逆變電路工作原理

1、電壓型逆變電路工作原理逆變的概念逆變的概念 與整流相對(duì)應(yīng)，與整流相對(duì)應(yīng)，直流電直流電變成變成交流電交流電。 交流側(cè)接電網(wǎng)，為交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。 交流側(cè)接負(fù)載，為交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變無源逆變，本章主要講述無源逆變。，本章主要講述無源逆變。逆變與變頻逆變與變頻 變頻電路：分為變頻電路：分為交交變頻交交變頻和和交直交變頻交直交變頻兩種。兩種。 交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，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。后一部分就是逆變。逆變電路的逆變電路的主要應(yīng)用主要應(yīng)用 各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。各種直流電源，如蓄電

2、池、干電池、太陽能電池等。 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。力電子裝置的核心部分都是逆變電路。 7 7.1.1 .1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理 7 7.1.2 .1.2 換流方式分類換流方式分類以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理 S1S4是橋式電路的是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。 負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2 當(dāng)開關(guān)當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合

3、，閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正；當(dāng)開關(guān)為正；當(dāng)開關(guān)S1、S4斷開，斷開，S2、S3閉合時(shí)，閉合時(shí)，uo為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電。為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電。 改變改變兩組開關(guān)的切換頻率兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出，即可改變輸出交流電的頻率交流電的頻率。 電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和和uo的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。 阻感負(fù)載時(shí)，阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于相位滯后于uo，波形也不同。，波形也不同。圖圖7-1 逆變電路及其波形舉例逆變電路及其波形舉例 換流換流 電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為電流從一個(gè)

4、支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相換相。 研究換流方式主要是研究研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷如何使器件關(guān)斷。換流方式分為以下幾種換流方式分為以下幾種 器件換流（器件換流（Device CommutationDevice Commutation） 利用利用全控型器件的自關(guān)斷能力全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。進(jìn)行換流。 在采用在采用IGBT IGBT 、電力、電力MOSFET MOSFET 、GTO GTO 、GTRGTR等全控型器等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。件的電路中的換流方式是器件換流。 電網(wǎng)換流（電網(wǎng)換流（Line CommutationLine Commutat

5、ion） 電網(wǎng)電網(wǎng)提供提供換流電壓換流電壓的換流方式。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)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，但不適用于沒有交流斷。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。電網(wǎng)的無源逆變電路。a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4圖圖7-2 負(fù)載換流電路及其工作波形負(fù)載換流電路及其工作波形 負(fù)載換流負(fù)載換流（Load Commutation） 由由負(fù)載負(fù)載提供提供換流電壓換流電壓的換流方式。的換流方式。 負(fù)載負(fù)載

6、電流電流的的相位超前相位超前于負(fù)載于負(fù)載電壓電壓的場合，的場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流，如電容性負(fù)載和同步電都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流，如電容性負(fù)載和同步電動(dòng)機(jī)。動(dòng)機(jī)。 圖圖7-2a是基本的負(fù)載換流逆變電路，整是基本的負(fù)載換流逆變電路，整個(gè)負(fù)載工作在接近個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈而略呈容性容性，直流側(cè)串大電感，工作過程可認(rèn)為直流側(cè)串大電感，工作過程可認(rèn)為id基本沒有基本沒有脈動(dòng)。脈動(dòng)。 負(fù)載對(duì)基波的阻抗大而對(duì)諧波的阻抗小，負(fù)載對(duì)基波的阻抗大而對(duì)諧波的阻抗小，所以所以u(píng)o接近接近正弦波正弦波。 注意觸發(fā)注意觸發(fā)VT2、VT3的時(shí)刻的時(shí)刻t1必須在必須在uo過過零前并留有足夠的裕量，才能使換流

