第4章逆變電路

第4章逆變電路

4.1換流方式

4.2電壓型逆變電路

4.3電流型逆變電路

4.4多重逆變電路和多電平逆變電路

本章小結(jié)2/55引言■逆變的概念

◆與整流相對應，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)接負載，為無源逆變?！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?！瞿孀冸娐返闹饕獞谩舾鞣N直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。

◆交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。3/554.1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4/554.1.1逆變電路的基本工作原理■以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理◆S1~S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。

負載tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2◆當S1S4閉合，S2S3斷開時，負載電壓uo為正；當S1S4斷開，S2S3閉合時，uo為負，這樣就把直流電變成了交流電。

◆改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。

◆電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同。

◆阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同。5/554.1.2換流方式分類■換流

◆電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。◆研究換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。?將負的電網(wǎng)電壓施加在晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極關(guān)斷能力，但不適用于無交流電網(wǎng)的無源逆變電路。6/554.1.2換流方式分類a)uωtωtωtωtOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4圖

負載換流電路及其工作波形

◆負載換流（LoadCommutation）

?由負載提供換流電壓的換流方式。

?負載電流的相位超前于負載電壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流，如容性負載和同步電動機。?圖a是基本的負載換流逆變電路，整個負載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性，直流側(cè)串大電感，工作過程可認為id基本無脈動。

√負載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小，所以uo接近正弦波。

√注意觸發(fā)VT2、VT3的時刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。7/554.1.2換流方式分類◆強迫換流（ForcedCommutation）

?設置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流。?通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電容換流。

?分類

√直接耦合式強迫換流：由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓。

√電感耦合式強迫換流：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。

?直接耦合式強迫換流

√當VT處于通態(tài)時，預先給電容充電。當S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。

√也叫電壓換流。直接耦合式強迫換流原理圖

8/554.1.2換流方式分類?電感耦合式強迫換流

√圖a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷，圖b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內(nèi)關(guān)斷。

√注意兩圖中電容所充的電壓極性不同。

√兩種情況下，晶閘管都是在正向電流減至零且二極管開始流過電流時關(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。電感耦合式強迫換流原理圖

■換流方式總結(jié)

◆器件換流只適用于全控型器件，其余三種方式主要針對晶閘管。

◆器件換流和強迫換流屬于自換流，電網(wǎng)換流和負載換流屬于外部換流。

◆當電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱悖瑒t稱為熄滅。9/554.2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10/554.2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

◆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

◆直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動。

◆由于直流電壓源的鉗位作用，輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同。

◆阻感負載時需提供無功功率，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。圖

電壓型逆變電路（全橋逆變電路）

11/554.2.1單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形

■半橋逆變電路

◆在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的聯(lián)結(jié)點便成為直流電源的中點，負載聯(lián)接在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)結(jié)點之間。

◆工作原理

?設V1和V2的柵極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補。

?uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2。

?電路帶阻感負載，t2時刻V1關(guān)斷，V2開通，但感性負載中的電流io不能立即改變方向，于是VD2導通續(xù)流，當t3時刻io降零時，VD2截止，V2開通，io開始反向，由此得出如圖所示的電流波形。

12/554.2.1單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形

?V1或V2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管，它又起著使負載電流連續(xù)的作用，因此又稱續(xù)流二極管?！魞?yōu)點是簡單，使用器件少；◆缺點是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡；因此，半橋電路常用于幾kW以下的小功率逆變電源。13/554.2.1單相電壓型逆變電路■全橋逆變電路

◆共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。

◆兩對橋臂交替導通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。

◆要改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)。

◆uo展開成傅里葉級數(shù)得其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為

14/554.2.1單相電壓型逆變電路a)b)單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式

◆移相調(diào)壓方式

?V3的基極信號比V1落后（0＜＜π）。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移π-。輸出電壓是正負各為的脈沖。

