第四章逆變電路

1、第四章第四章 逆變電路逆變電路逆變逆變與整流相對應，直流電變成交流電與整流相對應，直流電變成交流電l 交流側接電網(wǎng)，為有源逆變交流側接電網(wǎng)，為有源逆變l 交流側接負載，為無源逆變交流側接負載，為無源逆變 本章講述本章講述無源逆變無源逆變 4.1 換流方式換流方式v 4.2 電壓型逆變電路（單相，三相）電壓型逆變電路（單相，三相） 4.3 電流型逆變電路電流型逆變電路 重在電路結構，工作原理重在電路結構，工作原理學習內容：學習內容：4.1.1 4.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理4.1 4.1 換流方式換流方式 S1-S4S1-S4是橋式電路的是橋式電路的4 4個臂，由電力電

2、子器件個臂，由電力電子器件及輔助電路組成及輔助電路組成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S1、S4斷開，斷開，S2、S3閉合時，閉合時，負載電壓負載電壓uo為負為負直流直流交流交流4.1.1 4.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率電阻負載時，負載電流電阻負載時，負載電流i io o和和u uo o的波形相同，相位的波形相同，相位 相同相同. .阻感負載時，阻感負載時，i io o相位滯后于相位滯后于u uo o，波形也不同，波形也不同. .t t1 1

3、前：前：S S1 1、S S4 4通，通，u uo o和和i io o 均為正均為正t t1 1時刻斷開時刻斷開S S1 1、S S4 4，合上，合上S S2 2、S S3 3，u uo o變負，但變負，但i io o不能立刻不能立刻反向反向 i io o從電源負極流出，經從電源負極流出，經S S2 2、負載和、負載和S S3 3流回正極，負載電流回正極，負載電感能量向電源反饋，感能量向電源反饋，i io o逐漸減小，逐漸減小，t t2 2時刻降為零，之后時刻降為零，之后i io o才反向并增大才反向并增大過程分析：過程分析：4.1.1 4.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理

4、電流從一條支路轉移到另一條支路稱為電流從一條支路轉移到另一條支路稱為換流。換流。器件換流（器件換流（IGBT,GTO,GTR,BJT,MOSFET)IGBT,GTO,GTR,BJT,MOSFET)電網(wǎng)換流電網(wǎng)換流負載換流（負載滿足的條件？）負載換流（負載滿足的條件？）強迫換流（直接耦合式，電感耦合式）強迫換流（直接耦合式，電感耦合式）4.1.2 4.1.2 換流的基本方式換流的基本方式 l采用晶閘管采用晶閘管. .l負載：電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作負載：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)而略呈容性在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性. .l為改善負載功率因數(shù)使其略呈容性為改善負載

5、功率因數(shù)使其略呈容性, ,而接入的而接入的直流側串入大電感直流側串入大電感L Ld d,i,id d基本沒有脈動基本沒有脈動. .負載換流逆變電路負載換流逆變電路 工作過程工作過程:l4個臂的切換僅使電流路徑改變，負載電流個臂的切換僅使電流路徑改變，負載電流 基本呈矩形波基本呈矩形波l負載工作在對基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，負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，對基波阻抗很大，對諧波阻抗很小，uo波形接波形接近正弦近正弦lt1前：前：VT1、VT4通，通，VT2、VT3斷，斷，uo、io均均為正，為正，VT2、VT3電壓即為電壓即為uolt1時：觸發(fā)時：觸發(fā)V

6、T2、VT3使其開通，使其開通，uo加到加到VT4、VT1上使其承受反壓而關斷，電流從上使其承受反壓而關斷，電流從VT1、VT4換到換到VT3、VT2lt1必須在必須在uo過零前并留有足夠裕量，才能使換過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成流順利完成強迫換流逆變電路強迫換流逆變電路-(電容換流）電容換流）直接耦合式強迫換流直接耦合式強迫換流 （電壓換流）（電壓換流）電感耦合式強迫換流電感耦合式強迫換流 （電流換流（電流換流)4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路4.2.14.2.1單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路（1 1） 半橋逆變電路半橋逆變電路* *導電方式：導電方式：V1V1，V2V

