逆變電路的基本工作原理

1、第5章逆變電路主要內(nèi)容：換流方式，電壓型逆變電路，電流型逆變電路，多重逆變電路和多電平逆 變電路。重點：換流方式，電壓型逆變電路。難點：電壓型逆變電路，電流型逆變電路。基本要求：掌握換流方式，掌握電壓型逆變電路，理解電流型逆變電路，了解多重逆 變電路和多電平逆變電路。逆變概念：逆變直流電變成交流電，與整流相對應。本章無源逆變逆變電路的應用：蓄電池、干電池、太陽能電池等直流電源向交流負載供電時，需要逆變電路。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。本章僅講述逆變電路基本內(nèi)容，第6章PWM控制技術(shù)和第8章組合變流電路中，有關(guān) 逆變電路的內(nèi)容會進一步展開

2、1換流方式(1) 逆變電路的基本工作原理單相橋式逆變電路為例：S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。S1、S4閉合，S2、S3斷開 時，負載電壓U。為正Si； Si、S4斷開，S2> S3閉合時，U。為負,把直流電變成了交流電。 改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖5-1逆變電路及其波形舉例電阻負載時，負載電流1。和I】。的波形相同，相位也相同。阻感負載時，1。滯后于I】。, 波形也不同(圖5-lb) otl前：Si、S4通，l】o和lo均為正。tl時刻斷開Si、S4,合上S2、S3, 11。變負，但1。不能立刻反向。1。從電源負極流出，經(jīng)S2、負載和S3流

3、回正極，負載電感能量向電源反饋，1。逐漸減 小，t2時刻降為零，之后1。才反向并增大(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，也稱換相。開通：適當?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1、器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流(Device Conmiutation)。2、電網(wǎng)換流由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流(Lme Conmiutation)?？煽卣麟娐?、交流調(diào)

4、壓電 路和釆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。3、負載換流由負載提供換流電壓稱為負載換流(Load Commutation)。負載電流相位超前于負載電 壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流。負載為電容性負載時，負載為同步電動機時，可實現(xiàn)負載 換流。/ %(、叫b)圖5-2負載換流電路及其工作波形基本的負載換流逆變電路：釆用晶閘管，負載：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。工作過程：4個臂的切換僅使電流路徑改變，負載電流基本呈矩形波。負載工作在對基

5、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，u。波形接近正弦?？谇埃篤Ti、VT4通，VT2. VT3斷，u。、I。均為正，VT2、VT3電壓即為I】。ti時：觸發(fā)VT2、VT3使其開通，I】。加到VT4、VTi上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從VTi、 VT4 換到 VT3、VT2otl必須在U。過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成。4、強迫換流設置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱 為強迫換流(Forced Commutation)。通常利用附加電容上儲存的能量來實現(xiàn)，也稱為電容 換流。直接耦合式強迫換流由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓。VT通

6、態(tài)時，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。圖5-3直接耦合式強迫換流原理圖電感耦合式強迫換流一通過換流電路內(nèi)電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流。 兩種電感耦合式強迫換流：圖5-4a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷。圖5-4b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內(nèi)關(guān)斷。b)圖5-4電感耦合式強迫換流原理圖給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流也叫電壓換流(圖5-3) o先使晶閘管電流減 為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加反壓的換流叫電流換流(圖5-4) o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

7、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。2電壓型逆變電路電圧型逆變電路或電壓源型逆變電路,逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種: 電流型逆變電路或電流源型逆變電路。圖5-1電路的具體實現(xiàn)。0-1Oalbl圖5-5電壓型逆變電路舉例(全橋逆變電路)電壓型逆變電路的特點(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，輸出電流因負載阻抗不同而不同(3) 阻感負載時需提供無功。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) 單相電壓型逆變電路1、半橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)：見圖5-6。工作原理：Vi和V2柵極信號各半周正

8、偏、半周反偏，互補。I】。為矩形波，幅值為Um=Ud/2, io 波形隨負載而異，感性負載時，圖5-6b, Vi或V2通時，1。和I】。同方向，直流側(cè)向負載提供能量，VDi或VD2通時，1。和I】。反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋，VDi、VD?稱為反饋 二極管，還使1。連續(xù)，乂稱續(xù)流二極管。TOTOVD2 TO11 vn2 TO圖5-6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形優(yōu)點：簡單，使用器件少缺點：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，用于兒kv 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的組合。2、全橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)及工作情況：圖5-5,兩個半