?工作過程

√t1時刻前V1和V4導通，

uo=Ud。

√t1時刻V4截止，因電感電流io不能突變，V3不能立刻導通，VD3導通續(xù)流，uo=0。

√t2時刻V1截止，而V2不能立刻導通，VD2導通續(xù)流，和VD3構(gòu)成通道，uo=-Ud?！痰截撦d電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，V2和V3開始導通，uo仍為-Ud。

√t3時刻V3截止，而V4不能立刻導通，VD4導通續(xù)流，uo再次為零。?改變就可調(diào)節(jié)輸出電壓。15/554.2.1單相電壓型逆變電路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)動兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負載加上矩形波交流電壓。◆兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道?！鬠d和負載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1時，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同?！襞c全橋電路相比較

?比全橋電路少用一半開關(guān)器件。

?器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高一倍。

?必須有一個變壓器。16/554.2.2三相電壓型逆變電路■三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路?！鋈鄻蚴侥孀冸娐?/p>

◆基本工作方式是180°導電方式?！敉幌啵赐话霕颍┥舷聝杀劢惶鎸щ?，各相開始導電的角度差120°，任一瞬間有三個橋臂同時導通。

◆每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流。三相電壓型橋式逆變電路

假想中點17/554.2.2三相電壓型逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3

電壓型三相橋式逆變電路的工作波形

■工作波形

◆對于U相輸出來說，當橋臂1導通時，uUN’=Ud/2，當橋臂4導通時，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相類似?！艟€電壓uUV、uVW、uWU可由下式求出◆負載各相的相電壓分別為

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負載為三相對稱負載，則有uUN+uVN+uWN=0，故可得

◆負載參數(shù)已知時，可以由uUN的波形求出U相電流iU的波形，左圖給出的是阻感負載下時iU的波形。◆把橋臂1、3、5的電流加起來，就可得到直流側(cè)電流id的波形，可以看出id每隔60°脈動一次。19/554.2.2三相電壓型逆變電路■基本的數(shù)量關(guān)系

◆把輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)得

◆輸出線電壓有效值UUV為其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分別為20/554.2.2三相電壓型逆變電路◆把uUN展開成傅里葉級數(shù)得

◆負載相電壓有效值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關(guān)器件同時導通而引起直流側(cè)電源的短路，要采取“先斷后通”的方法。

21/55UUV7=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、輸出線電壓的基波幅值UUV1m和有效值UUV1、輸出線電壓中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）22/554.3電流型逆變電路

4.3.1單相電流型逆變電路

4.3.2三相電流型逆變電路23/554.3電流型逆變電路·引言■直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。■電流型逆變電路主要特點◆直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動，相當于電流源。

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

◆直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)管反并聯(lián)二極管?！鲭娏餍湍孀冸娐分校捎冒肟匦推骷碾娐啡詰幂^多，換流方式有負載換流、強迫換流。圖4-11電流型三相橋式逆變電路

24/554.3.1單相電流型逆變電路■電路分析

◆由四個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用來限制晶閘管開通時的di/dt。

◆采用負載換相方式工作的，要求負載電流略超前于負載電壓，即負載略呈容性?！綦娙軨和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。

◆輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。圖

單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路

◆基本工作方式是120°導電方式，每個臂一周期內(nèi)導電120°，每個時刻上下橋臂組各有一個臂導通?！魮Q流方式為橫向換流?！糨敵鲭娏鞑ㄐ魏拓撦d性質(zhì)無關(guān)，正負脈沖各120°的矩形波。◆輸出電流和三相橋整流帶大電感負載時的交流電流波形相同，諧波分析表達式也相同?！糨敵鼍€電壓波形和負載性質(zhì)有關(guān)，大體為正弦波，但疊加了一些脈沖?！糨敵鼋涣麟娏鞯幕ㄓ行е礗U1和直流電流Id的關(guān)系為

25/554.3.2三相電流型逆變電路tOtOtOtOIdiViWuUVU電流型三相橋式逆變電路26/554.3.2三相電流型逆變電路串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路

