第四章 逆變電路

第四章逆變電路

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逆變與變頻變頻電路：交交變頻和交直交變頻兩種交直交變頻由交直變換和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變

逆變電路的應(yīng)用交流電機(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)容分類方法種類使用器件晶閘管逆變器、GTO逆變器、GTR逆變器、MOSFET逆變器、IGBT逆變器、混合式逆變器直流電源性質(zhì)電壓型逆變器、電流型逆變器電路結(jié)構(gòu)半橋電路、全橋電路輸出相數(shù)單相電路、三相電路、多相電路調(diào)壓功能無調(diào)壓功能、有調(diào)壓功能調(diào)頻功能恒頻輸出、變頻輸出負(fù)載電流波形正弦波逆變器、非正弦波逆變器無源逆變器分類常見變壓變頻裝置結(jié)構(gòu)形式4.1換流方式

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逆變電路及其波形舉例S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)直流交流

改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率電阻負(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，波形也不同過程分析：io從電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和S3流回正極，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t1時(shí)刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負(fù)，但io不能立刻反向t1前：S1、S4通，uo和io均為正4.1.2

換流方式分類換流——電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱換相開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使其開通關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(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流及換流方式問題最為全面集中，因此在本章講述總共有四種換流方式1.器件換流2.電網(wǎng)換流3.負(fù)載換流4.

強(qiáng)迫換流（DeviceCommutation）（LineCommutation）（LoadCommutation）（ForcedCommutation）由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流可控整流電路、交流調(diào)壓電路和采用相控方式的交交變頻電路不需器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加元件由負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)載換流負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓的場合，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)載為同步電動機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流設(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為強(qiáng)迫換流,通常利用附加電容上儲存的能量來實(shí)現(xiàn)，也稱為電容換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流負(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基本沒有脈動。負(fù)載換流電路及其工作波形工作過程:t1時(shí)：觸發(fā)VT2、VT3使其開通，uo加到VT4、VT1上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從VT1、VT4換到VT3、VT2t1必須在uo過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3斷，uo、io均為正，VT2、VT3電壓即為uo4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)載工作在對基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對基波阻抗很大，對諧波阻抗很小，uo波形接近正弦強(qiáng)迫換流逆變電路直接耦合式強(qiáng)迫換流電感耦合式強(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)，先給電容C充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關(guān)斷電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖圖a中晶閘管在LC振蕩第一個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷圖b中晶閘管在LC振蕩第二個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷換流方式小結(jié)：器件換流——適用于全控型器件其余三種方式——針對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——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?，則稱為熄滅4.2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電壓型逆變電路舉例:電壓型逆變電路的特點(diǎn)(1)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(2)

輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同(3)

阻感負(fù)載時(shí)需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管1．半橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)：4.2.1單相電壓型逆變電路工作原理：（感性負(fù)載時(shí)）V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時(shí)，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(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。V1和V2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補(bǔ)，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡單，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．全橋逆變電路單相逆變電路中應(yīng)用最多全橋逆變電路兩個(gè)半橋電路的組合工作情況：io波形和半橋中的io相同，幅值增加一倍1和4一對，2和3另一對，成對橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180°uo波形同圖半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Ud輸出電壓定量分析

uo成傅里葉級數(shù)

基波幅值基波有效值

uo為正負(fù)各180°時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實(shí)現(xiàn)阻感負(fù)載時(shí)還可采用移相調(diào)壓：單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式各柵極信號為180°正偏，180°反偏，且V1和V2互補(bǔ)，V3和V4互補(bǔ)關(guān)系不變

采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱為移相調(diào)壓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V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180°-qV3的基極信號只比V1落后q

(0<q<180°)3．帶中心抽頭變壓器的逆變電路交替驅(qū)動兩個(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的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(gè)變壓器4.2.2三相電壓型逆變電路180°導(dǎo)電方式每橋臂導(dǎo)電180°，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(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，也稱為縱向換流三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路應(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

波形分析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‘=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2

負(fù)載線電壓

負(fù)載相電壓負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓

負(fù)載三相對稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是

利用上兩式可繪出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°脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個(gè)特點(diǎn)

4.3電流型逆變電路電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路一般在直流側(cè)串聯(lián)大電感，電流脈動很小，可近似看成直流電流源實(shí)例之一：電流型三相橋式逆變電路

