第4章 逆變電路2016

1、1第四章第四章 逆變電路逆變電路 4.1 逆變的基本概念逆變的基本概念 4.2 換流方式換流方式 4.3 單相單相電壓型電壓型逆變逆變電路電路 4.4 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路 24.1 逆變的基本概念 4.1.1 4.1.1 逆變的概念逆變的概念 與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。 固定直流固定直流幅值和頻率都可控的正弦交流幅值和頻率都可控的正弦交流 有源逆有源逆變變、無源逆、無源逆變變的的概概念和念和區(qū)別區(qū)別 逆變電路的應(yīng)用（直流電源、逆變器）逆變電路的應(yīng)用（直流電源、逆變器） 逆變器的分類（按照相數(shù)、輸入端電源、逆變器的分類（按照相數(shù)、輸入端電源

2、、控制方式分類）控制方式分類）何謂交流電何謂交流電3 4.1.2 逆變電路基本原理 1、開關(guān)型逆變器基本結(jié)構(gòu)、開關(guān)型逆變器基本結(jié)構(gòu)2、逆變器輸出特性、逆變器輸出特性 負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2方波、正弦波（特殊控制）方波、正弦波（特殊控制）圖圖4-1 逆變電路及其波形舉例逆變電路及其波形舉例 負(fù)載負(fù)載-RL4 4.1.3 逆變電路分類和特點 電壓型電壓型逆變電路：直流側(cè)是電壓源。逆變電路：直流側(cè)是電壓源。電流型電流型逆變電路：直流側(cè)是電流源。逆變電路：直流側(cè)是電流源。輸出電壓輸出電壓-矩形波，矩形波， 輸出電流輸出電流-負(fù)載阻抗不同負(fù)載阻抗不同而不同。而不同。圖

3、圖4-2 全橋電壓型逆變電路全橋電壓型逆變電路 1、根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)、根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)2、電壓型逆變電路的特點、電壓型逆變電路的特點直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，電壓基本無脈動。容，電壓基本無脈動。R;RL,RC?5 4.1.3 逆變電路分類和特點 續(xù)流二極管作用續(xù)流二極管作用圖圖4-2 全橋電壓型逆變電路全橋電壓型逆變電路 阻感負(fù)載時需提供無阻感負(fù)載時需提供無功功率，并聯(lián)反饋二功功率，并聯(lián)反饋二極管給交流側(cè)向直流極管給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提側(cè)反饋的無功能量提供通道供通道思考：無思考：無D如何？如何？63、電流型逆變電路的特點、電流型逆變電路的特點 直流側(cè)串直

4、流側(cè)串大電感大電感，電流基本無脈動，相當(dāng)于電流源。，電流基本無脈動，相當(dāng)于電流源。 交流輸出電流為交流輸出電流為矩形波矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)，輸出電壓波形和相位因，與負(fù)載阻抗角無關(guān)，輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。負(fù)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(guān)器件反并聯(lián)二極管。直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。 電流型逆變電路中，采用電流型逆變電路中，采用半控型器件半控型器件的電路仍應(yīng)用較多，換流方式有的電路仍應(yīng)用較多，換流方式有負(fù)載換流負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流強(qiáng)迫換流。 4.1.3逆變電路分類和特點 圖圖4-3 電流型三相橋式逆變電路電流型三相橋式逆變

5、電路 74.2 換流方式 4.2.1 4.2.1 換流的概念換流的概念 電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。稱為換相。 研究換流的主要目的？研究換流的主要目的？-關(guān)斷關(guān)斷例：整流電路器件的換流（換相）例：整流電路器件的換流（換相）84.2.2 換流方式的分類 器件換流（器件換流（Device 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 、電力、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。型器件的電路中的換流方式是器件換流。

6、電網(wǎng)換流（電網(wǎng)換流（Line Commutation） 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。有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。反壓時間反壓時間（可控整流電路）（可控整流電路）94.2.2 換流方式的分類由由負(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)載電壓電壓的的場合，都可實現(xiàn)負(fù)載換流，如電容性場合，都可實現(xiàn)負(fù)載換流

7、，如電容性負(fù)載和同步電動機(jī)。負(fù)載和同步電動機(jī)。圖圖4-2a4-2a是基本的負(fù)載換流逆變電路，是基本的負(fù)載換流逆變電路，整個負(fù)載工作在接近整個負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)并聯(lián)諧振狀態(tài)而而略呈略呈容性容性，直流側(cè)串大電感，工作過，直流側(cè)串大電感，工作過程可認(rèn)為程可認(rèn)為i id d基本沒有脈動?；緵]有脈動。 t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4圖圖4-4 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）104.2.2 換流方式的分類 t t t tOOOOiit1b)ouoioi