9、橋電路的組合。1和4 一對，2和3另一對，成對橋臂同時導通，交替 各導通180% Uo波形同圖5-6bo半橋電路的i】。，幅值高出一倍Um=Ud。1。波形和圖5-6b中 的1。相同，幅值增加一倍，單相逆變電路中應用最多的。輸出電壓定量分析人=空生 sinE+丄sin3(isf +丄sinSdif+A I】。成傅里葉級數(shù) 恿I ?5丿(5-1)T7 = 4比-1 療基波幅值心跖1(5-2)& 一皿5基波有效值1(5-3)I】。為正負各180。時，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實現(xiàn)。移相調(diào)壓方式(圖5-7)?？刹捎靡葡喾绞秸{(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱為移相調(diào)壓。各柵極信號為180。正偏，

10、 180。反偏，且Vi和V2互補，V3和V4互補關(guān)系不變。V3的基極信號只比W落后q(0<q <180。)，V3、V4的柵極信號分別比V2、Vi的前移180°-q, I】。成為正負各為q的脈沖，改變 q即可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。0-1albl圖5-7單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式3、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，Ud和負載相同，變壓器匝比為1:1:1時，u。和1。波形及幅值 與全橋逆變電路完全相同。+o-qo-Z$VD1 ZS 寸圖5-8帶中心抽頭變壓器的逆變電路與全橋電路

11、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。必須有一個變壓器。(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。應用最廣的是三相橋式逆變電路 可看成由三個半橋逆變電路組成。180。導電方式：每橋臂導電180°,同一相上下兩臂交替導電，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。波形分析:圖5-9三相電壓型橋式逆變電路a)b)c)4)亡)5)h)01L%0wr圖5J0電壓型三相橋式逆變電路的工作波形負載各相到電源中點N'的電壓：U相，1通，uuN

12、=Ud/2, 4通，uuN,=-Ud/2o+ uw)_ 1, yuuir +1Jw + %or(5-4)(5-5)(5-6)負載三相對稱時有uun+uvn+uWN=O，于是+ %or(5-7)利用式(5-5)和(5-7)可繪出Uun、UVN> UVN波形。負載己知時,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，因此逆變器從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個特點。定量分析：3、輸出線電壓UUV展開成傅里葉級數(shù)=2船耳 sin趙一丄sin5皿一 ism

13、7( + sinl lc2i + sinl3(z8f-A571113sin 皿 + £丄(一廳 sinned式中，« = 6±1 , k為自然數(shù)輸出線電壓有效值仏甘3叫基波幅值2警5基波有效值0.78(5-8)(5-9)(5-10)(5-11)b、負載相電壓UUN展開成傅里葉級數(shù)得:負載線電壓uui7 = umr umrUyw = yw uinr 負載相電壓衣啊=”3 一"財.負載中點和電源中點間電壓畑=乎宙2久111 1 、 c+-sin5c+-sin7 + sinllof + sin 13 + A571113)sinW+Z 丄 sinxM負載相電壓有

14、效值%基波有效值借“切(5-13)(5-14)(5-15)式中，« = 6Jc±L , k為自然數(shù)防止同一相上下兩橋臂開關(guān)器件直通，采取“先斷后通的方法。3電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路一電流型逆變電路。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。實例之一：圖5-11電流型三相橋式逆變電路。交流側(cè)電容用于吸收換流時負載電感中 存貯的能量。vt3卜VD巫 VD3VT嚴噸ZuVT4 V vt&'Z 叫、2圖5-11電流型三相橋式逆變電路 電流型逆變電路主要特點：(1)直流側(cè)串大電感，相當于電流源。(2) 交流輸出電流為矩形波，輸出電壓

15、波形和相位因負載不同而不同。(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，釆用半控型器件的電路仍應用較多。換流方式有負載換流、強迫 換流。(1)單相電流型逆變電路圖5-12單相橋式電流型(并聯(lián)諧振式)逆變電路4橋臂，每橋臂晶閘管各串一個電抗器Lt限制晶閘管開通時的di/dto 1、4和2、3以 10002500Hz的中頻輪流導通，可得到中頻交流電。采用負載換相方式，要求負載電流超 前于電壓。負載一般是電磁感應線圈，加熱線圈內(nèi)的鋼料，RL串聯(lián)為其等效電路。因功率因數(shù)很 低，故并聯(lián)C。C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。輸出電流波形接

16、近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。因基波頻 率接近負載電路諧振頻率，故負載對基波呈高阻抗，對諧波呈低阻抗，諧波在負載上產(chǎn)生 的壓降很小，因此負載電壓波形接近正弦波。工作波形分析：一周期內(nèi)，兩個穩(wěn)定導通階段和兩個換流階段。ti-t2： VTi和VT4穩(wěn)定導通階段，i°=Id，t2時刻前在C上建立了左正右負的電壓。t2-t4： t2時觸發(fā)VT2和VT3開通，進入換流階段。Lt使VTi、VT4不能立刻關(guān)斷，電流 有一個減小過程。VT?、VT3電流有一個增大過程。4個晶閘管全部導通，負載電壓經(jīng)兩個 并聯(lián)的放電回路同時放電。匕時刻后，LTi、VTi、VT3、LT3到C；另一個

