詳細(xì)逆變電路電子教案

第4章:無源逆變(nìbiàn)電路4.1逆變器的性能指標(biāo)與分類4.2逆變電路的工作原理4.3電壓(diànyā)型逆變電路4.4電流型逆變電路4.5負(fù)載換流式逆變電路第一頁，共31頁。4.1逆變器的性能指標(biāo)與分類(fēnlèi)1）定義：將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率(pínlǜ)的交流電反送到電網(wǎng)去。2）應(yīng)用：直流電機(jī)的可逆調(diào)速、繞線型異步電機(jī)的串級(jí)調(diào)速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。1）定義：逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而是直接接到負(fù)載，即將(jíjiāng)直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負(fù)載2）應(yīng)用：它在交流電機(jī)變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源等方面應(yīng)用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容。1、有源逆變:2、無源逆變：第二頁，共31頁。4.1.1逆變器的性能指標(biāo)（1）諧波系數(shù)(xìshù)HF：諧波分量有效值同基波分量有致值之比。（2）總諧波系數(shù)：總諧波系數(shù)表征了一個(gè)實(shí)際波形同其基波的接近(jiējìn)程度。（5）電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）（3）逆變效率（4）單位重量(zhòngliàng)的輸出功率:衡量逆變器輸出率密度的指標(biāo)。第三頁，共31頁。4.1.2逆變電路(diànlù)的分類①電壓(diànyā)型：輸人端并接有大電容，輸入直流電源為恒壓源，逆變器將直流電壓(diànyā)變換成交流電壓(diànyā)。②電流型：輸入端串接有大電感，輸入直流電源為恒流源，逆變器將輸入的直流電流變換為交流電流輸出。（1）、根據(jù)(gēnjù)輸入直流電源特點(diǎn)分類

①半橋式逆變電路；②全橋式逆變電路；③推換式逆變電路；④其他形式：如單管晶體管逆變電路。（2）、根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類第四頁，共31頁。4.1.2逆變(nìbiàn)電路的分類（3）、根據(jù)(gēnjù)換流方式分類（4）、根據(jù)(gēnjù)負(fù)載特點(diǎn)分類①非諧振式逆變電路②諧振式逆變電路①負(fù)載換流型逆變電路；②脈沖換流型逆變電路；③自換流型逆變電路。第五頁，共31頁。4.1.3逆變(nìbiàn)電路用途1、可以做成變頻(biànpín)變壓電源（VVVF），主要用于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。2、可以做成恒頻恒壓電源(diànyuán)（CVCF），其典型代表為不間斷電源(diànyuán)（UPS）、航空機(jī)載電源(diànyuán)、機(jī)車照明，通信等輔助電源(diànyuán)也要用CVCF電源(diànyuán)。3、可以做成感應(yīng)加熱電源，例如中頻電源，高頻電源等。逆變器的用途十分廣泛：返回第六頁，共31頁。4.2逆變(nìbiàn)電路的工作原理開關(guān)T1、T4閉合，T2、T3斷開：u0=Ud；開關(guān)T1、T4斷開，T2、T3閉合：u0=－Ud;當(dāng)以頻率fS交替切換開關(guān)T1、T4和T2、T3時(shí)，則在電阻R上獲得如圖4.2.4(b)所示的交變電壓波形(bōxínɡ)，其周期Ts=1/fS，這樣，就將直流電壓E變成了交流電壓uo。uo含有各次諧波，如果想得到正弦波電壓，則可通過濾波器濾波獲得。圖4.2.1單相橋式逆變電路工作(gōngzuò)原理1、主要功能:圖4.2.1(a)中主電路開關(guān)T1~T4，它實(shí)際是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的一種理想模型。逆變電路中常用的開關(guān)器件有快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（GTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）。將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負(fù)載。2、工作原理：返回第七頁，共31頁。它由兩個(gè)導(dǎo)電臂構(gòu)成，每個(gè)導(dǎo)電臂由一個(gè)全控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容C1和C2，且滿足C1=C2。設(shè)感性負(fù)載連接在A、0兩點(diǎn)間。T1和T2之間存在死區(qū)時(shí)間，以避免(bìmiǎn)上、下直通，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)兩晶閘管均無驅(qū)動(dòng)信號(hào)。1.電壓型逆變電路(diànlù)半橋逆變電路(diànlù)結(jié)構(gòu)及波形：4.3.1電壓型單相半橋逆變(nìbiàn)電路4.3電壓型逆變電路

