點，輸出相電壓有Ud/2和-Ud/2兩種電平，稱為兩電平逆變電路。4.4.2多電平逆變電路2/6/202346圖4-25飛跨電容三電平逆變電路多電平逆