7、順利完零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。成。強(qiáng)迫換流（強(qiáng)迫換流（Forced Commutation） 設(shè)置設(shè)置附加的換流電路附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)，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。迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。 通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為因此也稱為電容換流電容換流。 分類分類 直接耦合式強(qiáng)迫換流直接耦合式強(qiáng)迫換流：由換流電路內(nèi)電容：由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓。直接提供換流電壓。 電感耦合式強(qiáng)迫換流電感耦合式強(qiáng)迫換流：通過換流電路內(nèi)的：通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來

8、提供換流電壓或換流電流。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(qiáng)迫換流直接耦合式強(qiáng)迫換流 如圖如圖4-3，當(dāng)晶閘管當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容充電。當(dāng)電容充電。當(dāng)S合上，就可使合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)被施加反壓而關(guān)斷。斷。 也叫電壓換流。也叫電壓換流。 圖圖7-3 直接耦合式直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖強(qiáng)迫換流原理圖 7 7.2.1 .2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 7 7.2.2 .2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖圖7-

9、6 單相半橋電壓型逆單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形變電路及其工作波形 半橋逆變電路半橋逆變電路 在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的的電容電容，兩個(gè)電容的，兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)點(diǎn)便成為直流電便成為直流電源的源的中點(diǎn)中點(diǎn)，負(fù)載聯(lián)接在直流電源中點(diǎn)和兩，負(fù)載聯(lián)接在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。 工作原理工作原理 設(shè)開關(guān)器件設(shè)開關(guān)器件V1和和V2的柵極信號(hào)在一的柵極信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補(bǔ)。者互補(bǔ)。 輸出電壓輸出電壓uo為為矩形波矩形波，其幅值為，其幅值為Um=Ud/2。 電路帶電路帶

10、阻感負(fù)載阻感負(fù)載，t2時(shí)刻給時(shí)刻給V1關(guān)斷信關(guān)斷信號(hào)，給號(hào)，給V2開通信號(hào)，則開通信號(hào)，則V1關(guān)斷，但感性負(fù)關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流載中的電流io不能立即改變方向，于是不能立即改變方向，于是VD2導(dǎo)通續(xù)流，當(dāng)導(dǎo)通續(xù)流，當(dāng)t3時(shí)刻時(shí)刻io降零時(shí)，降零時(shí)，VD2截止，截止，V2開通，開通，io開始反向，由此得出如圖所示的開始反向，由此得出如圖所示的電流波形。電流波形。 a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖圖7-6 單相半橋電壓型逆單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形變電路及其工作波形 V1或或V2通時(shí)，通時(shí)，io和和uo同方向同方

11、向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或或VD2通時(shí)，通時(shí)，io和和uo反向反向，電感中貯，電感中貯能向直流側(cè)反饋。能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為稱為反饋二極管反饋二極管,它又起著使負(fù)載電流它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管續(xù)流二極管。優(yōu)點(diǎn)是簡單，使用器件少；其缺優(yōu)點(diǎn)是簡單，使用器件少；其缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值Um僅為僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡；因此，半橋電路常用于壓的均衡；因此，半橋電路常用于幾幾kW以下以下的小功率逆

12、變電源。的小功率逆變電源。 全橋逆變電路全橋逆變電路 共四個(gè)橋臂，可看成共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路兩個(gè)半橋電路組合而成。組合而成。 兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)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。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來來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 Ud的矩形波的矩形波uo展開成傅里葉級(jí)數(shù)得展開成傅里葉級(jí)數(shù)得tttUu5sin513sin31sin4do其中基波的幅值其中基波的幅值Uo1m和基波有效值和基波有效值Uo

13、1分別為分別為 ddo1m27.14UUUdd1o9 . 022UUU圖圖7-5 全橋逆變電路全橋逆變電路 a)b)圖圖7-7 單相全橋逆變電單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式路的移相調(diào)壓方式 移相調(diào)壓方式移相調(diào)壓方式 V3的基極信號(hào)比的基極信號(hào)比V1落后落后 （0 180）。）。V3、V4的柵極信號(hào)分別比的柵極信號(hào)分別比V2、V1的前移的前移180- 。輸出電壓是正負(fù)各為。輸出電壓是正負(fù)各為 的脈的脈沖。沖。 工作過程工作過程 t1時(shí)刻前時(shí)刻前V1和和V4導(dǎo)通，導(dǎo)通， uo=Ud。 t1時(shí)刻時(shí)刻V4截止，而因負(fù)載電感中的電流截止，而因負(fù)載電感中的電流io不能突變，不能突變，V3不能立刻導(dǎo)通，不能

