第四章_電力電子技術—逆變電路

1、l4.1換流方式換流方式l4.2電壓型逆變電路電壓型逆變電路l4.3電流型逆變電路電流型逆變電路l4.4多重逆變電路和多電平逆變電路多重逆變電路和多電平逆變電路l 逆變概念逆變概念與整流相對應，直流電變成交流電與整流相對應，直流電變成交流電交流側接電網，為交流側接電網，為有源逆變有源逆變交流側接負載，為交流側接負載，為無源逆變無源逆變l 逆變與變頻逆變與變頻變頻電路：變頻電路：交交變頻和交直交變頻交交變頻和交直交變頻交直交變頻交直交變頻:交直變換交直變換(整流整流)和直交變換和直交變換(逆變逆變)兩部分兩部分l 逆變電路的主要應用逆變電路的主要應用各種直流電源向交流供電，如蓄電池、干電池、太陽

2、能電池各種直流電源向交流供電，如蓄電池、干電池、太陽能電池交流電機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等核心交流電機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等核心部分部分l 換流換流變流電路在工作中不斷變流電路在工作中不斷從一個支路從一個支路向向另一個另一個支路的轉移支路的轉移掌握1. 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理l 以單相橋式逆變電路為例以單相橋式逆變電路為例S1S4是橋式電路的是橋式電路的4個臂個臂最基本的工作原理最基本的工作原理 改變兩組開改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻關切換頻率，可改變輸出交流電頻率率電阻負載時電阻負載時，io和和uo的的波形相同波形相同，相位

3、也相同相位也相同阻感負載時阻感負載時，io相位相位滯后滯后于于uo，波波形也不同形也不同tuoiot1t2負載S1S2S3S4iouoUd阻感負載阻感負載掌握1. 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理l S1、S4閉合，閉合，S2、S3斷開時，負載電壓斷開時，負載電壓uo為正為正l S1、S4斷開，斷開，S2、S3閉合時，負載電壓閉合時，負載電壓uo為負為負掌握1. 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理l 換流過程換流過程t1時刻前，時刻前，S1、S4導通，導通， uo和和io為正為正t1時刻斷開時刻斷開S1、S4，合上，合上S2、S3 ， uo立刻變負。但立刻變負。但電感使電

4、感使io極性不能突極性不能突變而維持原方向變而維持原方向，即由負極經，即由負極經S2、S3流回正極，電感釋放能量，流回正極，電感釋放能量，io逐漸減逐漸減小，到小，到t2時刻為零并反向增大時刻為零并反向增大tuoiot1t2掌握2. 換流方式分類換流方式分類l換流方式主要是如何使器件關斷換流方式主要是如何使器件關斷l(xiāng) 換流方式換流方式器件換流器件換流利用利用全控型器件全控型器件的的自關斷能力自關斷能力進行換進行換流，如流，如IGBT 、電力、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控等全控型器件的換流型器件的換流電網換流電網換流電網提供換流電壓電網提供換流電壓的換流方式，即將的換流方式，即將負

5、的電網電壓施加在欲關斷的負的電網電壓施加在欲關斷的VT上即可使其關斷。上即可使其關斷。不需要器件具有門極可關斷能力，不適用于沒有交不需要器件具有門極可關斷能力，不適用于沒有交流電網的無源逆變電路，更多用于整流和有源逆變流電網的無源逆變電路，更多用于整流和有源逆變掌握2. 換流方式分類換流方式分類負載換流：負載換流：由由負載提供換流電壓負載提供換流電壓的換的換流方式流方式 適用于適用于負載電流相位超前負載電流相位超前于電壓的場于電壓的場合，如電容性負載和同步電動機合，如電容性負載和同步電動機 負載換流逆變電路：負載換流逆變電路：4個個VT構成橋臂；構成橋臂；負載為阻感和電容并聯；工作在接近并聯諧

6、負載為阻感和電容并聯；工作在接近并聯諧振狀態(tài)而振狀態(tài)而略呈容性略呈容性；直流側串大電感，；直流側串大電感，id基基本沒有脈動，即本沒有脈動，即io為矩形波為矩形波 負載對基波阻抗大而對諧波阻抗小，所負載對基波阻抗大而對諧波阻抗小，所以以uo接近正弦波接近正弦波 t1時刻觸發(fā)時刻觸發(fā)VT2、VT3導通，導通，uo加到加到VT1、VT4上使其關斷。為使換流順利完成，上使其關斷。為使換流順利完成，t1時時刻前，刻前，uo過零前需有足夠裕量。過零前需有足夠裕量。 t t t tOOOOiit1uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4了解無裕量時，極性與所標示的極性相反，V

