第4章 逆變電路cll

第4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

1第4章逆變電路?引言逆變的概念

逆變——與整流相對應(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)用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。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。本章講述無源逆變24.1換流方式

4.1.1逆變電路的基本工作原理

4.1.2換流方式分類3以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理4.1.1

逆變電路的基本工作原理圖4-1逆變電路及其波形舉例負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1~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。44.1.1

逆變電路的基本工作原理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)。直流電交流電54.1.1

逆變電路的基本工作原理逆變電路最基本的工作原理

——改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖4-1逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2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，電感波形也不同。會經(jīng)歷：電感儲能電感釋能電感儲能（反向）電感釋能（反向）。

64.1.2換流方式分類換流——在各種變流電路中存在的共性問題。

電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使器件開通。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,因此安排在本章集中講述。74.1.2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。以下幾種針對SCR，其關(guān)斷不易實(shí)現(xiàn)。2)電網(wǎng)換流（LineCommutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。利用電網(wǎng)正負(fù)交變，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。適用于可控整流、交流調(diào)壓、有源逆變電路中；不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3)

負(fù)載換流（LoadCommutation）4)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）83）負(fù)載換流圖4-2負(fù)載換流電路及其工作波形

由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。如圖是基本的負(fù)載換流電路，4個(gè)橋臂均由晶閘管組成。整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。直流側(cè)串電感，工作過程可認(rèn)為id基本沒有脈動。io近似方波。負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小。所以uo接近正弦波。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT49復(fù)習(xí)：非理想情況下的并聯(lián)諧振L+–CR、同相位時(shí)，稱電路發(fā)生諧振電路阻抗：令虛部為0，則：解此方程，得：10并聯(lián)諧振電路總阻抗的大小將代入Z式，得諧振時(shí)電路阻抗為：Z0什么性質(zhì)？電感性？電容性？電阻性？并聯(lián)諧振曲線并聯(lián)諧振時(shí)阻抗達(dá)最大值Z0，總電流達(dá)最小值I0容性感性阻性Z0I011思考：為什么Uo近似正弦波？諧振點(diǎn)的頻率約等于電流換流切換的頻率；電流io近似方波，其基波分量就是換流頻率的正弦波。并聯(lián)諧振對基波分量呈現(xiàn)高阻態(tài)，Uo基波幅度大；對高次諧波呈現(xiàn)低阻態(tài)，Uo諧波幅度小。所以，Uo近似正弦波。負(fù)載略呈容性，故Uo略滯后于io。容性感性阻性Z0I0諧振時(shí)電壓電流同相位，阻抗呈現(xiàn)電阻性。并聯(lián)諧振時(shí)呈現(xiàn)高阻態(tài)，阻抗最大，電流最小12分析換流瞬間：VT1VT3由于Uo略滯后于io，在t1時(shí)刻，電容C兩端電壓左正右負(fù)，此刻VT3觸發(fā)導(dǎo)通，VT1上負(fù)下正，承受反壓而關(guān)斷。注意觸發(fā)VT3的時(shí)刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。a)?t?t?t?tOOOOiit1b)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4134)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓直接耦合式強(qiáng)迫換流通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來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的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。通常利用附加電容上所儲存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流。分類14直接耦合式強(qiáng)迫換流當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容充電。當(dāng)S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。

也叫電壓換流。圖4-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖圖4-4電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式強(qiáng)迫換流

先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓。也叫電流換流。15換流方式總結(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——屬于外部換流。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。164.2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)的不同電壓型逆變電路——又稱為電壓源型逆變電路VoltageSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電壓源電流型逆變電路——又稱為電流源型逆變電路CurrentSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電流源172）電壓型逆變電路的特點(diǎn)為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂IGBT并聯(lián)反饋二極管。（逆導(dǎo)開關(guān)）(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。（濾波作用）(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)需電源提供無功功率，而直流側(cè)大電容起到緩沖無功能量的作用。圖4-5電壓型逆變電路（全橋逆變電路）18逆變電路分析時(shí)重點(diǎn)掌握開關(guān)器件的控制方式輸出電壓波形輸出交流電壓有效值如何改變194.2.1單相電壓型逆變電路電路結(jié)構(gòu)：大電容一分為二分析；2個(gè)逆導(dǎo)開關(guān)；阻感負(fù)載：DC側(cè)中點(diǎn)和半橋中點(diǎn)之間。1）半橋逆變電路圖4－6單相半橋電壓型逆變電路20u圖4－6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2控制方式：