吸收換流時(shí)負(fù)載電感中存貯的能量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，每橋臂晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器LT，用來限制晶閘管開通時(shí)的di/dt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1、4和2、3以1000~2500Hz的中頻輪流導(dǎo)通，可得到中頻交流電負(fù)載一般是電磁感應(yīng)線圈，加熱線圈內(nèi)的鋼料，R和L串聯(lián)為其等效電路因功率因數(shù)很低，故并聯(lián)CC和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振式逆變電路采用負(fù)載換相方式，要求負(fù)載電流略超前于負(fù)載電壓工作波形分析：

一周期內(nèi)，兩個(gè)穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段4個(gè)晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電容電壓經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一個(gè)經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4到Cio在t3時(shí)刻，即iVT1=iVT2時(shí)刻過零，t3時(shí)刻大體位于t2和t4的中點(diǎn)t=t4時(shí)，VT1、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束t4－t2=tg

稱為換流時(shí)間t2~t4：t2時(shí)觸發(fā)VT2和VT3開通，進(jìn)入換流階段t1~t2：VT1和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，iｏ=Id，t2時(shí)刻前在C上建立了左正右負(fù)的電壓LT使VT1、VT4不能立刻關(guān)斷，電流有一個(gè)減小過程VT2、VT3電流有一個(gè)增大過程保證晶閘管的可靠關(guān)斷晶閘管需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時(shí)間tbtb=t5-t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq數(shù)量分析忽略換流過程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級數(shù)

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）

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(jī)調(diào)速系統(tǒng)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(dǎo)電工作方式，輸出波形和前圖的波形大體相同強(qiáng)迫換流方式，電容C1~C6為換流電容串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路換流過程分析電容器充電規(guī)律：對共陽極晶閘管，它與導(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等效換流電容概念：分析從VT1向VT3換流時(shí)，C13就是C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容從VT1向VT3換流的過程:

假設(shè)換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負(fù)t2時(shí)刻uC13降到零，之后C13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，VD1電流為iU=Id-iV，VD1和VD3同時(shí)通，進(jìn)入二極管換流階段t3以后，VT2、VT3穩(wěn)定導(dǎo)通階段隨著C13電壓增高，充電電流漸小，iV漸大，t3時(shí)刻iU減到零，iV=Id，VD1承受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段結(jié)束恒流放電階段

t1時(shí)刻觸發(fā)VT3導(dǎo)通，VT1被施以反壓而關(guān)斷Id從VT1換到VT3，C13通過VD1、U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)斷二極管換流階段ttOuOiUCOuC13uC5uC3-UCOIdiUiVt1t2t3圖4-17串聯(lián)二極管晶閘管逆變電路換流過程波形實(shí)例：無換向器電動機(jī)電流型三相橋式逆變器驅(qū)動同步電動機(jī)，負(fù)載換流工作特性和調(diào)速方式和直流電動機(jī)相似，但無換向器，因此稱為無換向器電動機(jī)無換相器電動機(jī)的基本電路BQ——轉(zhuǎn)子位置檢測器，檢測磁極位置以決定什么時(shí)候給哪個(gè)晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖圖4-19無換相器電動機(jī)電路工作波形4.4多重逆變電路和多電平逆變電路電壓型——輸出電壓是矩形波，電流型——輸出電流是矩形波，諧波多多重逆變電路把幾個(gè)矩形波組合起來，接近正弦多電平逆變電路輸出較多電平，使輸出接近正弦4.4.1多重逆變電路電壓型、電流型都可多重化，以電壓型為例單相電壓型二重逆變電路兩個(gè)單相全橋逆變電路組成，輸出通過變壓器T1和T2串聯(lián)起來輸出波形：兩個(gè)單相的輸出u1和u2是180°矩形波二重單相逆變電路二重逆變電路的工作波形3次諧波u1和u2相位錯(cuò)開j=60°，其中3次諧波就錯(cuò)開了3*60°=180°uo波形是120°矩形波，含6k±1次諧波，3k次諧波都被抵消變壓器串聯(lián)合成后，3次諧波互相抵消，總輸出電壓中不含3次諧波多重逆變電路有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種串聯(lián)多重——把幾個(gè)逆變電路的輸出串聯(lián)起來，多用于電壓型并聯(lián)多重——把幾個(gè)逆變電路的輸出并聯(lián)起來，多用于電流型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(gè)三相橋式逆變電路構(gòu)成，輸出通過變壓器串聯(lián)合成逆變橋II的相位比逆變橋I滯后30°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