7、T1、VT4，不能關斷。+-2. 換流方式分類換流方式分類強迫換流：強迫換流：設置附加設置附加的的換流電路換流電路，給，給欲關斷的欲關斷的VT強迫施加強迫施加反壓反壓或或反電流反電流的的換流方式。通常利用換流方式。通常利用附加電容所儲存能附加電容所儲存能量量來實現，則也稱為來實現，則也稱為電容換流（電電容換流（電 分類：分類：直接耦合式直接耦合式強迫換流和強迫換流和電感電感耦合式耦合式強迫換流強迫換流直接耦合式直接耦合式強迫換流：由換流電路內電強迫換流：由換流電路內電容直接提供換流電壓容直接提供換流電壓 當當VT導通時，預先給電容充電，合導通時，預先給電容充電，合上上S，可使，可使VT被施加反

8、壓而關斷被施加反壓而關斷直接耦合式強迫換流直接耦合式強迫換流了解2. 換流方式分類換流方式分類 電感耦合式電感耦合式強迫換流：通過換流電路內電容和電感的強迫換流：通過換流電路內電容和電感的耦耦合來提供合來提供換流電壓或換流電流。換流電壓或換流電流。電感耦合式強迫換流電感耦合式強迫換流 VT在在LC振蕩振蕩第一個半周期第一個半周期內關斷。即接通內關斷。即接通S，LC電流反向電流反向流過流過VT，與，與原負載電流相減直原負載電流相減直到到VT正向合成電流至正向合成電流至0，再通過，再通過VD續(xù)流續(xù)流 VT在在LC振蕩振蕩第二個半周期第二個半周期內關斷。即接通內關斷。即接通S，LC電流正向電流正向流

9、過流過VT，與原負載電流疊加，與原負載電流疊加經經過半個振蕩周期過半個振蕩周期，反向流過，反向流過VT，直到直到VT合成正向電流減至合成正向電流減至0，再，再通過通過VD 兩種情況都是兩種情況都是VT正向電流減至正向電流減至0，且，且VD開始流過電流時關斷開始流過電流時關斷，VD的管壓降就是加在的管壓降就是加在VT上的反向電壓，如上的反向電壓，如電感耦合式強迫換流。電感耦合式強迫換流。過目2. 換流方式分類換流方式分類l 換流方式總結換流方式總結器件換流器件換流只適用于只適用于全控型器件全控型器件，其余三種方式主要是，其余三種方式主要是針針對對VT而言而言器件換流和強迫換流屬于器件換流和強迫換

10、流屬于自換流自換流，電網換流和負載換流，電網換流和負載換流屬于屬于外部換流外部換流熄滅熄滅當電流不是從一個支路向另一個支路轉移，而當電流不是從一個支路向另一個支路轉移，而是在是在支路內部終止流通而變?yōu)榱阒穬炔拷K止流通而變?yōu)榱阏莆针妷盒湍孀冸娐冯妷盒湍孀冸娐酚址Q為電壓源型逆變又稱為電壓源型逆變電路電路直流側是電壓源直流側是電壓源電流型逆變電路電流型逆變電路又稱為電流源型逆變又稱為電流源型逆變電路電路直流側是電流源直流側是電流源l 電壓型逆變電壓型逆變電路特點電路特點直流側為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動直流側為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動由于直流電壓源的鉗位作用，由于直流

11、電壓源的鉗位作用，輸出電壓為矩形波輸出電壓為矩形波，輸出，輸出電流因負載阻抗不同而不同電流因負載阻抗不同而不同阻感負載時需提供無功功率，為了給交流側向直流側反阻感負載時需提供無功功率，為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯反饋二極管饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯反饋二極管了解l 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路l 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路1. 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路半橋逆變電路半橋逆變電路l 電路結構電路結構由兩個橋臂組成，由兩個橋臂組成，每個橋臂為一個可每個橋臂為一個可控器件和一個反并聯控器件和一個反并聯VD直流側有兩個串聯的大電容，兩