■串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路

◆主要用于中大功率交流電動機調(diào)速系統(tǒng)。

◆電路分析

?是電流型三相橋式逆變電路，各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用。

?120°導電工作方式，輸出波形和圖4-14的波形大體相同。

?采用強迫換流方式，電容C1~C6為換流電容。27/554.3.2三相電流型逆變電路OOOOOwtwtwtOwtwtVT4導通UVWiViWiUudMVT1導通VT3導通VT6導通VT5導通VT2導通uVT1圖

無換相器電動機電路工作波形

■負載為同步電動機

◆其工作特性和調(diào)速方式都和直流電動機相似，但沒有換向器，因此被稱為無換向器電動機。

◆采用120°導電方式，利用電動機反電勢實現(xiàn)換流。◆BQ是轉(zhuǎn)子位置檢測器，用來檢測磁極位置以決定什么時候給哪個晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖。28/554.4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29/554.4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，對負載會產(chǎn)生不利影響?！龀３２捎枚嘀啬孀冸娐钒褞讉€矩形波組合起來，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。30/554.4.1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

◆兩個單相全橋逆變器的輸出通過串聯(lián)起來。

◆輸出波形

?兩個單相的輸出u1和u2是180°矩形波。?u1和u2相位錯開60°,3次諧波就錯開了180，合成后，3次諧波抵消，總電壓中無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。■由此得出的一些結(jié)論

◆把若干個逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來，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。

◆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。

31/554.4.1多重逆變電路圖

三相電壓型二重逆變電路

■三相電壓型二重逆變電路?由兩個三相橋式逆變電路構(gòu)成，輸出通過變壓器串聯(lián)合成。?兩個逆變電路均為180°導通方式。?工作時，逆變橋II的相位比逆變橋I滯后30°。?T1為Δ/Y聯(lián)結(jié)，線電壓變比為，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)間的匝比就應為。

32/554.4.1多重逆變電路UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud圖

二次側(cè)基波電壓合成相量圖

圖

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。

?由圖可以看出，uUN比uU1接近正弦波。33/554.4.1多重逆變電路◆基本的數(shù)量關(guān)系

?把uU1展開成傅里葉級數(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34/554.4.1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12次，稱為12脈波逆變電路，一般來說，使m個三相橋式逆變電路的相位依次錯開 運行，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。35/554.4.2多電平逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3

三相電壓型橋式逆變電路

電壓型三相橋式逆變電路的工作波形

■以N’為參考點，輸出相電壓有Ud/2和-Ud/2兩種電平，稱為兩電平逆變電路。36/554.4.2多電平逆變電路圖4-25三電平逆變電路

■三電平逆變電路?也稱中點鉗位型逆變電路。?每橋臂由兩個全控器件串聯(lián)構(gòu)成，兩者都反并聯(lián)了二極管，且中點通過鉗位二極管和直流側(cè)中點相連◆以U相為例分析工作情況?V11和V12（或VD11和VD12）導通，V41和V42關(guān)斷時，UO'間電位差為Ud/2。?V41和V42（或VD41和VD42）導通，V11和V12關(guān)斷時，UO'間電位差為-Ud/2。?V12和V41導通，V11和V42關(guān)斷時，UO'間電位差為0。?V12和V41不能同時導通，iU>0時，V12和VD1導通，iU<0時，V41和VD4導通。37/554.4.2多電平逆變電路◆線電壓的電平

?相電壓相減得到線電壓。

?兩電平逆變電路的輸出線電壓有±Ud和0三種電平，三電平逆變電路的輸出線電壓有±Ud、±Ud/2和0五種電平。

?三電平逆變電路輸出電壓諧波可大大少于兩電平逆變電路。

?三電平逆變電路另一突出優(yōu)點：每個主開關(guān)器件承受電壓為直流側(cè)電壓的一半?！鲇门c三電平電路類似的方法，還可構(gòu)成五電平、七電平等更多電平的電路，三電平及更多電平的逆變電路統(tǒng)稱為多電平逆變電路。38/55本章小結(jié)■講述基本的逆變電路的結(jié)構(gòu)及其工作原理◆四大類基本變流電路中，AC/DC和DC/AC兩類電路更為基本、更為重要?！鰮Q流方式