動(dòng)畫第八頁，共31頁。輸出電壓有效值為:

由傅里葉分析(fēnxī)，輸出電壓瞬時(shí)值為:

其中，為輸出電壓角頻率。當(dāng)n=1時(shí)其基波分量的有效值為:

(4.3.1)(4.3.2)(4.3.3)第九頁，共31頁。在一個(gè)周期內(nèi)，電力晶體管T1和T2的基極信號(hào)各有半周正偏，半周反偏，且互補(bǔ)。若負(fù)載為阻感負(fù)載，設(shè)t2時(shí)刻以前，T1有驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通，T2截止，則u0=Ud/2。t2時(shí)刻關(guān)斷的T1，同時(shí)給T2發(fā)出(fāchū)導(dǎo)通信號(hào)。由于感性負(fù)載中的電流i。不能立即改變方向，于是D2導(dǎo)通續(xù)流，u0=－Ud/2。t3時(shí)刻i。降至零，D2截止，T2導(dǎo)通，i。開始反向增大，此時(shí)仍然有u0=－Ud/2。在t4時(shí)刻關(guān)斷T2，同時(shí)給T1發(fā)出(fāchū)導(dǎo)通信號(hào)，由于感性負(fù)載中的電流i。不能立即改變方向，D1先導(dǎo)通續(xù)流，此時(shí)仍然有u0=Ud/2；t5時(shí)刻i。降至零，T1導(dǎo)通，u0=Ud/2；圖4.3.1電壓型半橋逆變電路及其電壓電流(diànliú)波形2、工作(gōngzuò)原理：緩沖電感反饋的無功能量第十頁，共31頁。缺點(diǎn)(quēdiǎn)：1）交流電壓幅值僅為Ud/2；2）直流側(cè)需分壓電容器；3）為了使負(fù)載電壓接近(jiējìn)正弦波通常在輸出端要接LC濾波器，輸出濾波器LC濾除逆變器輸出電壓中的高次諧波。優(yōu)點(diǎn)：簡單(jiǎndān)，使用器件少；應(yīng)用：用于幾kW以下的小功率逆變電源；第十一頁，共31頁。4.3.2電壓(diànyā)型單相全橋逆變電路全控型開關(guān)器件T1和T4構(gòu)成一對(duì)橋臂，T2和T3構(gòu)成一對(duì)橋臂,T1和T4同時(shí)通、斷；T2和T3同時(shí)通、斷。T1(T)4與T2(T3)的驅(qū)動(dòng)(qūdònɡ)信號(hào)互補(bǔ)，即T1和T4有驅(qū)動(dòng)(qūdònɡ)信號(hào)時(shí)，T2和T3無驅(qū)動(dòng)(qūdònɡ)信號(hào)，反之亦然，兩對(duì)橋臂各交替導(dǎo)通180°。1、電路工作(gōngzuò)過程：第十二頁，共31頁。輸出方波電壓(diànyā)瞬時(shí)值：輸出方波電壓(diànyā)有效值：基波分量的有效值：圖4.3.2電壓型單相(dānxiānɡ)全橋逆變電路和電壓、電流波形圖(4.3.6)(4.3.4)(4.3.5)同單相半橋逆變電路相比，在相同負(fù)載(fùzài)的情況下，其輸出電壓和輸出電流的幅值為單相半橋逆變電路的兩倍。1）純電阻負(fù)載時(shí)第十三頁，共31頁。0≤t＜Ts／4，Ts2≤t≤3Ts／4期間，D1、D4導(dǎo)通起負(fù)載電流(diànliú)續(xù)流作用，在此期間T1～T4均不導(dǎo)通。圖4.3.2電壓型單相全橋逆變電路(diànlù)和電壓、電流波形圖2）電感(diànɡǎn)負(fù)載時(shí)由可得負(fù)載電流峰值為：(4.3.7)第十四頁，共31頁。0≤θ≤ωt期間，T1和T4有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于電流i0為負(fù)值(fùzhí)，T1和T4不導(dǎo)通，D1、D4導(dǎo)通起負(fù)載電流續(xù)流作用，u0=+Ud。θ≤ωt≤π期間，i0為正值，T1和T4才導(dǎo)通。π≤ωt≤π+θ期間，T2和T3有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于電流i0為負(fù)值(fùzhí)，T2、T3不導(dǎo)通，D2、D3導(dǎo)通起負(fù)載電流續(xù)流作用，u0=－Ud。π+θ≤ωt≤2π期間，T2和T3才導(dǎo)通。3）阻感負(fù)載(fùzài)RL時(shí)圖4.3.2電壓(diànyā)型單相全橋逆變電路和電壓(diànyā)、電流波形圖圖4.3.2(e)所示是RL負(fù)載時(shí)直流電源輸入電流的波形。圖4.3.2(f)所示是RL負(fù)載時(shí)直流電源輸入電流的波形。第十五頁，共31頁。4.3.3電壓型三相(sānxiānɡ)橋式逆變電路電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式為180°導(dǎo)電型，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角為180°，同一相上下橋臂交替導(dǎo)電的縱向換流方式，各相開始導(dǎo)電的時(shí)間依次相差120°。在一個(gè)周期內(nèi)，6個(gè)開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通的次序?yàn)門1→T2→T3→T4→T5→T6，依次相隔(xiānggé)60°，任一時(shí)刻均有三個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通的組合順序?yàn)門1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每種組合工作60°。圖4.3.3電壓型三相(sānxiānɡ)橋式逆變電路1、工作過程：第十六頁，共31頁。將一個(gè)工作周期分成(fēnchénɡ)6個(gè)區(qū)域。在0<ωt≤π/3區(qū)域，設(shè)ug1>0,ug2>0,ug3>0，則有T1，T2，T3導(dǎo)通，2、各相負(fù)載(fùzài)相電壓和線電壓波形：根據(jù)同樣(tóngyàng)的思路可得其余5個(gè)時(shí)域的值線電壓相電壓圖4.3.4電壓型三相橋式逆變電路及其工作波形式中Ud為逆變器輸入直流電壓。第十七頁，共31頁。

