第四章-逆變電路

第4章逆變電路

1—換流方式2—電壓型逆變器3——多電平電路引言■逆變的概念

◆與整流相對(duì)應(yīng)，直流電變成交流電。

◆交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。

◆交流側(cè)接負(fù)載，為無(wú)源逆變，本章主要講述無(wú)源逆變?！瞿孀兣c變頻

◆變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。

◆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。■逆變電路的主要應(yīng)用◆各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等。

◆交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。4.1換流方式

4.1.1逆變電路的基本工作原理

4.1.2換流方式分類(lèi)4.1.1逆變電路的基本工作原理■以單相橋式逆變電路為例說(shuō)明最基本的工作原理◆S1~S4是橋式電路的4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(kāi)關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正；當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，uo為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電。

◆改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。

◆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相位滯后于uo，波形也不同。圖4-1逆變電路及其波形舉例

4.1.2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)為換相?！粞芯繐Q流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷?！鰮Q流方式分為以下幾種

◆器件換流（DeviceCommutation）

?利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。?在采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。

◆電網(wǎng)換流（LineCommutation）

?電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。?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)斷。不需要器件具有門(mén)極可關(guān)斷能力，但不適用于沒(méi)有交流電網(wǎng)的無(wú)源逆變電路。4.1.2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)為換相?！粞芯繐Q流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷?！鰮Q流方式分為以下幾種

◆器件換流（DeviceCommutation）

?利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。?在采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。

◆電網(wǎng)換流（LineCommutation）

?電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。?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)斷。不需要器件具有門(mén)極可關(guān)斷能力，但不適用于沒(méi)有交流電網(wǎng)的無(wú)源逆變電路。4.1.2換流方式分類(lèi)a)uωtωtωtωtOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4圖4-2負(fù)載換流電路及其工作波形

◆負(fù)載換流（LoadCommutation）

?由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。

?負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流，如電容性負(fù)載和同步電動(dòng)機(jī)。?圖4-2a是基本的負(fù)載換流逆變電路，整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性，直流側(cè)串大電感，工作過(guò)程可認(rèn)為id基本沒(méi)有脈動(dòng)。

√負(fù)載對(duì)基波的阻抗大而對(duì)諧波的阻抗小，所以u(píng)o接近正弦波。

√注意觸發(fā)VT2、VT3的時(shí)刻t1必須在uo過(guò)零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。4.1.2換流方式分類(lèi)◆強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）

?設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式稱(chēng)為強(qiáng)迫換流。?通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此也稱(chēng)為電容換流。

?分類(lèi)

√直接耦合式強(qiáng)迫換流：由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓。

√電感耦合式強(qiáng)迫換流：通過(guò)換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來(lái)提供換流電壓或換流電流。

?直接耦合式強(qiáng)迫換流

√如圖4-3，當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容充電。當(dāng)S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。

√也叫電壓換流。圖4-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖

4.1.2換流方式分類(lèi)?電感耦合式強(qiáng)迫換流

√圖4-4a中晶閘管在LC振蕩第一個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷，圖4-4b中晶閘管在LC振蕩第二個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷，注意兩圖中電容所充的電壓極性不同。

√在這兩種情況下，晶閘管都是在正向電流減至零且二極管開(kāi)始流過(guò)電流時(shí)關(guān)斷，二極管上的管壓降就是加在晶閘管上的反向電壓。

√也叫電流換流。圖4-4電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖

■換流方式總結(jié)

◆器件換流只適用于全控型器件，其余三種方式主要是針對(duì)晶閘管而言的。

◆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?，則稱(chēng)為熄滅。

4.2電壓型逆變電路

4.2.1單相電壓型逆變電路

4.2.2三相電壓型逆變電路4.2電壓型逆變電路·引言■根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同，可以分為兩類(lèi)

◆電壓型逆變電路：直流側(cè)是電壓源。

◆電流型逆變電路：直流側(cè)是電流源?！鲭妷盒湍孀冸娐返奶攸c(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)。

◆由于直流電壓源的鉗位作用，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)功功率，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。圖4-5電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路）

單相電壓型逆變電路2)全橋逆變電路共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通180°。輸出電壓和電流與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值Uo1=0.9Ud，因此只能通過(guò)改變直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)，如相控整流，或移相調(diào)壓。對(duì)于阻感負(fù)載，存在能量回饋和能量輸出兩個(gè)階段4.2.1單相電壓型逆變電路■全橋逆變電路

◆共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。

◆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。

◆在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過(guò)改變直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)。

◆Ud的矩形波uo展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為

圖4-5全橋逆變電路

(4-1)(4-2)(4-3)4.2.1單相電壓型逆變電路a)b)圖4-7單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式

