電力電子技術(shù)王兆安005逆變電路m

第5章逆變電路第5章逆變電路

5.1換流方式

5.2電壓型逆變電路

5.3電流型逆變電路

5.4多重逆變電路和多電平逆變電路

本章小節(jié)逆變電路將直流電變?yōu)榻涣麟妼?shí)用范圍：辦公設(shè)備：筆記本電腦、移動(dòng)電話、打印機(jī)、顯示器家用電器：錄象機(jī)、音響、DVD、VCD及電冰箱郊外旅游：野外照明、微波爐、烹飪等戶外作業(yè)：電動(dòng)工具，車輛求援，搶險(xiǎn)救災(zāi)，商業(yè)促銷等休閑娛樂(lè)：手機(jī)、PDA、數(shù)碼攝象機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電池充電及GPS衛(wèi)星導(dǎo)航等產(chǎn)品特點(diǎn)：1、采用進(jìn)口元器件制造，先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)，使得逆變器的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%，嚴(yán)格生產(chǎn)質(zhì)量管理體系，現(xiàn)代化流水生產(chǎn)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。2、內(nèi)部保護(hù)電路防止了電脈沖或電壓波動(dòng)的影響，能承受壓縮機(jī)、電視顯示器等沖擊功率較大的用電器安全啟動(dòng)，電源開(kāi)關(guān)可徹底切斷內(nèi)部電路，斷后可保護(hù)電瓶不受損失。3、自我保護(hù)設(shè)計(jì)，使得當(dāng)電壓低于10V時(shí)，就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，保證了蓄電池有足夠的電能啟動(dòng)車輛。4、過(guò)熱或過(guò)載時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉；恢復(fù)正常后又會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)。工作時(shí)無(wú)噪音，正常使用可運(yùn)行多年不需維護(hù)。5、輸入輸出方式多樣：12V輸入、24V輸入、點(diǎn)煙器輸入、電瓶直接輸入；220V交流輸出、110V交流輸出等，完全能滿足國(guó)內(nèi)外用戶對(duì)交流用電的需求。本章講述無(wú)源逆變第5章逆變電路?引言逆變—與整流相對(duì)應(yīng)，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(fù)載，為無(wú)源逆變。逆變與變頻變頻電路：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。主要應(yīng)用直流電源，如蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等帶交流負(fù)載交流電機(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。直流電交流電5.1.1

逆變電路的基本工作原理S1,4閉合，S2,3斷開(kāi)時(shí)S1~S4是橋式電路的4個(gè)臂，由器件及輔助電路組成。改變開(kāi)關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。S1,4斷開(kāi)，S2,3閉合時(shí)uo=-Uduo=UdUduoUd-Udtt開(kāi)通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使器件開(kāi)通。關(guān)斷：全控型器件可通過(guò)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(guò)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(wèn)題最為全面集中,因此安排在本章集中講述。

5.1.2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(guò)程，也稱為換相。

5.1.2換流方式分類1)器件換流（DeviceCommutation）利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)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。2)

電網(wǎng)換流（LineCommutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒(méi)有交流電網(wǎng)的無(wú)源逆變電路。3)

負(fù)載換流（LoadCommutation）4)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）負(fù)載換流工作波形

?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4

5.1.2換流方式分類由負(fù)載提供換流電壓的換流方式3）負(fù)載換流VT1,4通時(shí)，電容上電壓：VT2,3承受正向電壓此時(shí)觸發(fā)VT2,3能通VT2,3導(dǎo)通后，VT1,4承受反壓實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流什么樣的電路能實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流？關(guān)斷由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓直接耦合式強(qiáng)迫換流通過(guò)換流電路內(nèi)電容和電感的耦合來(lái)提供換流電壓或換流電流電感耦合式強(qiáng)迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流。