8、ouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4負(fù)載對基波的阻抗大負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小，所而對諧波的阻抗小，所以以u uo o接近接近正弦波正弦波。 觸發(fā)觸發(fā)VTVT2 2、VTVT3 3的時刻的時刻t t1 1必須在必須在u uo o過零前并留有過零前并留有足夠的裕量，才能使換足夠的裕量，才能使換流順利完成。流順利完成。11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)迫施，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。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存的能量來實現(xiàn)，因此通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為

9、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)電容直接提供：由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓。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)的電容和電：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。感的耦合來提供換流電壓或換流電流。 4.2.2 換流方式的分類強(qiáng)迫換流（強(qiáng)迫換流（Forced Commutation）124.2.2 換流方式的分類直接耦合式強(qiáng)迫換流直接耦合式強(qiáng)迫換流圖圖4-3 直接耦合式強(qiáng)迫直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖換流原理圖 原電路電流流向？原電路電流流向？當(dāng)晶閘管當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時，預(yù)處于通態(tài)時，預(yù)先給

10、電容充電。當(dāng)先給電容充電。當(dāng)S合上，就可合上，就可使使VT被施加反壓而關(guān)斷。被施加反壓而關(guān)斷。也叫電壓換流。也叫電壓換流。134.2.2 換流方式的分類晶閘管上的反向電壓晶閘管上的反向電壓-二極管壓降二極管壓降圖圖4-4 電感耦合式強(qiáng)迫電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖換流原理圖 電感耦合式強(qiáng)迫換流電感耦合式強(qiáng)迫換流LC振蕩振蕩圖圖4-4a中晶閘管在中晶閘管在LC振蕩振蕩正半波正半波關(guān)斷；圖關(guān)斷；圖4-4b中晶閘管在中晶閘管在LC振蕩振蕩負(fù)半波負(fù)半波關(guān)斷，電容電壓極性？關(guān)斷，電容電壓極性？也叫也叫電流換流電流換流。144.2.2 換流方式的分類換流方式總結(jié)換流方式總結(jié) 器件換流器件換流只適用于只適用于全

11、控型器件全控型器件，其余三種方式，其余三種方式主要是針對主要是針對晶閘管晶閘管而言的。而言的。 器件換流和強(qiáng)迫換流屬于器件換流和強(qiáng)迫換流屬于自換流自換流，電網(wǎng)換流和，電網(wǎng)換流和負(fù)載換流屬于負(fù)載換流屬于外部換流外部換流。154.3 單相電壓型逆變電路的工作原理 4.3.1 4.3.1 半橋逆變電路的實現(xiàn)原理半橋逆變電路的實現(xiàn)原理a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖圖4-5 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形 結(jié)構(gòu)：在直流側(cè)接有兩個結(jié)構(gòu)：在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的相互串聯(lián)的足夠大的電容電

12、容工作原理工作原理1、V V1 1和和V V2 2的柵極信號特點的柵極信號特點2、輸出電壓、輸出電壓u uo o3、阻感負(fù)載的電流特征阻感負(fù)載的電流特征4 4、續(xù)流二極管、續(xù)流二極管5 5、中點存在、中點存在地位：基礎(chǔ)地位：基礎(chǔ)16 4.3.2 4.3.2 全橋全橋逆變電路的實現(xiàn)原理逆變電路的實現(xiàn)原理圖圖4-6 全橋逆變電路全橋逆變電路 調(diào)壓（有效值）調(diào)壓（有效值）-U Ud d結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：H橋橋-兩個半橋兩個半橋特點：特點：交替導(dǎo)通交替導(dǎo)通180輸出特征：方波；幅值輸出特征：方波；幅值Um死區(qū)死區(qū)17V14V32電流波形？電流波形？18兩橋臂協(xié)調(diào)控制，開兩橋臂協(xié)調(diào)控制，開關(guān)周期為輸出電壓周關(guān)

13、周期為輸出電壓周期，占空比為期，占空比為0.50.5控制和輸出波形控制和輸出波形oANBNvvv14odVV 輸出電壓輸出電壓基波幅值基波幅值A(chǔ)T onAT onBT onBT on11/sTf 4.3.2 4.3.2 全橋全橋逆變電路的實現(xiàn)原理逆變電路的實現(xiàn)原理19方波控制方式下方波控制方式下, 優(yōu)點是器件開關(guān)頻率低，適用于優(yōu)點是器件開關(guān)頻率低，適用于大功大功率場合率場合。缺點是諧波含量高，且逆變器缺點是諧波含量高，且逆變器不能控制輸出電壓幅值不能控制輸出電壓幅值。 4.3.2 4.3.2 全橋全橋逆變電路的實現(xiàn)原理逆變電路的實現(xiàn)原理矩形波矩形波uo展開展開tttUu5sin513sin31

14、sin4doddo1m27. 14UUU其中基波的幅值其中基波的幅值Uo1m基波有效值基波有效值U Uo1o1dd1o9 . 022UUU20交變電壓移相調(diào)壓方式移相調(diào)壓方式a)b) 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：輸出電壓分別經(jīng)過輸出電壓分別經(jīng)過Ud、0、 -Ud、結(jié)論：結(jié)論：改變改變 就可調(diào)節(jié)輸出就可調(diào)節(jié)輸出電壓電壓。 4.3.2 4.3.2 全橋全橋逆變電路的實現(xiàn)原理逆變電路的實現(xiàn)原理圖圖4-10 移相調(diào)壓逆變電路移相調(diào)壓逆變電路 驅(qū)動方式驅(qū)動方式 V1，V2互補(bǔ)；互補(bǔ)；V3，V4互補(bǔ)互補(bǔ) ；V3、V4分別分別比比V2、V1的前移的前移180-

15、 。21圖圖4-11 帶中心抽頭變帶中心抽頭變壓器的逆變電路壓器的逆變電路 交替驅(qū)動交替驅(qū)動兩個兩個IGBT，經(jīng)變壓，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。壓。 兩個二極管的作用也是提供兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道無功能量的反饋通道。 Ud和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比為匝比為1：1：1時，時，uo和和io波形及波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。幅值與全橋逆變電路完全相同。 與全橋電路比較？與全橋電路比較？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224.4 三相電壓型逆變電路的工作原理三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電

16、路。三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路。三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路 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)電的角度差導(dǎo)電的角度差120 ，任一瞬間有，任一瞬間有三個橋臂三個橋臂同時導(dǎo)通。同時導(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，也稱為縱縱向換流向換流。 4.4.1 4.4.1 逆變電路的基本結(jié)構(gòu)逆變電路的基本結(jié)構(gòu)23圖圖4-12 三相電壓型橋式逆變電路三相電壓型橋式逆變電路 4.4.1 4.4.1 逆變電路的基本結(jié)構(gòu)逆變電

17、路的基本結(jié)構(gòu)假想中點假想中點180導(dǎo)電方式導(dǎo)電方式120角度差角度差縱向換流縱向換流24橋臂橋臂1導(dǎo)導(dǎo)-uUN=Ud/2橋臂橋臂4導(dǎo)通導(dǎo)通-uUN=-Ud/2, uUN-幅值為幅值為Ud/2的矩形的矩形波波圖圖4-15 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 U相輸出相輸出V、W兩相的情況兩相的情況和和U相類似。相類似。UVUNVNuuuUVUNVNuuu4.4.2 4.4.2 逆變電路的工作波形分析逆變電路的工作波形分析25tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3圖圖

18、4-15 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 負(fù)載線電壓負(fù)載線電壓uUV、uVW、uWU可由下式求出可由下式求出 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 UNUNuuuuuuuuu4.4.2 4.4.2 逆變電路的工作波形分析逆變電路的工作波形分析264.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路3/tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3圖圖4-10 電壓型三相橋式

19、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)載為三相對稱負(fù)載，則有設(shè)負(fù)載為三相對稱負(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，可以由負(fù)載參數(shù)已知時，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4-10g給出的給出的是阻感負(fù)載下時是阻感負(fù)載下時iU的波形。的波形。 把橋臂把橋臂1、3、5的電流加起來，就可的電流加起來，就可得到直流側(cè)電流得到直流側(cè)電流id的波形，如圖的波形，如圖4

20、-10h所所示，可以看出示，可以看出id每隔每隔60脈動一次。脈動一次。 UNUN NN uuu274.4.2 4.4.2 逆變電路的工作波形分析逆變電路的工作波形分析輸出線電壓輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)展開成傅里葉級數(shù)nktnntUtttttUusin)1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV16 kn輸出線電壓有效值輸出線電壓有效值UUV為為 d202UVUV816.0d21UtuU基波幅值基波幅值UUV1mddUV1m1 .132UUUddUV1mUV178. 062UUUU基波有效值基波有效值UUV1基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系2

21、8ntnntUtttttUusin1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2ddUN16 kn 負(fù)載相電壓有效值負(fù)載相電壓有效值UUN為為d202UNUN471.0d21UtuU基波有效值基波有效值UUN1ddUN1m637.02UUUdUN1mUN145.02UUU防直通防直通-“先斷后通先斷后通”4.4.2 4.4.2 逆變電路的工作波形分析逆變電路的工作波形分析基波幅值基波幅值UUN1m相電壓相電壓29UUV7 =2 Ud/（3.147 ）=22.3（V） 例：三相橋式電壓型逆變電路，例：三相橋式電壓型逆變電路，180導(dǎo)電方式，導(dǎo)電方式，Ud=200V。試求輸出相電壓的基波幅值試求輸出相電壓的基波幅值UUN1m和有效值和有效值UUN1、輸出線電、輸出線電壓的基波幅值壓的基波幅值UUV1m和有效值和有效值UUV1、輸出線電壓中、輸出線電壓中7次諧波的次諧波的有效值有效值UUV7。 解：解： 2dUN1mUN145. 02UU