◆移相調(diào)壓方式

?V3的基極信號(hào)比V1落后（0＜＜180°）。V3、V4的柵極信號(hào)分別比V2、V1的前移180°-。輸出電壓是正負(fù)各為的脈沖。

?工作過(guò)程

√t1時(shí)刻前V1和V4導(dǎo)通，

uo=Ud。

√t1時(shí)刻V4截止，而因負(fù)載電感中的電流io不能突變，V3不能立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流，uo=0。

√t2時(shí)刻V1截止，而V2不能立刻導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，uo=-Ud?！痰截?fù)載電流過(guò)零并開(kāi)始反向時(shí)，VD2和VD3截止，V2和V3開(kāi)始導(dǎo)通，uo仍為-Ud。

√t3時(shí)刻V3截止，而V4不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，uo再次為零。?改變就可調(diào)節(jié)輸出電壓。4.2.1單相電壓型逆變電路圖4-8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

◆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)載參數(shù)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。

◆與全橋電路相比較

?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。

4.2.2三相電壓型逆變電路■三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路?！鋈鄻蚴侥孀冸娐?/p>

◆基本工作方式是180°導(dǎo)電方式?！敉幌啵赐话霕颍┥舷聝杀劢惶鎸?dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度差120°，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4-9三相電壓型橋式逆變電路

假想中點(diǎn)三相電壓型全橋逆變器6路開(kāi)關(guān)信號(hào)（180°導(dǎo)電方式）三相電壓型全橋逆變器橋臂輸出電壓波形三相逆變器U和V相橋臂輸出電壓（線(xiàn)電壓，為120o方波）基波分量MN三相電壓型全橋逆變器橋臂輸出電壓波形三相電壓型全橋逆變器負(fù)載相電壓波形負(fù)載中性點(diǎn)電壓波形基波分量M三相橋臂輸出狀態(tài)4.2.2三相電壓型逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形

■工作波形

◆對(duì)于U相輸出來(lái)說(shuō)，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，uUN’=Ud/2，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)，uUN’=-Ud/2，uUN’的波形是幅值為Ud/2的矩形波，V、W兩相的情況和U相類(lèi)似?！糌?fù)載線(xiàn)電壓uUV、uVW、uWU可由下式求出◆負(fù)載各相的相電壓分別為

(4-4)(4-5)4.2.2三相電壓型逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3圖4-10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設(shè)負(fù)載為三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載，則有uUN+uVN+uWN=0，故可得

◆負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可以由uUN的波形求出U相電流iU的波形，圖4-10g給出的是阻感負(fù)載下時(shí)iU的波形。

◆把橋臂1、3、5的電流加起來(lái)，就可得到直流側(cè)電流id的波形，如圖4-10h所示，可以看出id每隔60°脈動(dòng)一次。

(4-6)(4-7)4.2.2三相電壓型逆變電路■基本的數(shù)量關(guān)系

◆把輸出線(xiàn)電壓uUV展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得

式中，，k為自然數(shù)?！糨敵鼍€(xiàn)電壓有效值UUV為其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分別為(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)4.2.2三相電壓型逆變電路◆把uUN展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得

式中，，k為自然數(shù)。◆負(fù)載相電壓有效值UUN為其中基波幅值UUN1m和基波有效值UUN1分別為■為了防止同一相上下兩橋臂的開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源的短路，要采取“先斷后通”的方法。

(4-12)(4-13)(4-14)(4-15)UUV7=2Ud/（3.14×7×）=22.3（V）

4.2.2三相電壓型逆變電路■例：三相橋式電壓型逆變電路，180°導(dǎo)電方式，Ud=200V。試求輸出相電壓的基波幅值UUN1m和有效值UUN1、輸出線(xiàn)電壓的基波幅值UUV1m和有效值UUV1、輸出線(xiàn)電壓中7次諧波的有效值UUV7。解：

＝0.45×200＝90（V）＝0.637×200＝127.4（V）＝1.1×200=220（V）＝0.78×200=156（V）5.3電流型逆變電路（了解）

5.3.1單相電流型逆變電路

5.3.2三相電流型逆變電路

4.3電流型逆變電路·引言■直流電源為電流源的逆變電路稱(chēng)為電流型逆變電路。■電流型逆變電路主要特點(diǎn)◆直流側(cè)串大電感，電流基本無(wú)脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源。

◆交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)，輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。

◆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。圖4-11電流型三相橋式逆變電路

4.4多重逆變電路和多電平逆變電路

4.4.1多重逆變電路

4.4.2多電平逆變電路4.4多重逆變電路和多電平逆變電路·引言■電壓型逆變電路的輸出電壓是矩形波，電流型逆變電路的輸出電流是矩形波，矩形波中含有較多的諧波，對(duì)負(fù)載會(huì)產(chǎn)生不利影響?！龀３２捎枚嘀啬孀冸娐钒褞讉€(gè)矩形波組合起來(lái)，使之成為接近正弦波的波形?！鲆部梢愿淖冸娐方Y(jié)構(gòu)，構(gòu)成多電平逆變電路，它能夠輸出較多的電平，從而使輸出電壓向正弦波靠近。

