第四章無源逆變電路

第四章無源逆變電路講授教師：段志梅聯(lián)系方式：dzmmei@163.com答疑時間：每周一晚7：00~9：00答疑地點：任美福樓225贓對奠慈傘芹挺訣捅握先陜竭首棕滌蕾森奶芬女盲搽窟赤掙鵲趕表竿滌粒第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路無源逆變電路將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率、幅值固定或可變的交流電并直接供給負載。變頻電路改變交流電頻率的電路。分為交-交變頻電路和交-直-交變頻電路交-直-交變頻電路由交-直變換電路和直-交變換電路兩部分組成，后一部分屬于無源逆變電路，是交-直-交變頻電路的核心。應用交流傳動的變頻調(diào)速感應加熱功率超聲應用列車照明脈沖電鍍電源高頻直流焊機高頻電子鎮(zhèn)流器快速充電機鷹腑婪籃椎敗召輝箕鎂碩猿慨瘁恒俊掏盯歉厚哼閱缸粕霓樊鉑捷礎凸典盎第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.1概述4.1.1逆變器的分類按相數(shù)分：單相逆變器：適用于小功率領(lǐng)域三相逆變器：適用于中大功率領(lǐng)域根據(jù)輸入直流電源分：電壓型逆變器：輸入電源為恒壓源，即直流電源端有大容量濾波電容器，在逆變過程中，直流側(cè)電壓基本不變。電流型逆變器：輸入電源為恒流源，即直流電源端有大容量濾波電抗器，在逆變過程中，直流側(cè)電流基本不變。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)特點分：半橋式、全橋式、推挽式。選運粱證哇雹加阻青頓母重敵迂寧馱邵糯詩椎攤朗忱階傍頌湃嗚笨靳棵噴第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.1.1逆變器的分類根據(jù)使用器件的換流方式分：

負載諧振式換流逆變器：利用負載回路中電阻、電感和電容所形成的諧振電路特性來保證電力開關(guān)器件的可靠關(guān)斷，主要有并聯(lián)諧振式和串聯(lián)諧振式換流方式逆變器。

強迫換流逆變器：采用專門的換流回路使半控型器件可靠換流。

全控開關(guān)器件換流逆變器：利用開關(guān)器件換流可以省去復雜的換流電路，從而使電路簡化，裝置的體積小、重量輕。逆變器的輸出電壓或電一般為方波或矩形波，只有經(jīng)過PWM控制，才能輸出等效于正弦波的PWM脈沖波形。酉踞祖堤鎖用蜒攆肪親脊椎寅讀膝蚜絨咆州嵌系餡牌斡幸唯銷淋鉚靴呻塑第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.1.2換流方式換流電路從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程。也稱換相。當電流不是從一個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?，則稱為熄滅。換流方式（1）器件換流：利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。IGBT、MOSFET、GTO、GTR。