7、2信號互補，各導通信號互補，各導通180180工作原理：工作原理：（1 1）t t1 1t t2 2 電源電壓經電源電壓經V1V1對負載供電，電流對負載供電，電流指數(shù)規(guī)律上升。負載電壓為指數(shù)規(guī)律上升。負載電壓為1/2u1/2ud.d.（2 2）t t2 2t t3 3 電感經電感經VDVD2 2續(xù)流，電流指數(shù)規(guī)律下續(xù)流，電流指數(shù)規(guī)律下降。負載電壓為降。負載電壓為-1/2u-1/2ud.d. （3 3） t t3 3t t4 4 電源經電源經V2V2對負載供電，電流指對負載供電，電流指數(shù)規(guī)律反向上升。負載電壓為數(shù)規(guī)律反向上升。負載電壓為-1/2u-1/2ud.d.（4 4） t t4 4t t5

8、 5 電感經電感經VDVD1 1續(xù)流，電流指數(shù)規(guī)續(xù)流，電流指數(shù)規(guī)律反向下降，負載電壓為律反向下降，負載電壓為1/2u1/2ud.d.因為是阻感負載，成感性，電流滯后電因為是阻感負載，成感性，電流滯后電壓，滯后角壓，滯后角=arctanL=arctanL/R./R.單向半橋電壓逆變電路優(yōu)缺點總結：單向半橋電壓逆變電路優(yōu)缺點總結：優(yōu)點：所用器件少。優(yōu)點：所用器件少。缺點：缺點：u u0 0幅值小，只有電源電壓的一半，并且幅值小，只有電源電壓的一半，并且輸入端接兩個電容，還需保證輸入端接兩個電容，還需保證 C1=C2,C1=C2,不能精確不能精確滿足。滿足。思考：電路中的二極管主要起什么作用？思考：

9、電路中的二極管主要起什么作用？答：當負載為感性或阻感性時，二極管為負載答：當負載為感性或阻感性時，二極管為負載向直流電源反饋能量提供通道（即續(xù)流過程），向直流電源反饋能量提供通道（即續(xù)流過程），故這些二極管被稱之為反饋二極管。故這些二極管被稱之為反饋二極管。為了解決這一矛盾，在單向半橋的基礎上提出為了解決這一矛盾，在單向半橋的基礎上提出了單向全橋電壓型逆變電路。了單向全橋電壓型逆變電路。單相半橋一般應用在小功率電路中。單相半橋一般應用在小功率電路中。4.2 4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路4.2.14.2.1單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路（2 2） 全橋逆變電路全橋逆變電路由四個臂構

10、成，輸由四個臂構成，輸入端并有一個電容。入端并有一個電容。負載接在上下兩組負載接在上下兩組臂之間。臂之間。* *導電方式一：導電方式一：V1,V4V1,V4同時通斷同時通斷V2,V3V2,V3同時通斷同時通斷V1,V4V1,V4與與V2,V3V2,V3信信號互補，各導電號互補，各導電180180工作原理：與單向半橋工作原理：與單向半橋電路工作原理相同，只電路工作原理相同，只不過全橋中是兩個臂同不過全橋中是兩個臂同時工作，半橋中一個臂時工作，半橋中一個臂單獨工作。全橋輸出電單獨工作。全橋輸出電壓，電流波形與半橋完壓，電流波形與半橋完全一樣，但幅值均為半全一樣，但幅值均為半橋的兩倍。橋的兩倍。*思