4.4.1多重逆變電路120°60°180°tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo圖4-20二重單相逆變電路

圖4-21二重逆變電路的工作波形

■二重單相電壓型逆變電路

◆兩個(gè)單相全橋逆變電路組成，輸出通過(guò)變壓器T1和T2串聯(lián)起來(lái)。

◆輸出波形

?兩個(gè)單相的輸出u1和u2是180°矩形波。?u1和u2相位錯(cuò)開(kāi)=60°,其中的3次諧波就錯(cuò)開(kāi)了3×60°=180，變壓器串聯(lián)合成后，3次諧波互相抵消，總輸出電壓中不含3次諧波。

?uo波形是120°矩形波，含6k±1次諧波，3k次諧波都被抵消?！鲇纱说贸龅囊恍┙Y(jié)論

◆把若干個(gè)逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來(lái)，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。

◆多重逆變電路有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種方式，電壓型逆變電路多用串聯(lián)多重方式，電流型逆變電路多用并聯(lián)多重方式。

4.4.1多重逆變電路圖4-22三相電壓型二重逆變電路

■三相電壓型二重逆變電路

◆電路分析

?由兩個(gè)三相橋式逆變電路構(gòu)成，輸出通過(guò)變壓器串聯(lián)合成。

?兩個(gè)逆變電路均為180°導(dǎo)通方式。

?工作時(shí)，逆變橋II的相位比逆變橋I滯后30°。

?T1為Δ/Y聯(lián)結(jié)，線(xiàn)電壓變比為，T2一次側(cè)Δ聯(lián)結(jié)，二次側(cè)兩繞組曲折星形接法，其二次電壓相對(duì)于一次電壓而言，比T1的接法超前30°，以抵消逆變橋II比逆變橋I滯后的30°，這樣uU2和uU1的基波相位就相同。?如果T2和T1一次側(cè)匝數(shù)相同，為了使uU2和uU1基波幅值相同，T2和T1二次側(cè)間的匝比就應(yīng)為。

4.4.1多重逆變電路UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud圖4-23二次側(cè)基波電壓合成相量圖

圖4-24三相電壓型二重逆變電路波形圖

◆工作波形

?T1、T2二次側(cè)基波電壓合成情況的相量圖如圖4-23所示，圖中UA1、UA21、UB22分別是變壓器繞組A1、A21、B22上的基波電壓相量。

?由圖4-24可以看出，uUN比uU1接近正弦波。4.4.1多重逆變電路◆基本的數(shù)量關(guān)系

?把uU1展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得式中，n=6k±1，k為自然數(shù)。?uU1的基波分量有效值為n次諧波有效值為(4-23)(4-24)(4-25)4.4.1多重逆變電路?輸出相電壓uUN的基波電壓有效值為其n次諧波有效值為式中，n=12k±1，k為自然數(shù)，在uUN中已不含5次、7次等諧波。◆該三相電壓型二重逆變電路的直流側(cè)電流每周期脈動(dòng)12次，稱(chēng)為12脈波逆變電路，一般來(lái)說(shuō)，使m個(gè)三相橋式逆變電路的相位依次錯(cuò)開(kāi) 運(yùn)行，連同使它們輸出電壓合成并抵消上述相位差的變壓器，就可以構(gòu)成脈波數(shù)為6m的逆變電路。(4-26)(4-27)4.4.2多電平逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3圖4-9三相電壓型橋式逆變電路

圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形

■回顧圖4-9三相電壓型橋式逆變電路和圖4-10的波形，以N’為參考點(diǎn)，輸出相電壓有Ud/2和-Ud/2兩種電平，稱(chēng)為兩電平逆變電路。4.4.2多電平逆變電路圖4-25三電平逆變電路

■三電平逆變電路

◆電路分析

?也稱(chēng)中點(diǎn)鉗位型（NeutralPointClamped）逆變電路。?每橋臂由兩個(gè)全控器件串聯(lián)構(gòu)成，兩者都反并聯(lián)了二極管，且中點(diǎn)通過(guò)鉗位二極管和直流側(cè)中點(diǎn)相連。

◆以U相為例分析工作情況

?V11和V12（或VD11和VD12）導(dǎo)通，V41和V42關(guān)斷時(shí)，UO'間電位差為Ud/2。?V41和V42（或VD41和VD42）導(dǎo)通，V11和V12關(guān)斷時(shí)，UO'間電位差為-Ud/2。?V12和V41導(dǎo)通，V11和V42關(guān)斷時(shí)，UO'間電位差為0。?V12和V41不能同時(shí)導(dǎo)通，iU>0時(shí)，V12和