3、負(fù)載(fùzài)相電壓和線電壓幅值分析：利用(lìyòng)博里葉分析，其相電壓的瞬時(shí)值為：相電壓基波幅(bōfú)值(4.3.8)(4.3.9)由上式可知，負(fù)載相電壓中無3次諧波，只含更高階奇次諧波，n次諧波幅值為基波幅值的1/n。其線電壓的瞬時(shí)值為：線電壓基波幅值

(4.3.11)(4.3.10)由上式可知，負(fù)載線電壓中無3次諧波，只含更高階奇次諧波，n次諧波幅值為基波幅值的1/n。第十八頁，共31頁。表4.3.1三相橋式逆變電路(diànlù)的工作狀態(tài)表返回第十九頁，共31頁。4.4.1電流型單相橋式逆變(nìbiàn)電路當(dāng)T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷時(shí)，I0=Id；反之，I0=-Id。當(dāng)以頻率f交替(jiāotì)切換開關(guān)管T1、T4和T2、T3時(shí)，則在負(fù)載上獲得如圖4.4.1（b）所示的電流波形。輸出電流波形為矩形波，與電路負(fù)載性質(zhì)無關(guān)，而輸出電壓波形由負(fù)載性質(zhì)決定。主電路開關(guān)管采用自關(guān)斷器件時(shí)，如果其反向不能承受高電壓，則需在各開關(guān)器件支路串入二極管。圖4.4.1電流型單相橋式逆變電路(diànlù)及電流波形1、電路工作過程：防反相高壓恒流大電感4.4電流型逆變電路第二十頁，共31頁。其中基波(jībō)幅值I01m和基波(jībō)有效值I01分別為

(4.4.1)

(4.4.2)

(4.4.3)

將圖4.4.1（b）所示的電流(diànliú)波形i0展開成傅氏級(jí)數(shù),有2、電流(diànliú)波形參數(shù)計(jì)算：圖4.4.1電流型單相橋式逆變電路及電流波形

第二十一頁，共31頁。導(dǎo)電方式為120°導(dǎo)通、橫向換流方式，任意瞬間只有兩個(gè)橋臂導(dǎo)通。導(dǎo)通順序?yàn)?→T2→T3→T4→T5→T6，依次間隔60°，每個(gè)橋臂導(dǎo)通120°。這樣，每個(gè)時(shí)刻上橋臂組和下橋臂組中都各有一個(gè)臂導(dǎo)通。輸出電流波形與負(fù)載性質(zhì)(xìngzhì)無關(guān)。輸出電壓波形由負(fù)載的性質(zhì)(xìngzhì)決定。圖4.4.3電流型三相(sānxiānɡ)橋式逆變電路原理圖及輸出電流波形(4.4.4)