11、考思考1：在全橋中，：在全橋中，續(xù)流過程如何完成？續(xù)流過程如何完成？ VD2,VD3同時續(xù)流。同時續(xù)流。 VD1,VD4同時續(xù)流。同時續(xù)流。思考思考2：在導電方式一下工作，如果要改變輸出電：在導電方式一下工作，如果要改變輸出電壓的有效值（即幅值），應該采取什么樣的方式？壓的有效值（即幅值），應該采取什么樣的方式？只能靠改變輸入直只能靠改變輸入直流電壓的大小來改變流電壓的大小來改變輸出電壓的有效值。輸出電壓的有效值?？梢酝ㄟ^整流電路，可以通過整流電路，斬波電路來實現(xiàn)。斬波電路來實現(xiàn)。若不采用整流和斬若不采用整流和斬波，能否直接進行波，能否直接進行調制呢？為此提出調制呢？為此提出了導電方式二：了導

12、電方式二： 移相導電方式。移相導電方式。導電方式二（移相導電）：導電方式二（移相導電）：V1,V2信號互補；信號互補；V3,V4信號互補；信號互補；V3信號比信號比V1信號落后信號落后（ 0180） 所謂移相：即改變所謂移相：即改變的大小。的大小。 單相全橋電壓型逆變電路特性總結：單相全橋電壓型逆變電路特性總結：（1）全橋逆變是單相中應用最廣泛的逆變電路。）全橋逆變是單相中應用最廣泛的逆變電路。（2）全橋逆變輸出電壓的幅值即為電源電壓，）全橋逆變輸出電壓的幅值即為電源電壓，比半橋增長一倍，一般應用在較大功率的場合。比半橋增長一倍，一般應用在較大功率的場合。（3）在移相導電方式下，通過改變移相導

13、電方）在移相導電方式下，通過改變移相導電方式中的式中的角，可改變輸出電壓的有效值。角，可改變輸出電壓的有效值。4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路4.2.1單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路（3 3） 推挽式推挽式- -帶中心抽頭變壓器帶中心抽頭變壓器變壓器的變比為變壓器的變比為1 1：1 1：1 1，負載相，負載相同時，其輸出波形同時，其輸出波形和全橋逆變一樣。和全橋逆變一樣。應用在輸入與輸應用在輸入與輸出需要隔離的場合。出需要隔離的場合。4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路4.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路l三相電壓型逆變電路可看成由三個半橋逆變電路三相電壓型逆變電路可看成

14、由三個半橋逆變電路組成。組成。l其負載可以是三角形或星形，這里我們以星形負其負載可以是三角形或星形，這里我們以星形負載為例進行介紹。載為例進行介紹。 180 180導電方式導電方式 （1 1）每橋臂導電）每橋臂導電180180，同一相上下兩臂交替導電，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度相差各相開始導電的角度相差120 120 （2 2）任一瞬間有三個橋臂同時導通）任一瞬間有三個橋臂同時導通（3 3）每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也）每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為稱為縱向換流縱向換流工作原理：以輸出電壓波形為主（包括工作原理：以輸出電壓波形為主（包括 輸出輸出線電壓

15、，輸出相電壓）線電壓，輸出相電壓）三相逆變輸出波形三相逆變輸出波形三相橋電壓型逆變電路總結：三相橋電壓型逆變電路總結：（1）輸出線電壓是矩形波，相電壓是階梯波。）輸出線電壓是矩形波，相電壓是階梯波。（2）各相輸出電壓在相位上相差）各相輸出電壓在相位上相差1200，電流波形根，電流波形根據(jù)負載情況的不同而不同。據(jù)負載情況的不同而不同。（3）在導電上，為防止同一相的兩個器件同時開通）在導電上，為防止同一相的兩個器件同時開通而導致電源短路，應遵循而導致電源短路，應遵循“先斷后通先斷后通”的原則，即的原則，即要關斷的器件在徹底關斷之后再給需開通的器件開要關斷的器件在徹底關斷之后再給需開通的器件開通信號