17、經(jīng)LT2、VT2. VT4、LT4到C° t=t4時，VTi> VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4-t2= tg稱為換流 時間。io在t3時刻,即ivTl=ivT2時刻過零，t3時刻大體位于t2和t4的中點。保證晶閘管的可靠關(guān)斷(圖5-13):晶閘管需一段時間才能恢復正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓 時間tp, tp= t5- t4應大于晶閘管的關(guān)斷時間tq。為保證可靠換流應在11。過零前td= t5- t2時刻 觸發(fā) VT2> VT30(5-17)(5-18)1。超前于I】。的時間為=表示為電角度卩4廠町23為電路工作角頻率；Y、卩分別是

18、tv> tp對應的電角度）圖5J3并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形基波電流有效值(5-20)數(shù)量分析：忽略換流過程，1?？山瞥删匦尾ǎ归_成傅里葉級數(shù)(5-19)色丄| sinE+ -sin3dj?+-sin5lu?4-A 丐J35負載電壓有效值U。和直流電壓Ud的關(guān)系（忽略Ld的損耗，忽略晶閘管壓降）(5-21)2 J2 cospcos#實際工作過程中，感應線圈參數(shù)隨時間變化，必須使工作頻率適應負載的變化而自動 調(diào)整，這種控制方式稱為自勵方式。固定工作頻率的控制方式稱為他勵方式。自勵方式存在起動問題，解決方法：一是先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵方式。另一種方法是附加預充電起動 電路

19、。（2）三相電流型逆變電路電流型三相橋式逆變電路（圖5-11,釆用全控型器件）?；竟ぷ鞣绞绞?20。導電方式每個臂一周期內(nèi)導電120%每時刻上下橋臂組各有 一個臂導通，橫向換流。波形分析：輸出電流波形和負載性質(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。輸出線電壓波形和負載性質(zhì) 有關(guān)，大體為正弦波。輸出交流電流的基波有效值J =(5-22)串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路如圖5-15所示。這種電路因各橋臂的晶閘管和二極管串 聯(lián)使用而得名，主要用于中大功率交流電動機調(diào)速系統(tǒng)。電流型三相橋式逆變電路：電路仍為前述的120。導電工作方式

20、，輸出波形和圖5-14 的波形大體相同。各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用，各橋臂之間換流采用強迫換流方式, 連接于各臂之間的電容CiC6即為換流電容。換流過程分析（圖5-16）電容器充電規(guī)律：圖514電流型三相橋式逆變電路的輸出波形L+ qVPZ % vd3vt47 vt67 vt27cy圖5-15串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路對共陽極晶閘管，與導通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負。不與導通晶閘管相 連的電容器電壓為零。共陰極晶閘管與共陽極晶閘管情況類似，只是電容器電壓極性相反。等效換流電容：例如分析從VT1向VT3換流時，C13就是C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián) 的等效電容。設CiC6的電容量均為

21、C,則Cb = 3C/2o從VTi向VT3換流的過程：換流前VTi和VT2通，Ch電壓Uco左正右負。換流過程可分為恒流放電和二極管換流 兩個階段。圖5-16換流過程各階段的電流路徑a、恒流放電階段口時刻觸發(fā)VT3導通，VTi被施以反壓而關(guān)斷。Id從VTi換到VT3, C13通過VDi、U 相負載、W相負載、VD?、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，VTi承受反壓，反壓時間大于巾就能保證關(guān)斷。b、二極管換流階段t2時刻UC13降到零，之后03反向充電。忽略負載電阻壓降，則二極管VD3導通，電流 為iv, VDi電流為iu=Id-iv, VDi和VD3同時通，進入二極管換流階段。隨著S電壓增高,充電電流漸小，W漸大，匕時刻iu減到零，VDi承受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段 結(jié)束。t3以后，VT2、VT3穩(wěn)定導通階段波形分析：電感負載時，UC13、iu、iv及 Uci、UC3、 波形如圖5-17所示。圖中給出了各換流電 容電圧Uci、UC3和11C5的波形。11C1的波形 和UC13完全相同，在換流過程中，從Uco 降為一Uco, C3和C5是串聯(lián)后再和Cl并 聯(lián)的，電壓變化的幅度是C1的一