1、工作(gōngzuò)方式:輸出電流的基波有效值I01和直流電流Id的關(guān)系式為：

返回第二十二頁，共31頁。4.5負(fù)載(fùzài)換流式逆變電路4.5.1并聯(lián)諧振式逆變電路1、電路結(jié)構(gòu)2、工作原理3、電路參數(shù)計(jì)算(jìsuàn)4.5.2串聯(lián)諧振式逆變電路1、電路結(jié)構(gòu)2、工作原理返回第二十三頁，共31頁。4.5.1并聯(lián)諧振(xiézhèn)式逆變電路負(fù)載為中頻電爐，實(shí)際上是一個(gè)感應(yīng)線圈，圖中L和R串聯(lián)為其等效電路。因?yàn)樨?fù)載功率因數(shù)很低，故并聯(lián)補(bǔ)償電容器C。電容C和電感L、電阻R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，所以稱這種電路為并聯(lián)諧振式逆變電路。本電路采用負(fù)載換流，即要求(yāoqiú)負(fù)載電流超前電壓，因此，補(bǔ)償電容應(yīng)使負(fù)載過補(bǔ)償，使負(fù)載電路工作在容性小失諧情況下。圖4.6.1并聯(lián)諧振(xiézhèn)式逆變電路的原理圖１、電路結(jié)構(gòu):小電感，限制晶閘管電流上升率大濾波電感第二十四頁，共31頁。并聯(lián)諧振式逆變電路屬電流型，故其交流輸出電流波形接近矩形波，其中包含基波和各次諧波。工作時(shí)晶閘管交替觸發(fā)的頻率應(yīng)接近負(fù)載電路諧振頻率，故負(fù)載對(duì)基波呈現(xiàn)高阻抗(zǔkàng)，而對(duì)諧波呈現(xiàn)低阻抗(zǔkàng)，諧波在負(fù)載電路上幾乎不產(chǎn)生壓降，因此，負(fù)載電壓波形為正弦波。又因基波頻率稍大于負(fù)載諧振頻率，負(fù)載電路呈容性，io超前電壓uo一定角度，達(dá)到自動(dòng)換流關(guān)斷晶閘管的目的。圖4.6.3并聯(lián)諧振式逆變電路原理圖及其工作(gōngzuò)波形２、工作(gōngzuò)原理：第二十五頁，共31頁。圖4.6.2并聯(lián)諧振式逆變電路換流(huànliú)的工作過程逆變電路換流(huànliú)的工作過程第二十六頁，共31頁。t2時(shí)刻觸發(fā)T2，T3，電路開始換流。由于T2，T3導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載兩端電壓施加到T1，T4的兩端，使T1，T4承受負(fù)壓關(guān)斷。由于每個(gè)晶閘管都串有換相電抗器LT，故T1和T4在t2時(shí)刻不能立刻(lìkè)關(guān)斷，T2，T3中的電流也不能立刻(lìkè)增大到穩(wěn)定值。在換流期間，四個(gè)晶閘管都導(dǎo)通，由于時(shí)間短和大電感Ld的恒流作用，電源不會(huì)短路。當(dāng)t=t4時(shí)刻，T1、T4電流減至零而關(guān)斷，直流側(cè)電流Id全部從T1、T4轉(zhuǎn)移到T2、T3，換流過程結(jié)束。t4-t2=tr稱為換流時(shí)間。T1、T4中的電流下降到零以后，還需一段時(shí)間后才能恢復(fù)正向阻斷能力，因此換流結(jié)束以后，還要使T1、T4承受一段反壓時(shí)間tβ才能保證可靠關(guān)斷。tβ=t5－t4應(yīng)大于晶閘管關(guān)斷時(shí)間tq。圖4.6.3并聯(lián)諧振式逆變(nìbiàn)電路原理圖及其工作波形第二十七頁，共31頁。為了保證電路可靠換流，必須在輸出電壓u0過零前t?時(shí)刻觸發(fā)T2、T3，稱t?為觸發(fā)引前時(shí)間。為了安全起見，必須使

式中k為大于1的安全系數(shù)，一般取為2~3。 負(fù)載的功率因數(shù)(ɡōnɡlǜyīnshù)角φ由負(fù)載電流與電壓的相位差決定，從圖3.6.3可知：

其中ω為電路的工作頻率。圖4.6.3并聯(lián)諧振(xiézhèn)式逆變工作波形（4.6.2）（4.6.1）第二十八頁，共31頁。如果忽略換流過程，i0為矩形(jǔxíng)波。展開成傅氏級(jí)數(shù)得