180°方波控制，V1，V2互補(bǔ)通斷。V1通，V2斷：Uo=+Ud

/2；V2通，V1斷：Uo=-Ud

/2。輸出波形：

正負(fù)對稱180°方波，平均值為0。通過改變直流側(cè)Ud來調(diào)節(jié)輸出交流電壓的有效值。21由于阻感負(fù)載，電流不能立即反向，VD1、VD2起到續(xù)流作用，io輸出波形近似鋸齒波。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。直流側(cè)大電容起到緩沖無功能量的作用。圖4－6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形另：正弦PWM控制方式（后續(xù)章節(jié)將介紹）22半橋逆變電路，在純電阻負(fù)載的時(shí)候另一種控制方法：改變正負(fù)脈沖寬度的控制方法。上下橋臂的柵極信號不再是各180°正偏、180°反偏并且互補(bǔ)。而是正負(fù)半周各導(dǎo)通θ

。注意：僅適用純電阻負(fù)載。輸出電壓Uo也是正負(fù)脈沖寬度各為θ

。232)全橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)：共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋單元組合而成。負(fù)載接在兩個(gè)半橋單元中點(diǎn)之間圖4－7單相橋式電壓型逆變電路24移相調(diào)壓控制方式兩個(gè)半橋：

V3的基極信號比V1落后q

（0＜q

＜180°）。輸出電壓：正負(fù)各為q的脈沖。幅度+/-Ud。改變q就可調(diào)節(jié)輸出電壓。每個(gè)半橋：180°

方波控制，上下互補(bǔ)通斷。圖4－7單相橋式電壓型逆變電路及波形25固定180°移相方波控制方式每個(gè)半橋：180°

方波控制，上下互補(bǔ)通斷。兩個(gè)半橋：

q

固定=180°。對角V1、V4和V2、V3各輪換導(dǎo)通180°。輸出電壓：正負(fù)對稱180°方波。幅度+/-Ud。只通過改變DC側(cè)Ud來調(diào)節(jié)輸出電壓有效值大小。圖4－7單相橋式電壓型逆變電路波形264.2.2三相電壓型逆變電路電路結(jié)構(gòu)：圖4-9三相電壓型橋式逆變電路三個(gè)單相逆變單元組合；三相負(fù)載對應(yīng)三個(gè)半橋輸出端，Y型連接區(qū)別：Y型連接中點(diǎn)N；DC側(cè)中點(diǎn)N’。N與N’連與不連，波形區(qū)別很大。通常不連。back27基本工作方式——180°導(dǎo)電方式圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形三半橋各按180°方波控制方式，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電。三半橋之間開始導(dǎo)電的角度差120°。28波形分析圖5-10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：正負(fù)對稱180°

方波，幅度±

Ud/2（同半橋逆變單元）實(shí)際負(fù)載輸出電壓應(yīng)該相對于Y型中點(diǎn)N。分析NN’之間電壓29波形分析負(fù)載線電壓負(fù)載相電壓圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形轉(zhuǎn)波形30負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓

(4-6)負(fù)載三相對稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是

(4-7)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)。31相電壓電平（對應(yīng)于電源的中心點(diǎn)）有±Ud/2兩種，是180°的矩形波；輸出線電壓是120°的矩形波，有±Ud/2，0三種電平；NN’之間電壓是三倍頻的相電壓；真正的相電壓（對應(yīng)于負(fù)載的中心點(diǎn)）是六拍的階梯波。電流要考慮續(xù)流二極管的換流過程。32防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短路，應(yīng)采取“先斷后通”。即先給應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信號，待其關(guān)斷后留一定的時(shí)間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號，兩者之間留一定的“死區(qū)時(shí)間”?！跋葦嗪笸ā睂ζ渌ぷ髟谏舷聵虮弁〝嗷パa(bǔ)方式下的其他電路都是適用的。數(shù)量分析見教材。

33電流型逆變電路主要特點(diǎn)

(1)

直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動，相當(dāng)于電流源。4.3電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。圖4-11電流型三相橋式逆變電路(2)

交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)。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。344.3電流型逆變電路

4.3.1單相電流型逆變電路

4.3.2三相電流型逆變電路

35電路結(jié)構(gòu)

4.3.1單相電流型逆變電路圖4－12單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路DC側(cè)接大電感，電流源4只單導(dǎo)開關(guān)（快速晶閘管KK）。電容C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。每個(gè)橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器，用來限制晶閘管開通時(shí)的di/dt。36圖4－12單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路VT1,4和VT2,3以1000-2500Hz中頻輪流觸發(fā)導(dǎo)通，使負(fù)載得到中頻交流電控制方式