5.1.2換流方式分類4)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）先使晶閘管電流減為零，然后通過(guò)反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓。電流在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，稱為熄滅。電壓型逆變電路VoltageSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電壓源電流型逆變電路CurrentSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電流源5.2電壓型逆變電路1）逆變電路的分類——根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同2）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，相當(dāng)于大電源。(2)輸出電壓為矩形波，且與φ無(wú)關(guān)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(wú)功功率。為給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管5.2.1單相電壓型逆變電路ttuG1uG2t1t2t3tiouot4t5器件導(dǎo)通情況控制信號(hào)u0i0開(kāi)V1,關(guān)V2開(kāi)V2,關(guān)V1V1VD2V2VD1VD1+-+--工作原理1）半橋逆變電路V1和V2柵極信號(hào)在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補(bǔ)，開(kāi)V1,關(guān)V2優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，使用器件少V1通，u0=Ud/2VD2通，u0=-Ud/2V2通，u0=-Ud/2VD1通，u0=Ud/2缺點(diǎn)：輸出電壓幅值為Ud/2，且直流側(cè)需兩電容串聯(lián)，要均壓。應(yīng)用：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。四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋組合而成兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通180°輸出電壓和電流波形同半橋電路形狀改變U0只能通過(guò)改變Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)5.2.1單相電壓型逆變電路2)全橋逆變電路ttuG1,4uG2,3t1t2t3tiouot4t5器件導(dǎo)通情況控制信號(hào)u0i0V1,4導(dǎo)通，u0=UdVD2,3導(dǎo)通，u0=-UdV2,3導(dǎo)通，u0=-UdVD1,4導(dǎo)通，u0=Ud開(kāi)V1,4,關(guān)V2,3開(kāi)V2,3,關(guān)V1,4開(kāi)V1,4,關(guān)V2,3V1,4VD2,3V2,3VD1,4VD1,4-Ud-UdUdUdUd+-+--tuG1tuG2tuG3tuG4t1t2iotuo調(diào)q調(diào)輸出電壓5.2.1單相電壓型逆變電路阻感負(fù)載時(shí)，可移相調(diào)壓t3t4t5t6t7t8V1,4V2,3VD2器件導(dǎo)通情況V1V2V1,4VD4VD3VD3VD1VD4UdtuUN'5.2.2三相電壓型逆變電路波形分析負(fù)載對(duì)稱時(shí)uUN+uVN+uWN=0Ud6uVN'tuWN'tuUVtuNNtuUNtiUtidt2Ud3Ud3負(fù)載已知時(shí)，可由uUN波形求出iU波形。uVNtuWNt基本工作方式—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。應(yīng)用最廣一周期內(nèi)有兩個(gè)導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段t1~t2：VT1,4穩(wěn)定導(dǎo)通,iｏ=Id，t2時(shí)刻前在C上建立左正右負(fù)電壓。t2~t4:換流階段電容經(jīng)兩個(gè)放電回路同時(shí)放電5.3.1

單相電流型逆變電路工作分析t=t4時(shí),換流結(jié)束tg

--換流時(shí)間。Tb--承受反壓時(shí)間四個(gè)橋臂構(gòu)成,電抗器用來(lái)限制開(kāi)通時(shí)的di/dt。工作方式為負(fù)載換相。CLR構(gòu)成并聯(lián)諧振電路輸出電流接近矩形波，ttuG1,4uG2,3iTioIdt3tfuotdtbiVT2,3iVT1,4Idt2t1t7t6t5t4trttt電流型逆變電路主要特點(diǎn)(1)

直流側(cè)串大電感，電流基本無(wú)脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源(2)

交流輸出電流為矩形波，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(wú)功能量的作用，不必反并聯(lián)二極管。電路多采用半控型器件，換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。主要用于中大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。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(dǎo)電工作方式，輸出波形和圖5-14的波形大體相同。強(qiáng)迫換流方式，電容C1~C6為換流電容。5.3.2

三相電流型逆變電路串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路-+UVW+-UVWa)+-UVWb)-+UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id-iV換流過(guò)程分析等效換流電容概念：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5.3.2

三相電流型逆變電路5.4

多重逆變電路和多電平逆變電路電壓型逆變電路——輸出電壓是矩形波，電流型逆變電路——輸出電流是矩形波，含有較多諧波。多重逆變電路把幾個(gè)矩形波組合起來(lái)，接近正弦。多電平逆變電路輸出較多電平，使輸出接近正弦。120°60°180°tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo二重逆變電路的工作波形二重單相逆變電路5.4.1

多重逆變電路u1和u2相位錯(cuò)開(kāi)j=60°,其中的3次諧波就錯(cuò)開(kāi)了3×60°=180。T1、T2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uo波形是120°矩形波，含6k±1次諧波，3k次諧波都被抵消。單相電壓型二重逆變電路由兩個(gè)單相全橋組成，T1和T2串聯(lián)起來(lái)。屬串聯(lián)多重輸出波形：兩個(gè)單相的輸出u1和u2是180°矩形波。電壓型、電流型都可多重化,現(xiàn)以電壓型為例三電平逆變電路5.4.2多電平逆變電路也稱中點(diǎn)鉗位型逆變電路電路構(gòu)成特點(diǎn)每橋臂由兩個(gè)全控器件串聯(lián)構(gòu)成，兩者中點(diǎn)通過(guò)鉗位二極管和直流側(cè)中點(diǎn)相連以U相為例分析工作情況V11和V12（或VD11和VD12）通，V41和V42斷，UO'間電位差為Ud/2。V41和V42（或VD41和VD42）通，V11和V12斷，UO’間電位差為-Ud/2。V12和V41導(dǎo)通，V11和V42關(guān)斷時(shí)，UO‘間電位差為0。V12和V41不能同時(shí)導(dǎo)通。iU>0時(shí)，V12和VD1導(dǎo)通。iU<0時(shí)，V41和VD4導(dǎo)通。線電壓的電平相電壓相減得到線電壓。輸出線電壓有±Ud、±Ud/2和0五種電平比兩電平逆變電路多兩種電平。輸出電壓諧波少于兩電平逆變電路突出優(yōu)點(diǎn)：主開(kāi)關(guān)器件承受電壓為Ud/2回顧三相電壓型橋式逆變電路,相電壓有Ud/2兩種電平,稱為兩電平逆變電路+-小結(jié)與其它章的關(guān)系本章對(duì)逆變電路的講述是很基本的，還遠(yuǎn)不完整。下一章的PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最多，絕大部分逆變電路都是PWM控制的，學(xué)完下一章才能對(duì)逆變電路有一個(gè)較為完整的認(rèn)識(shí)。逆變電路的直流電源往往由整流電路而來(lái)，二者結(jié)合構(gòu)成間接交流變流電路間接直流變流電路大量用于開(kāi)關(guān)電源，其中的核心電路仍是逆變電路將在第8章介紹，學(xué)完第8章后，對(duì)逆變電路及其應(yīng)用將有更完整的認(rèn)識(shí)。第5章逆變電路?小結(jié)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(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(wú)功功率。為給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管電流型逆變電路主要特點(diǎn)(1)