14、立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)導(dǎo)通續(xù)流，流，uo=0。 t2時(shí)刻時(shí)刻V1截止，而截止，而V2不能立刻導(dǎo)通，不能立刻導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，構(gòu)成電流通道，uo=-Ud。 到負(fù)載電流過零并開始反向時(shí)，到負(fù)載電流過零并開始反向時(shí)，VD2和和VD3截止，截止，V2和和V3開始導(dǎo)通，開始導(dǎo)通，uo仍為仍為-Ud。 t3時(shí)刻時(shí)刻V3截止，而截止，而V4不能立刻導(dǎo)通，不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，導(dǎo)通續(xù)流，uo再次為零再次為零。 改變改變 就可調(diào)節(jié)輸出電壓就可調(diào)節(jié)輸出電壓。三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路。三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路。三相橋式逆變電路三相橋式逆變

15、電路 基本工作方式是基本工作方式是180導(dǎo)電方式導(dǎo)電方式。 同一相（即同一半橋）上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度同一相（即同一半橋）上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差差120 ，任一瞬間有，任一瞬間有三個(gè)橋臂三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。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。圖圖7-9 三相電壓型橋式逆變電路三相電壓型橋式逆變電路 假想中點(diǎn)假想中點(diǎn)tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3圖圖7-10 電壓型三相橋式逆變電

16、路的工作波形電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 工作波形工作波形 對(duì)于對(duì)于U相輸出來說，當(dāng)橋臂相輸出來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，uUN=Ud/2，當(dāng)橋臂，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，uUN=-Ud/2，uUN的波形是的波形是幅值為幅值為Ud/2的矩形波的矩形波，V、W兩相的情況和兩相的情況和U相類似。相類似。 負(fù)載線電壓負(fù)載線電壓uUV、uVW、uWU可由下可由下式求出式求出 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu負(fù)載各相的相電壓分別為負(fù)載各相的相電壓分別為 NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuutOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)

17、h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3圖圖7-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形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把上面各式相加并整理可求得)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu設(shè)負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)載，則有設(shè)負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)載，則有uUN+uVN+uWN=0，故可得，故可得 )(31 WN VN UNNNuuuu負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可以由負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可以由uUN的波形的波形求出求出U相電流相電流iU的波形，圖的波形，圖7-10g給出的給出的是阻感負(fù)載下是阻感負(fù)載下 時(shí)時(shí)iU的波形。的波形。 3/把

18、橋臂把橋臂1、3、5的電流加起來，就可得的電流加起來，就可得到直流側(cè)電流到直流側(cè)電流id的波形，如圖的波形，如圖7-10h所示，所示，可以看出可以看出id每隔每隔60脈動(dòng)一次。脈動(dòng)一次。 基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 把輸出線電壓把輸出線電壓uUV展開成傅里葉級(jí)數(shù)得展開成傅里葉級(jí)數(shù)得 nktnntUtttttUusin)1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV式中，式中， ，k為自然數(shù)。為自然數(shù)。16 kn輸出線電壓有效值輸出線電壓有效值UUV為為 d202UVUV816.0d21UtuU其中基波幅值其中基波幅值UUV1m和基波有效值和基波有效值UUV1分別為分別為 ddUV1m1 .132UUUddUV1mUV178. 062UUUU 把把uUN展開成傅里葉級(jí)數(shù)得展開成傅里葉級(jí)數(shù)得 ntnntUtttttUusin1sin213sin13111sin1117sin