16、，因此，要留一定的時間裕量。（實際在單通信號，因此，要留一定的時間裕量。（實際在單相中也應如此）相中也應如此）（4）三相橋電壓型逆變電路應用在大功率場合。）三相橋電壓型逆變電路應用在大功率場合。 電壓型逆變電路總結電壓型逆變電路總結通過對單相，三相電壓逆變電路的學習，對于電壓通過對單相，三相電壓逆變電路的學習，對于電壓型逆變電路特性可歸納如下：型逆變電路特性可歸納如下：（1）直流側并有電容，相當于一個電壓源，提）直流側并有電容，相當于一個電壓源，提供恒定的輸入電壓，直流電壓基本無脈動。供恒定的輸入電壓，直流電壓基本無脈動。（2）輸出電壓波形均為矩形波，與負載無關，）輸出電壓波形均為矩形波，與負

17、載無關，而電流波形和相位因負載阻抗角不同而不同。而電流波形和相位因負載阻抗角不同而不同。（矩形波，或近似為正弦波）（矩形波，或近似為正弦波）（3）負載為感性時，需要提供無功功率，直流）負載為感性時，需要提供無功功率，直流側電容起到緩沖無功能量的作用，為了給交流側側電容起到緩沖無功能量的作用，為了給交流側向直流側反饋能量提供通道，各臂都要并聯(lián)一個向直流側反饋能量提供通道，各臂都要并聯(lián)一個反饋二極管。反饋二極管。（4）直流側向交流側傳送的功率是脈動的（輸）直流側向交流側傳送的功率是脈動的（輸出電壓無脈動，但電流有脈動），且其脈動與負出電壓無脈動，但電流有脈動），且其脈動與負載電流脈動一致。載電流脈

18、動一致。（5）一般在負載端會接上濾波器，濾去電壓波形）一般在負載端會接上濾波器，濾去電壓波形中的諧波分量，保留基波分量，使輸出電壓的波中的諧波分量，保留基波分量，使輸出電壓的波形接近標準的正弦波。形接近標準的正弦波。4.3 電流型逆變電路電流型逆變電路*電流型逆變電流型逆變直流側輸入電源為電流源直流側輸入電源為電流源電流型逆變電路的特性：電流型逆變電路的特性：（1）直流側串大電感，相當于電流源。直流側）直流側串大電感，相當于電流源。直流側電流基本無脈動。電流基本無脈動。（2）因為是恒流，輸出電流波形是矩形波，輸）因為是恒流，輸出電流波形是矩形波，輸出電壓波形與負載有關系。出電壓波形與負載有關系

19、。（3）電路中不必加反饋二極管。（為什么？）電路中不必加反饋二極管。（為什么？）（4）電感起到緩沖無功能量的作用。）電感起到緩沖無功能量的作用。 4.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路（1）電路結構）電路結構 4個橋臂，每橋臂晶閘管各串聯(lián)一個電抗器個橋臂，每橋臂晶閘管各串聯(lián)一個電抗器LT，用來限制晶閘管開通時的用來限制晶閘管開通時的di/dt采用負載換相方式，要求負載電流略超前于負采用負載換相方式，要求負載電流略超前于負載電壓（呈容性）。載電壓（呈容性）。C和和L、R構成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并構成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振式逆變電路（但最終負載仍略顯容性，準聯(lián)諧振式逆變

20、電路（但最終負載仍略顯容性，準確應稱之為容性小失諧負載）確應稱之為容性小失諧負載）并聯(lián)諧振回路對基波呈高阻抗，對諧波呈低并聯(lián)諧振回路對基波呈高阻抗，對諧波呈低阻抗，諧波在負載上產生的壓降很小，因此負阻抗，諧波在負載上產生的壓降很小，因此負載電壓波形接近正弦波。載電壓波形接近正弦波。（2）工作原理：）工作原理：基本導電方式：基本導電方式：1，4同時同時通斷，通斷，2，3同時通斷。同時通斷。t1-t2：VT1和和VT4穩(wěn)定導通階段，穩(wěn)定導通階段，i=Id，t2時刻前在時刻前在C上建立了左正右上建立了左正右負的電壓。負的電壓。t2t4：t2時觸發(fā)時觸發(fā)VT2和和VT3開通，進入換開通，進入換流階段。