12、個電直流側有兩個串聯的大電容，兩個電容的容的聯結點聯結點為直流電源的為直流電源的中點中點阻感負載聯接在直流電源中點和兩個阻感負載聯接在直流電源中點和兩個橋臂聯結點之間橋臂聯結點之間l 工作原理工作原理V1和和V2柵極信號在一個周期內各半周柵極信號在一個周期內各半周正偏，半周反偏，二者互補正偏，半周反偏，二者互補輸出電壓輸出電壓uo為矩形波，其幅值為為矩形波，其幅值為Um=Ud/2ttOOONoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2u掌握1. 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路半橋逆變電路半橋逆變電路l 工作原理工作原理t2時刻前，時刻前，V1為通態(tài)

13、，為通態(tài)，V2為斷態(tài)為斷態(tài)t2時刻給時刻給V1關斷信號，給關斷信號，給V2開通信號，開通信號，V1關斷，但關斷，但感性負載中的電流感性負載中的電流io不能不能立即改變方向，立即改變方向，VD2續(xù)流續(xù)流t3時刻時刻io降零時，降零時，VD2截止，截止，V2開通，開通，io開始反向開始反向導通與續(xù)流導通與續(xù)流 V1或或V2通時，通時，io和和uo同向，直流側向同向，直流側向負載提供能量負載提供能量 VD1或或VD2通時，通時，io和和uo反向，反向，L中貯能中貯能向直流側反饋向直流側反饋。VD1、VD2稱為稱為反饋二極管反饋二極管(又使又使io連續(xù)，又稱續(xù)流二極管連續(xù)，又稱續(xù)流二極管)ttOOON

14、oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2u掌握1. 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路半橋逆變電路半橋逆變電路l 注意注意V1、V2不能同時導通不能同時導通l 優(yōu)點優(yōu)點電路簡單，使用器件少電路簡單，使用器件少l 缺點缺點輸出交流電壓幅值為輸出交流電壓幅值為Ud/2，直流側需兩電容器串聯，直流側需兩電容器串聯，要控制兩者電壓均衡要控制兩者電壓均衡l 應用應用用于幾用于幾kW以下的小功率逆變電源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半橋逆變電路單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合的組合了解1. 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆

15、變電路全橋逆變電路全橋逆變電路l 電路結構、原理及特點電路結構、原理及特點由四個橋臂構成，等價于兩個半橋由四個橋臂構成，等價于兩個半橋電路組合電路組合兩對橋臂交替導通兩對橋臂交替導通180輸出輸出為正負為正負180uo和和io波形與半橋電路形狀相同，但幅值加倍波形與半橋電路形狀相同，但幅值加倍半橋電路導通和續(xù)流區(qū)間與全橋對應，無功能量交換原理相同半橋電路導通和續(xù)流區(qū)間與全橋對應，無功能量交換原理相同uo為為180o脈沖，改變輸出交流電壓有效值只能靠改變脈沖，改變輸出交流電壓有效值只能靠改變Ud實現實現輸出矩形波電壓輸出矩形波電壓uo傅里葉級數傅里葉級數do1343155sin tsintUus

16、intddo1m27.14UUUdd1o9 . 022UUU基波幅值基波幅值Uo1m基波有效值基波有效值Uo11. 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路全橋逆變電路全橋逆變電路l 移相調壓移相調壓阻感負載時，還可阻感負載時，還可采用移相方式來采用移相方式來調節(jié)輸出電壓調節(jié)輸出電壓，即調節(jié)輸出電壓脈，即調節(jié)輸出電壓脈沖寬度沖寬度V1和和V2、V3和和V4柵極信號互補，柵極信號互補，V3比比V1落后落后 (0 180o)，V3、V4柵極信柵極信號分別比號分別比V2、V1前移前移180o- （同一對橋（同一對橋臂不再同步）臂不再同步）。輸出電壓輸出電壓uo不再是正負不再是正負各各180o的的脈沖，而