直流側(cè)串大電感，電流基本無(wú)脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源(2)

交流輸出電流為矩形波，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(wú)功能量的作用，不必反并聯(lián)二極管。電路多采用半控型器件，換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。

1．無(wú)源逆變電路和有源逆變電路有何不同？第五章練習(xí)題

2．換流方式各有那幾種？各有什么特點(diǎn)？

3．什么是電壓型逆變電路？什么是電流型逆變電路？二者各有什么特點(diǎn)。

4．電壓型逆變電路中反饋二極管的作用是什么？為什么電流型逆變電路中沒(méi)有反饋二極管？

6．并聯(lián)諧振式逆變電路利用負(fù)載電壓進(jìn)行換相，為保證換相應(yīng)滿足什么條件？

8．逆變電路多重化的目的是什么？如何實(shí)現(xiàn)？串聯(lián)多重和并聯(lián)多重逆變電路各用于什么場(chǎng)合？電壓型逆變器當(dāng)交流側(cè)為阻感性負(fù)載時(shí)，需要向電源反饋無(wú)功功率。直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂開(kāi)關(guān)器件都反并聯(lián)了反饋二極管。而對(duì)電流型逆變器來(lái)說(shuō)，當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)，也需要提供無(wú)功能量反饋，但直流側(cè)電感起緩沖無(wú)功能量的作用，因反饋無(wú)功能量時(shí)，直流電流并不反向，因此不必象電壓型逆變器那樣要給開(kāi)關(guān)器件反并聯(lián)二極管。

4．電壓型逆變電路中反饋二極管的作用是什么？為什么電流型逆變電路中沒(méi)有反饋二極管？第5章逆變電路?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更為基本、更為重要換流方式分為外部換流和自換流兩大類外部換流：電網(wǎng)換流和負(fù)載換流；自換流：器件換流和強(qiáng)迫換流晶閘管時(shí)代十分重要，全控型器件時(shí)代其重要性有所下降。逆變電路分類方法按直流側(cè)電源性質(zhì)分類，分為電壓型和電流型兩類。電壓型和電流型的概念用于其他電路，會(huì)對(duì)這些電路有更深刻的認(rèn)識(shí)負(fù)載為大電感的整流電路可看為電流型整流電路。電容濾波的整流電路可看成為電壓型整流電路。無(wú)換相器電動(dòng)機(jī)的基本電路5.3.2

三相電流型逆變電路實(shí)例：無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)電流型三相橋式逆變器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)，負(fù)載換流。工作特性和調(diào)速方式和直流電動(dòng)機(jī)相似，但無(wú)換向器，因此稱為無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)。wtuuuuOOOOOwtwtwtOwtwtVT4導(dǎo)通UVWiViWiUudMVT1導(dǎo)通VT3導(dǎo)通VT6導(dǎo)通VT5導(dǎo)通VT2導(dǎo)通uVT1BQ——轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，檢測(cè)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。無(wú)換相器電動(dòng)機(jī)電路工作波形無(wú)換相器電動(dòng)機(jī)的基本電路5.3.2

三相電流型逆變電路由兩個(gè)三相橋式逆變電路構(gòu)成，輸出通過(guò)變壓器串聯(lián)合成。兩個(gè)逆變電路均為180°導(dǎo)通方式。逆變橋II的相位逆變橋I滯后30°。T1為Δ/Y聯(lián)結(jié)，線電壓變比為（一次和二次繞組匝數(shù)相等)。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(duì)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。5.4.1

多重逆變電路三相電壓型二重逆變電路的工作原理UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud