第四章 逆變電路

1、太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)第四章 逆變電路u 4.1 換流方式u 4.2 電壓型逆變電路u 4.3 電流型逆變電路u 4.4 多重逆變電路和多電平逆變電路太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)l 逆變與變頻 變頻電路：交交變頻和交直交變頻兩種 交直交變頻由交直變換和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變l 逆變電路的應(yīng)用交流電機調(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)容太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)分類方法種 類使用器件使用器件晶閘管逆變器、GTO逆變器、GTR逆變器、MOSFET逆

2、變器、IGBT逆變器、混合式逆變器直流電源性質(zhì)直流電源性質(zhì)電壓型逆變器、電流型逆變器電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)半橋電路、全橋電路輸出相數(shù)輸出相數(shù)單相電路、三相電路、多相電路調(diào)壓功能調(diào)壓功能無調(diào)壓功能、有調(diào)壓功能調(diào)頻功能調(diào)頻功能恒頻輸出、變頻輸出負載電流波形負載電流波形正弦波逆變器、非正弦波逆變器無源逆變器分類太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)常見變壓變頻裝置結(jié)構(gòu)形式太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)4.1 4.1 換流方式換流方式 4.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理 以單相橋式逆變電路為例S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成負載a

3、)b)圖5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2逆變電路及其波形舉例太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正S1、S4斷開，S2、S3閉合時，負載電壓uo為負直流交流太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù) 改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率 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，波形也不同負載負載a)b)圖5-1圖5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2過程分析： io從電源負極流出，經(jīng)S2、負載和S3流回正極，負載電感能量向電源反饋，io逐漸

4、減小，t2時刻降為零，之后io才反向并增大t1時刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負，但io不能立刻反向t1前：S1、S4通，uo和io均為正太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)4.1.2 換流方式分類l換流換流電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱換相換相開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使其開通關(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l(xiāng)本章?lián)Q流及換流方式問題最為全面集中，因此在本章講述太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)總共有四種換流方式

5、1. 器件換流器件換流2. 電網(wǎng)換流電網(wǎng)換流3. 負載換流負載換流4. 強迫換流強迫換流（Device Commutation）（Line Commutation）（Load Commutation）（Forced Commutation）由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流電網(wǎng)換流可控整流電路、交流調(diào)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由負載提供換流電壓稱為負載換流負載換流負載電流相位超前于負載電壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流負載為電容性負載時，負載為同步電動機時，可實現(xiàn)負載換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為

6、強迫換流強迫換流,通常利用附加電容上儲存的能量來實現(xiàn)，也稱為電容換流電容換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)負載換流逆變電路：負載換流逆變電路： 采用晶閘管采用晶閘管 負載：電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作負載：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)而略呈容在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。性。 電容為改善負載功率因數(shù)使其略呈容性而接入電容為改善負載功率因數(shù)使其略呈容性而接入 直流側(cè)串入大電感直流側(cè)串入大電感L Ld d，i id d基本沒有基本沒有脈動。脈動。負載換流電路及其工作波形 t t t tRLCOOOOiit1 1b)a)

7、圖5-2圖5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)工作過程工作過程: t t t tRLCOOOOiit1 1b)a)圖5-2圖5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4lt1時：觸發(fā)VT2、VT3使其開通，uo加到VT4、VT1上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從VT1、VT4換到VT3、VT2lt1必須在uo過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成lt1前：VT1、VT4通，VT2、VT3斷，

8、uo、io均為正，VT2、VT3電壓即為uol4個臂的切換僅使電流路徑改變，負載電流 基本呈矩形波l負載工作在對基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對基波阻抗很大，對諧波阻抗很小，uo波形接近正弦太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)強迫換流逆變電路直接耦合式強迫換流直接耦合式強迫換流電感耦合式強迫換流電感耦合式強迫換流由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓SVT負載負載+- -圖5-3圖5-3VT通態(tài)時，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CL+VDSCVT負載負載+LSVT負載負載VDb)a)圖5-4圖5-4電感耦合式強迫換流原理圖圖a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷圖b中晶閘

9、管在LC振蕩第二個半周期內(nèi)關(guān)斷太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)換流方式小結(jié)：換流方式小結(jié)：器件換流器件換流適用于全控型器件適用于全控型器件其余三種方式其余三種方式針對晶閘管針對晶閘管器件換流和強迫換流器件換流和強迫換流屬于自換流屬于自換流電網(wǎng)換流和負載換流電網(wǎng)換流和負載換流外部換流外部換流當(dāng)電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而當(dāng)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?，則稱為是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅熄滅太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)4.2 4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路l逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種

10、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電流型逆變電路或電流源型逆變電路電壓型逆變電路舉例:+- -CRL圖5-5圖5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)電壓型逆變電路的特點電壓型逆變電路的特點(1) (1) 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動側(cè)電壓基本無脈動(2)(2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同抗不同而不同(3)(3) 阻感負載時需

11、提供無功。為了給交流側(cè)阻感負載時需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管臂并聯(lián)反饋二極管太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)1半橋逆變電路半橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)：+- -RLa)ttOOONb)UdiouoV1V2VD1VD2uoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud24.2.1 4.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)+- -RLa)ttOOONb)UdiouoV1V2VD1VD2uoUm- -Um

12、iot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2工作原理： （感性負載時）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)流二極管續(xù)流二極管。V1和V2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)l 特點特點 優(yōu)點：簡單，使用器件少優(yōu)點：簡單，使用器件少 缺點：交流電壓幅值缺點：交流電壓幅值U Ud d/2/2，直流側(cè)需兩電

13、容器，直流側(cè)需兩電容器 串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡用于幾用于幾kWkW以下的小功率逆變以下的小功率逆變電源電源l 單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合的組合太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)2全橋逆變電路全橋逆變電路單相逆變電路中應(yīng)用最多+- -CRLtOtOtOtOtO a)b)圖5-7圖5-7UdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo全橋逆變電路全橋逆變電路兩個半橋電路的組合工作情況：io波形和半橋中的io相同，幅值增加一倍tiot1

14、t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2tuoUm-Um1和4一對，2和3另一對，成對橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180u uo o波形同圖半橋電路的u uo o，幅值高出一倍Um=Ud太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)輸出電壓定量分析輸出電壓定量分析 uo成傅里葉級數(shù) 基波幅值 基波有效值 uo為正負各180時，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實現(xiàn)tttUu5sin513sin31sin4doddo1m27. 14UUUdd1o9 . 022UUU太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)v阻感負載時還可采用移相調(diào)壓：阻感負載時還可采用移相調(diào)壓：

15、+- -CRLtOtOtOtOtO a)b)圖5-7圖5-7UdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式各柵極信號為180正偏，180反偏，且V1和V2互補，V3和V4互補關(guān)系不變 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)壓移相調(diào)壓 uo成為正負各為 的脈沖，改變 即可調(diào)節(jié)輸出 電壓有效值V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180- V3的基極信號只比V1落后 ( 0 00時，時，V V1212和和VDVD1 1導(dǎo)通導(dǎo)通i iU U00時，時，V V4141和和VDVD4 4導(dǎo)通導(dǎo)通太原工業(yè)學(xué)院自動化系2021-12-9電力電子技術(shù)l