換流方式

負(fù)載換流：負(fù)載補(bǔ)償電容使負(fù)載構(gòu)成LC并聯(lián)諧振電路，略呈容性輸出電流

?t?t?t?tOOOOiit1b)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4圖4-2負(fù)載換流波形io近似180°

正負(fù)對稱方波輸出電壓：

Uo近似正弦，略滯后于io37圖4－13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)導(dǎo)通階段和兩個(gè)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。t2~t4：t2時(shí)觸發(fā)VT2和VT3開通，進(jìn)入換流階段。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。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C。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4具體工作過程：

38t=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。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tb。tb=t5-t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。

。io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)。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖4－13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形394.3.2三相電流型逆變電路從三相全橋可控整流電路的有源逆變到三相電流型無源逆變，看兩種電路的相互關(guān)系。1）橋式電路結(jié)構(gòu)相同；2）控制方式相同（120°導(dǎo)電型）；3）輸出電流和電壓的波形相同；4）換流方式不同40在有源逆變電路中，三相交流電源供出的功率為：(負(fù)值——吸收功率）圖中，電路工作在整流狀態(tài)時(shí)，共陰極端電壓為正在逆變狀態(tài)時(shí)，共陰極端電壓為負(fù)1）橋式電路結(jié)構(gòu)相同：41有源逆變中的換流：電網(wǎng)換流。無源逆變中，三相負(fù)載通常為感性，如三相電動機(jī)負(fù)載，負(fù)載無法實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流，必須外加電路實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換流。42輸出電流波形和負(fù)載性質(zhì)無關(guān)，正負(fù)脈沖各120°的矩形波。輸出電流和三相橋整流帶大電感負(fù)載時(shí)的交流電流波形相同，諧波分析表達(dá)式也相同。輸出線電壓波形和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，大體為正弦波。疊加一些脈沖成分。2）控制方式：120°導(dǎo)電方式，VT1-VT6順序觸發(fā)導(dǎo)通，依次相差60°，三種相位關(guān)系（60°，120°，180°）

3）波形分析：

43全橋電路4445圖4-15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)。主電路還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。4）換流方式：采用強(qiáng)迫換流（串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路）46換流原理（分析從VT1向VT3換流）

VT1,6導(dǎo)通期間（60°

）：C1充電，電壓左正右負(fù)。VT1,2導(dǎo)通期間（60°

）：C5充電，電壓左正右負(fù)。C3電壓近似為0。三只電容上的這種儲能狀態(tài)為緊接而來的VT3的觸發(fā)導(dǎo)通和VT1的關(guān)斷做好準(zhǔn)備。C1，3，5總電壓儲能（等效為換流電容C13）集中作用于VT1,電壓極性左正右負(fù)，直接對VT1施加反壓，強(qiáng)迫其關(guān)斷電流。其他晶閘管關(guān)斷過程依次類推。二極管作用：防止換流電容的充電儲能通過其他回路放電。圖4-15串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路

474.3.2三相電流型逆變電路實(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)。圖4－18無換相器電動機(jī)的基本電路484.3.2三相電流型逆變電路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)電路工作波形圖4－18無換相器電動機(jī)的基本電路494.4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，接近正弦。多電平逆變電路輸出較多電平，使輸出接近正弦。50第4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兩類電路更為基本、更為重要換流方式分為外部換流和自換流兩大類，外部換流包括電網(wǎng)換流和負(fù)載換流兩種，自換流包括器件換流和強(qiáng)迫換流兩種。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。51第4章逆變電路?小結(jié)逆變電路重點(diǎn)換流的思想。各種逆變電路的電路結(jié)構(gòu)，控制方式，輸出電壓、電流的波形，換流方式。本章主要采用按直流側(cè)電源性質(zhì)分類的方法，分為電壓型和電流型兩類。

電壓型逆變電路：輸出電壓為方波，輸出電流根據(jù)負(fù)載分析，全控型器件反并聯(lián)續(xù)流二極管（逆導(dǎo)開關(guān)），器件換流。

電流型逆變電路：輸出電流為方波，輸出電壓根據(jù)負(fù)載分析。串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路，強(qiáng)迫換流。理解三相的時(shí)候可以聯(lián)系三相有源逆變電路來理解，它們的電路結(jié)構(gòu)、控制方式（觸發(fā)脈沖的順序和間隔），輸出電壓和電流的波形。52第4章逆變電路?小結(jié)與其它章的關(guān)系本章對逆變電路的講述是很基本的，還遠(yuǎn)不完整。第8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)完下一章才能對逆變電路有一個(gè)較為完整的認(rèn)識。逆變電路的直流電源往往由整流電路而來