逆變電路的基本工作原理

1、第 5章逆 變 電 路主要內(nèi)容：換流方式，電壓型逆變電路，電流型逆變電路，多重逆變電路和多電平逆變電路。重點(diǎn)：換流方式，電壓型逆變電路。難點(diǎn)：電壓型逆變電路，電流型逆變電路?；疽螅赫莆論Q流方式，掌握電壓型逆變電路，理解電流型逆變電路，了解多重逆變電路和多電平逆變電路。逆變概念：逆變 直流電變成交流電，與整流相對(duì)應(yīng)。本章無(wú)源逆變逆變電路的應(yīng)用：蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等直流電源向交流負(fù)載供電時(shí)，需要逆變電路。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。本章僅講述逆變電路基本內(nèi)容，第6 章 PWM 控制技術(shù)和第8 章組合變流電路中，有關(guān)逆變電路的內(nèi)容會(huì)

2、進(jìn)一步展開(kāi)1 換流方式（ 1）逆變電路的基本工作原理單相橋式逆變電路為例：S1S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。Si、S4閉合，S2、&斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓Uo為正Si； Si、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，Uo為負(fù)，把直流電變成了交流電。改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率，可 改變輸出交流電頻率。圖 5-i 逆變電路及其波形舉例電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流 io和Uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，io滯后于U。，波形也不同（圖5-ib）。ti前：Si、S4通，Uo和io均為正。tl時(shí)刻斷開(kāi)Si、S4,合上&、S3, Uo變負(fù)，但io不能立刻反向。io從電源負(fù)極流出，經(jīng) &、負(fù)載和S3流回正極，

3、負(fù)載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時(shí)刻降為零，之后io才反向并增大 （ 2）換流方式分類(lèi)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(chēng)換相。開(kāi)通：適當(dāng)?shù)拈T(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使其開(kāi)通。關(guān)斷：全控型器件可通過(guò)門(mén)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(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，因此在本章講述1、器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流(Device Commutation )。2、電網(wǎng)換流由電網(wǎng)提供換流電壓稱(chēng)為電網(wǎng)換流(Line Commutation )?？煽卣麟娐贰⒔涣髡{(diào)壓電

4、路和采用相控方式的交交變頻電路，不需器件具有門(mén)極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加元件。3、負(fù)載換流由負(fù)載提供換流電壓稱(chēng)為負(fù)載換流(Load Commutation )。負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，負(fù)載為同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。圖 5-2 負(fù)載換流電路及其工作波形基本的負(fù)載換流逆變電路：采用晶閘管，負(fù)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)而略呈容性。電容 為改善負(fù)載功率因數(shù)使其略呈容性而接入，直流側(cè)串入大電感Ld, id基本沒(méi)有脈動(dòng)。工作過(guò)程：4 個(gè)臂的切換僅使電流路徑改變，負(fù)載電流基本呈矩形波。負(fù)載工作在對(duì)基波電流接近并聯(lián)諧振的狀

5、態(tài)，對(duì)基波阻抗很大，對(duì)諧波阻抗很小，u0波形接近正弦。ti 前：VTi、VT4通，VT2、VT3 斷，Uo、io均為正，VT2、VT 3 電壓即為 Uoti時(shí)：觸發(fā)VT2、VT3使其開(kāi)通，Uo加到VT4、VTi上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從 VTi、VT4換到 VT 3、 VT 2。ti必須在Uo過(guò)零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成。4、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)迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱(chēng)為強(qiáng)迫換流( Forced CommUtation )。通常利用附加電容上儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，也稱(chēng)為電容換流。直接耦合式強(qiáng)迫換流 由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓。VT 通態(tài)時(shí)，先給

6、電容C 充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關(guān)斷。圖 5-3 直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式強(qiáng)迫換流通過(guò)換流電路內(nèi)電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流。兩種電感耦合式強(qiáng)迫換流：圖5-4a 中晶閘管在LC 振蕩第一個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷。圖5-4b 中晶閘管在LC 振蕩第二個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷。圖 5-4 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流也叫電壓換流(圖5-3)。先使晶閘管電流減為零，然后通過(guò)反并聯(lián)二極管使其加反壓的換流叫電流換流(圖5-4)。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

7、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(chēng)為熄滅。2 電壓型逆變電路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，電流型逆變電路或電流源型逆變電路。圖 5-1 電路的具體實(shí)現(xiàn)。圖 5-5 電壓型逆變電路舉例(全橋逆變電路)電壓型逆變電路的特點(diǎn)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)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二 極管 ( 1)單相電壓型逆變電路1、半橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)：見(jiàn)圖5-6。工作原理：V1和V2柵極信號(hào)各半周正偏、半周反偏，互補(bǔ)。Uo為矩形波，幅

8、值為 Um=Ud/2 , io波形隨負(fù)載而異，感性負(fù)載時(shí)，圖 5-6b, Vi或V2通時(shí)，i。和U。同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量，VDi或VD2通時(shí)，io和Uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋，VDi、VD 2稱(chēng)為反饋二極管，還使 i。連續(xù)，又稱(chēng)續(xù)流二極管。圖 5-6 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，使用器件少缺點(diǎn)：交流電壓幅值 Ud/2,直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡，用于幾kw以下的小功率逆變電源。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。2、全橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)及工作情況：圖 5-5，兩個(gè)半橋電路的組合。i 和 4一對(duì)， 2和 3另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，交

9、替各導(dǎo)通i80。uo波形同圖5-6bo半橋電路的Uo,幅值高出一倍 Um=Ud。io波形和圖5-6b中的i0相同，幅值增加一倍,單相逆變電路中應(yīng)用最多的輸出電壓定量分析4j(11% = - sindjJ + -siri 3(ut -f -sin 5c/+AUo成傅里葉級(jí)數(shù)江I35J(5-1)(5-2)基波有效值(5-3)基波幅值uo為正負(fù)各1800時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)。1800正偏，1800反偏,移相調(diào)壓方式(圖 5-7)?？刹捎靡葡喾绞秸{(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱(chēng)為移相調(diào)壓。各柵極信號(hào)為 且Vi和V2互補(bǔ)，V3和V4互補(bǔ)關(guān)系不變。 V3的基極信號(hào)只比 Vi落后q ( 0q

10、 180o) , V3、V4的柵極信號(hào)分別比 V、V1的前移180o-q, Uo成為正負(fù)各為q的脈沖，改變q即可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。圖5-7單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式3、帶中心抽頭變壓器的逆變電路交替驅(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，Ud和負(fù)載相同，變壓器匝比為 1:1:1時(shí)，Uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相 同。圖5-8帶中心抽頭變壓器的逆變電路與全橋電路的比較，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。(2)三相電壓型逆變電路三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電

11、路。應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路 可看成由三個(gè)半橋逆變電路組成。180 導(dǎo)電方式：每橋臂導(dǎo)電180o,同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度差120o,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(chēng)為縱向換流。圖5-9三相電壓型橋式逆變電路波形分析：圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形負(fù)載各相到電源中點(diǎn) N的電壓：U相，1通，UUN =U d/2 , 4通，UUN =-Ud/2onW = UW 一 UyjjT uw = VW - uw負(fù)載線(xiàn)電壓 一工丁 一 二二 , T；uh = Ug -“IWUVH = 1JVW - U1OT負(fù)載相電壓 一，il： 一ir

12、T,(5-4)(5-5)負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓%而=1口咐 +uw + A 三+1Jvw +!Jw J(5-6)1, 、z如一如士 umr )負(fù)載二相對(duì)稱(chēng)時(shí)有uUN+UVN+UWN =0 ,于是(5-7)利用式(5-5)和(5-7)可繪出Uun、Uvn、Uwn波形。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)，因此逆變器從直流側(cè)向交流側(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)。定量分析a、輸出線(xiàn)電壓UUV展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)sin+ sinl W + sinl3(

13、i#-A1113(5-8)式中， ”6上 1 , k為自然數(shù)基波幅值Ujjvl基波有效值b、負(fù)載相電壓(1-0.816輸出線(xiàn)電壓有效值(5-9)(5-10)(5-11)UUN展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得:sm 114 + sm 13 就 + A1113(5-12)式中，n = 6k 1 , k為自然數(shù)負(fù)載相電壓有效值;就=0.471%(5-13)7 口(5-14)(5-15)U=L = 0,637%基波幅值 基波有，二A:防止同一相上下兩橋臂開(kāi)關(guān)器件直通，采取 先斷后通”的方法。3電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路一一電流型逆變電路。一般在直流側(cè)串聯(lián)大電感，電流脈動(dòng)很小，可近似看成直流電流源。實(shí)例

14、之一：圖 5-11電流型三相橋式逆變電路。交流側(cè)電容用于吸收換流時(shí)負(fù)載電感中存貯的能 量。圖5-11電流型三相橋式逆變電路電流型逆變電路主要特點(diǎn)：(1)直流側(cè)串大電感，相當(dāng)于電流源。(2)交流輸出電流為矩形波，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。(1)單相電流型逆變電路圖5-12單相橋式電流型(并聯(lián)諧振式)逆變電路4橋臂，每橋臂晶閘管各串一個(gè)電抗器Lt限制晶閘管開(kāi)通時(shí)的 di/dt。1、4和2、3以10002500Hz的中頻輪流導(dǎo)通，可得到中頻交流電

15、。采用負(fù)載換相方式，要求負(fù)載電流超前于電壓。負(fù)載一般是電磁感應(yīng)線(xiàn)圈，加熱線(xiàn)圈內(nèi)的鋼料，RL串聯(lián)為其等效電路。因功率因數(shù)很低，故并聯(lián)Co C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱(chēng)為并聯(lián)諧振式逆變電路。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)小于基波。因基波頻率接近負(fù)載 電路諧振頻率，故負(fù)載對(duì)基波呈高阻抗，對(duì)諧波呈低阻抗，諧波在負(fù)載上產(chǎn)生的壓降很小，因此負(fù)載電壓波形接近正弦波。工作波形分析：一周期內(nèi)，兩個(gè)穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。ti-t2： VTi和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，i0=Id, t2時(shí)刻前在C上建立了左正右負(fù)的電壓。t2-t4： t2時(shí)觸發(fā)VT2和VT3開(kāi)通，進(jìn)入換流階段。L

16、t使VTi、VT 4不能立刻關(guān)斷，電流有一個(gè)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)載電壓經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電。t2時(shí)刻后，LT1、VT1、VT3、LT3 到 C;另一個(gè)經(jīng)LT?、VT2、VT 4、LT4 到 C。t=t4時(shí)，VT1、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4t2= tg稱(chēng)為換流時(shí)間。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)。保證晶閘管的可靠關(guān)斷(圖5-13):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VTi、VT 4承受一段反壓時(shí)間tB，tfFt5- t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。為保證可靠

17、換流應(yīng)在U。過(guò)零前td= t5- t2時(shí)刻觸發(fā)VT 2、VT 3。td為觸發(fā)引前時(shí)間(5-16)L = io超前于Uo的時(shí)間為 2(5-17)lvY .中三由-+%= + P表示為電角度 (2)2(5-18)3為電路工作角頻率； 卜B分別是tp tB對(duì)應(yīng)的電角度)圖5-13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形數(shù)量分析：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) TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 4J (11、(5-19)(5-20)(5-21) HYPERLINK l bookmark31 o Current Docu

18、ment N35J基波電流有效值負(fù)載電壓有效值 Uo和直流電壓Ud的關(guān)系(忽略Ld的損耗，忽略晶閘管壓降)小一二1.11-comp實(shí)際工作過(guò)程中，感應(yīng)線(xiàn)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(chēng)為自勵(lì)方式。固定工作頻率的控制方式稱(chēng)為他勵(lì)方式。自勵(lì)方式存在起動(dòng)問(wèn)題，解決方法:一是先用他勵(lì)方式，系統(tǒng)開(kāi)始工作后再轉(zhuǎn)入自勵(lì)方式。另一種方法是附加預(yù)充電起動(dòng)電路。(2)三相電流型逆變電路電流型三相橋式逆變電路(圖5-11 ,采用全控型器件)?；竟ぷ鞣绞绞?20。導(dǎo)電方式 每個(gè)臂一周期內(nèi)導(dǎo)電120。每時(shí)刻上下橋臂組各有一個(gè)臂導(dǎo)通，橫向換流。波形分析：輸出電流波形和負(fù)載性質(zhì)無(wú)關(guān)

19、，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(xiàn)電壓波形和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，大體為正弦波。3=好心口,7跖輸出交流電流的基波有效值JT(5-22)串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路如圖5-15所示。這種電路因各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用而得名，主要用于中大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。電流型三相橋式逆變電路：電路仍為前述的120。導(dǎo)電工作方式，輸出波形和圖 5-14的波形大體相同。各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用，各橋臂之間換流采用強(qiáng)迫換流方式，連接于各臂之間的電容 C1C6即為換流電容。換流過(guò)程分析(圖 5-16)電容器充電規(guī)律：圖5-14電流型

20、三相橋式逆變電路的輸出波形圖5-15串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路對(duì)共陽(yáng)極晶閘管，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。共陰極晶閘管與共陽(yáng)極晶閘管情況類(lèi)似，只是電容器電壓極性相反。等效換流電容：例如分析從VT 1向VT 3換流時(shí)，C13就是C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容。設(shè)CiC6的電容量均為 C,則Ci3=3C/2。從VT1向VT 3換流的過(guò)程：換流前VT1和VT2通，C13電壓Uc0左正右負(fù)。換流過(guò)程可分為恒流放電和二極管換流兩個(gè)階段。圖5-16換流過(guò)程各階段的電流路徑a、恒流放電階段t1時(shí)刻觸發(fā)VT3導(dǎo)通，VT1被施以反壓而關(guān)斷。Id從VT1

21、換到VT3, C13通過(guò)VDU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(chēng)恒流放電階段。UC13下降到零之前，VT1承受反壓，反壓時(shí)間大于tq就能保證關(guān)斷。b、二極管換流階段t2時(shí)刻Uci3降到零，之后 Ci3反向充電。忽略負(fù)載電阻壓降，則二極管VD3導(dǎo)通，電流為iv, VDi電流為iu=Id-iv, VDi和VD3同時(shí)通，進(jìn)入二極管換流階段。隨著Ci3電壓增高，充電電流漸小， iv漸大，t3時(shí)刻iu減到零，iv=Id, VDi承受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段結(jié)束。t3以后，VT2、VT3穩(wěn)定導(dǎo)通階段波形分析：電感負(fù)載時(shí)，Uci3、iu、卜及Uci、UC3、波形如圖5-17所示。圖中給出了各換流電容電壓Uci、UC3和UC5