21、流階段。LT使使VT1、VT4不能立刻關斷，電不能立刻關斷，電流有一個減小過程流有一個減小過程VT2、VT3電流有電流有一個增大過程一個增大過程t=t4時，時，VT1、VT4電流減至零電流減至零而關斷，換流階而關斷，換流階段結束段結束t4t2= t 稱為稱為換流時間換流時間4個晶閘管全部導通，個晶閘管全部導通，負載電容電壓經兩個負載電容電壓經兩個并聯(lián)的放電回路同時并聯(lián)的放電回路同時放電放電LT1、VT1、VT3、LT 3到到C；另一個經；另一個經LT2、VT2、VT4、LT4到到C電壓波形近似電壓波形近似為正弦波，且滯為正弦波，且滯后電流一個角度，后電流一個角度，與負載系數(shù)有關。與負載系數(shù)有關

22、。思考：如何保證晶閘管的可靠關斷？思考：如何保證晶閘管的可靠關斷？電流減小為零，電流減小為零，晶閘管不能立刻關晶閘管不能立刻關斷，還需一段時間斷，還需一段時間才能恢復正向阻斷才能恢復正向阻斷能力，也就是說電能力，也就是說電流 為 零 后 還 要 使流 為 零 后 還 要 使VT1、VT4承受一段承受一段反壓時間反壓時間tb b，這樣晶，這樣晶閘管才能真正可靠閘管才能真正可靠關斷。關斷。所以為使晶閘所以為使晶閘管可靠關斷，管可靠關斷，t tb b= = t t5 5- t- t4 4應大應大于晶閘管的關于晶閘管的關斷時間斷時間t tq q并且為保證可并且為保證可靠換流應在靠換流應在uo過零前過零

23、前td= t5- t2時刻觸發(fā)時刻觸發(fā)VT2、VT3兩個重要參數(shù)：兩個重要參數(shù)： 觸發(fā)引前時間觸發(fā)引前時間 : t =t + tb b io超前超前于于uo的的時間時間 : t = t / 2 + tb b 即為功率因數(shù)角。即為功率因數(shù)角。 4.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路（橋式）（橋式）（1）采用全控型器件）采用全控型器件GTO基本工作方式是基本工作方式是1200導電方式：每個臂一周期內導電方式：每個臂一周期內導電導電1200，每時刻上下橋臂組各有一個臂導通，每時刻上下橋臂組各有一個臂導通，為橫向換流。為橫向換流。三相電流型逆變輸出特性（全控型器件）：三相電流型逆變輸出特性（

24、全控型器件）：輸出相電流波形和負載性質無關，為正負各輸出相電流波形和負載性質無關，為正負各120120的矩形波，線電流為階梯波。的矩形波，線電流為階梯波。輸出線電壓波形和負載性質有關，若有電感，因輸出線電壓波形和負載性質有關，若有電感，因電感的作用，每次換相時會產生電壓沖擊。電感的作用，每次換相時會產生電壓沖擊。（2）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主要用于中大功率交流電動機調速系統(tǒng)。流電動機調速系統(tǒng)。電流型三相橋式逆電流型三相橋式逆變電路，輸出波形與變電路，輸出波形與全控型器件時一樣。全控型器件時一樣。各橋臂的晶閘管和各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用。二

25、極管串聯(lián)使用。 120導電工作方式導電工作方式強迫換流方式，電強迫換流方式，電容容C1C6為換流電容。為換流電容。（串聯(lián)二極管（串聯(lián)二極管式晶式晶閘管閘管逆變電路）逆變電路） 重點分析：換流過程（因電容重點分析：換流過程（因電容C C，強迫換流），強迫換流）電容器充電規(guī)律：對共陽極電容器充電規(guī)律：對共陽極晶閘管，它與導通晶閘管相晶閘管，它與導通晶閘管相連一端極性為正，另一端為連一端極性為正，另一端為負，不與導通晶閘管相連的負，不與導通晶閘管相連的電容器電壓為零電容器電壓為零等效換流電容概念：分析從等效換流電容概念：分析從VT1向向VT3換流時，換流時，C13就是就是C3與與C5串聯(lián)后再與串聯(lián)后

26、再與C1并聯(lián)并聯(lián)的等效電容的等效電容.*以以VT1向向VT3換流的過程為例：換流的過程為例：（2）t1時刻觸發(fā)時刻觸發(fā)VT3導通，導通，VT1被施以反壓而關斷被施以反壓而關斷（1）假設換流前）假設換流前VT1和和VT2通，通，C13電壓電壓UC0左左正右負正右負（1） （2） （3） （4）Id從從VT1換到換到VT3，C13通過通過VD1、U相負載、相負載、W相負載、相負載、VD2、VT2、直流電源和、直流電源和VT3放電，放電，放電電流恒為放電電流恒為Id，故稱恒流放電階段，故稱恒流放電階段（3）t2時刻時刻uC13降到零，之后降到零，之后C13反向充電。則二反向充電。則二極管極管VD3導

27、通，導通，VD1和和VD3同時通，進入二極管換同時通，進入二極管換流階段。產生環(huán)流。此環(huán)流使流階段。產生環(huán)流。此環(huán)流使VD1電流減小，使電流減小，使VD3電流增大。電流增大。隨著隨著C13電壓增高，電壓增高，iV漸大，漸大，VD1電流越來越小，電流越來越小，假設在假設在t3時刻變?yōu)榱悖瑒t時刻變?yōu)榱?，則VD1承受反壓而關斷，承受反壓而關斷，二極管換流階段結束。二極管換流階段結束。（4） VT2、VT3穩(wěn)定導通階段穩(wěn)定導通階段l波形分析：波形分析：恒流放電恒流放電階段階段二極管換流二極管換流階段階段（1） （2） （3） （4）第第4 4章章 逆變電路逆變電路 小結小結（1 1）換流方式，換流原理

28、。）換流方式，換流原理。（2 2）電壓型逆變電路：）電壓型逆變電路： 單相：工作原理，波形分析，重點掌握單相全橋單相：工作原理，波形分析，重點掌握單相全橋, , 尤其移相導電方式。尤其移相導電方式。 三相：重點掌握輸出電壓波形。三相：重點掌握輸出電壓波形。 （3 3）電流型逆變電路：）電流型逆變電路： 單相：重點掌握工作原理及如何防止逆變失敗問題。單相：重點掌握工作原理及如何防止逆變失敗問題。三相：三相：SCRSCR帶二極管換流過程的理解。帶二極管換流過程的理解。課外思考課外思考 針對針對P144P144圖圖5-165-16，不采用等效電容的方式，分，不采用等效電容的方式，分析析C C1 1,

29、C,C3 3,C,C5 5的電壓變化曲線，并解釋變化過程。的電壓變化曲線，并解釋變化過程。1.把直流電變成交流電的電路稱為把直流電變成交流電的電路稱為_，當交流側有電源時，當交流側有電源時稱為稱為_，當交流側無電源時稱為，當交流側無電源時稱為_。2.電流從一個支路向另一個支路轉移的過程稱為換流，從大的方電流從一個支路向另一個支路轉移的過程稱為換流，從大的方面，換流可以分為兩類，即外部換流和面，換流可以分為兩類，即外部換流和_，進一步劃分，前，進一步劃分，前者又包括者又包括_和和_兩種換流方式，后者包括兩種換流方式，后者包括_和和_兩種換流方式。兩種換流方式。3.適用于全控型器件的換流方式是適用于全控型器件的換流方式是_，由換流電路內電容，由換流電路內電容直接提供換流電壓的換流方式稱為直接提供換流電壓的換流