17、是正負各為脈沖，而是正負各為 的脈沖的脈沖工作過程工作過程 t1時刻前時刻前V1和和V4導通，導通， uo=Ud t1時刻時刻V4截止，截止，L中的中的io不能突變，不能突變，V3不能立刻導通，不能立刻導通，VD3導通續(xù)流導通續(xù)流， V1和和VD3導通，導通，uo=0了解1. 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路全橋逆變電路全橋逆變電路工作過程工作過程 t2時刻時刻V1截止，而截止，而V2不能立刻導通，不能立刻導通，VD2導通續(xù)流導通續(xù)流，和，和VD3構成電流通道構成電流通道，uo=-Ud io過零并開始反向，過零并開始反向，VD2和和VD3截截止止，V2和和V3開始導通，開始導通，uo仍為仍

18、為-Ud t3時刻時刻V3截止，而截止，而V4不能立刻導通，不能立刻導通，VD4導通續(xù)流，導通續(xù)流， V2和和VD4導通，又導通，又uo=0改變改變 就可調節(jié)輸出電壓就可調節(jié)輸出電壓了解2. 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路l 電路結構電路結構由由三個單相逆變電路組合三個單相逆變電路組合三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路 基本工作方式是基本工作方式是180o導電導電 同一相上下同一相上下兩臂兩臂交替交替導電導電，各相開始導電的角度，各相開始導電的角度差差 120o，任一瞬間有，任一瞬間有三個橋臂同時導通三個橋臂同時導通 每次換流都在同一相每次換流都在同一相上下兩臂之間進行上下兩臂之間進行，也

19、稱為，也稱為縱縱向換流向換流掌握2. 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路l 工作波形工作波形 對于對于U相，當橋臂相，當橋臂1導通，導通，uUN=Ud/2，當橋臂，當橋臂4導通，導通，uUN=-Ud/2，uUN 是幅值為是幅值為Ud/2矩形波，矩形波，V、W和和U類似類似 負載線電壓負載線電壓 負載相電壓負載相電壓tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuuNN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu假想中點掌握 120o

20、 180o 180o 180o 120o（4-4）（4-5）2. 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路l 工作波形工作波形 中點間電壓中點間電壓 三相對稱負載，則三相對稱負載，則)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu)(31 WN VN UNNNuuuuuNN為矩形波，頻率為為矩形波，頻率為uUN的的3倍，倍，幅值為其幅值為其1/3，即，即Ud/6根據式（根據式（4-5）求出）求出uUN的波形、的波形、uUN、uVN、uWN波形相同，相位依次差波形相同，相位依次差120o負載參數已知時，可由負載參數已知時，可由uUN波形求出波形求出iU波形波形tOtOtOtOtOt

21、OtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud33/阻感負載阻感負載了解（4-6）（4-7）=02. 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路l 工作原理工作原理一相上下兩橋臂間的一相上下兩橋臂間的換流過程和半換流過程和半橋電路相似橋電路相似，如，如V1、V4 V1由通到斷，由通到斷，VD4續(xù)流，待負續(xù)流，待負載電流反向，載電流反向，V4導通，導通，VD4導通時導通時間取決于間取決于 大小大小 iU上升段，橋臂上升段，橋臂1導電：導電：iU0,V1導通導通 iU下降段，橋臂下降段，橋臂4導電：導電：iU0,VD4導通；導通；iU

22、0，則，則VD3仍承受反壓不能導通，直到仍承受反壓不能導通，直到uC13=eVU后，后，VD3才承受正壓導通，進入才承受正壓導通，進入VD3和和VD1同時導通的同時導通的VD換流階段換流階段- - +UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id- - +UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV了解2. 三相電流型逆變電三相電流型逆變電路路串聯二極管式晶串聯二極管式晶閘管電路閘管電路l 工作波形工作波形uC1波形和波形和uC13完全相同完全相同C3、C5串聯使得充放電電流和電壓串聯使得充放電電流和電壓變換均為變換均為C13一半，一半，uC3從從0變到變到-UC0，uC5從從UC0變到變到0，這些電壓符合相隔這些電壓符合相隔120o后從后從VT3到到VT5換流要求，為下次換流做準備換流要求，為下次換流做準備ttOuOiUCOuC13uC5uC3- -UCOIdiUiVt1t2t3了解2. 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路串串聯二極管式晶閘管電路聯二極管式晶閘管電路l 實例實例負載為同步電動機負載為同步電動機無換向器電動機：工作特性和調速方無換向器電動機：工作特性和調速方