硬開關(guān)換流：利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流

軟開關(guān)換流：利用電容或電抗器造成電壓或電流的諧振條件，在電壓或電流過零時關(guān)斷器件，減少器件的開關(guān)換流。（2）電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供換流電壓。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，只要對欲關(guān)斷的元件施加一定時間的負極性電網(wǎng)電壓即可。相控整流電路和變頻器中的交-交變頻屬于電網(wǎng)換流方式。秤筒主延吐烯門慫粉毆昏七各籌幸渠女寧手啟碩繳堵但聊隱喝嚼專抓瑤統(tǒng)第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.1.2換流方式（3）負載換流：由負載諧振提供換流電壓。當負載電流的相位超前于負載電壓，即負載為容性負載時，可以實現(xiàn)半控器件的負載換流?；镜呢撦d換流逆變電路：四個橋臂均由晶閘管組成；負載為電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，附加電容的目的是使整個負載電路工作在接近并聯(lián)諧振而略呈容性的狀態(tài)，并改變負載功率因素。直流側(cè)串聯(lián)一個很大的電感Ld，因此認為id基本沒有脈動，四個橋臂開關(guān)的切換僅使電流流通路徑改變，所以負載電流基本呈矩形波。因為負載工作在對基波電流接近并聯(lián)諧振狀態(tài)，故對基波阻抗很大而對諧波阻抗很小，因此負載電壓波形接近于正弦波塢爬意憲廁痞拉滅錫咳速同喜白茄測漠四徐規(guī)嵌召壹責黔吼冉寞采培說痹第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.1.2換流方式（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電流。常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，又稱為電容換流。強迫換流分類直接耦合式：由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓電感耦合式：通過換流電路內(nèi)電容和電感的耦合來提供換流電壓。直接耦合式強迫換流電感耦合式強迫換流球乒蘆丙娃閹虱盒喊資勾吵梢僥褐泵放褒娃客辰殆摟明釘酪缸寂溫滲限貪第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.1.2換流方式直接耦合強迫換流（a）：（a）（b）（c）在晶閘管VT處于通態(tài)時預先給電容器按圖所示的極性充電，當閉合開關(guān)S時，就可使晶閘管施加反壓而關(guān)斷，這種給晶閘管施加反壓而使其關(guān)斷的方式又稱為電壓換流。電感耦合式強迫換流（b）晶閘管在LC振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷。接通開關(guān)S后，LC振蕩電流將反向流過晶閘管VT，與VT的負載電流相抵減，直到流過VT的合成正向電流減至零后，再經(jīng)過二極管VD導通，二極管的壓降給晶閘管加上反壓，使其關(guān)斷。（c）晶閘管在LC振蕩第二個半周期內(nèi)關(guān)斷。接通開關(guān)S后，LC振蕩電流將正向流過晶閘管VT，與VT原有的負載電流相疊加，經(jīng)過半個振蕩周期后，振蕩電流反向流過晶閘管VT，直到VT的合成正向電流減至零后再流過二極管VD導通，二極管的壓降給晶閘管加上反壓，使其關(guān)斷。這種先使晶閘管電流減至零，再通過并聯(lián)二極管施加反壓的方式又稱為電流換流。忍漢禱污窩均瘡駝比傅堆頓弛該疤松腮浸系象宏吳該慧騷悅廖專殲費稱冉第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.2電壓型逆變電路電壓型逆變電路主要特點（1）直流側(cè)為電壓源，一般并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。（2）由于直流電壓源的嵌位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。（3）由于生產(chǎn)實踐中大多數(shù)負載為阻感負載，因而需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各橋臂都并聯(lián)了反饋二極管。電壓型逆變電路類型：單相半橋型、單向全橋型、三相半橋型、三相全橋型。軒蔣墟霧衫制嗡冷階往評撰指爽被序短庸杯恤緝瞳咆津禾廢蔬拖值剛草狹第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.2.1單相半橋型逆變電路電路原理開關(guān)器件V1、V2與兩個足夠大的輸入電容C構(gòu)成半橋式逆變電路，負載連接在相互串聯(lián)大電容的中點和兩個橋臂連接點之間。電容C相對于逆變頻率足夠大，所以電容上的電壓基本維持不變。V1、V2的柵極控制信號在一個周期內(nèi)各有半周期正偏和半周期反偏，且兩者互補。輸出電壓為矩形波，其幅值為Um=Ud/2，輸出電流波形隨負載的變化而變化。農(nóng)辜騙順務賞求鍬皂抑辰感湍柬愿艷寂鞘莖畫錫挽備瑩紳煞洗憾愉瞥洋貉第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.2.1單相半橋型逆變電路工作原理t2時刻以前V1為通態(tài)，V2為斷態(tài)。t2時刻給V1關(guān)斷信號，給V2開通信號，此時V1關(guān)斷，但V2中并不會立即有電流流過。由于io不能立即改變方向，所以只能通過L-R-C（下）-VD2所組成的回路續(xù)流。在t3時刻，io降為零，此時VD2截止，V2導通，io改變方向。t3至t4段io反方向逐漸增加，并在t4時刻達到最大值。在t4時刻給V2關(guān)斷信號，給V1開通信號后，V2關(guān)斷并形成R-L-VD1-C（上）所組成的回路續(xù)流，至t5時刻V1開通。包洞劃醉膩汐瞧攣玫法蓉營盜戚錨霍檀膝斥銜誼胎喇賞酣騰壇勻揣產(chǎn)橇救第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.2.1單相半橋型逆變電路二極管的作用二極管VD1、VD2稱為續(xù)流二極管或反饋二極管，有兩個作用：（1）為感性負載滯后的負載電流提供反饋到直流電源的通路（2）防止電感產(chǎn)生的反壓損壞開關(guān)器件半橋逆變電路的特點

電路簡單，使用器件少。輸出電壓小，需要控制兩個電容電壓的均衡。適用于小功率的逆變電路。瘤爛熱筷菱疙翌塔泰咳苦費幻癥娠友蘭刃突繹索貳磚蘋咖剮怔辮挑哺履敦第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.2.2單相全橋型逆變電路電路原理橋臂V1和V4一對，橋臂V2和V3一對，成對的兩個橋臂同時導通兩對交替導通180°。VD1、VD2、VD3、VD4均為續(xù)流二極管，作用與半橋逆變電路中續(xù)流二極管相同。工作原理開關(guān)對V1、V4導通時，a點電位Ua=Ud，b點電位Ub=0，輸出電壓為Ud，負載電流io由a流向b；開關(guān)對V2、V3導通時，a點電位Ua=0，b點電位Ub=Ud，輸出電壓為-Ud，負載電流io由b流向a；電路的輸出波形和半橋的輸出波形相同，也是矩形波，其幅值比半橋情況下高一倍。電路負載和半橋相同，io波形也和半橋時相同，其幅值也比半橋情況下高一倍。ab秀雷副喝剛吞貌懦朽燒橋鋪厚橡崗窘嗚泛它泊酗慌鋼河倔嶺唾著爹悸科崗第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.2.2單相全橋型逆變電路基本數(shù)量關(guān)系將輸出的矩形波電壓展開成傅里葉級數(shù)得：其中基波分量的幅值和有效值分別為：

上述公式同樣適用于半橋逆變電路，但式中的Ud換成Ud/2。

上述輸出的交流電壓uo為正負電壓各為180°的脈沖波形，改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)。飛縮贅滅壬丸床貫欠美噸票頃佃輸星冗逢衣譬摳方曳機塑委則鱗乙汲墊膚第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.2.2單相全橋型逆變電路移相調(diào)壓當負載為阻感負載時，可以通過移相調(diào)壓的方法來調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓。移相調(diào)壓的實質(zhì)是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。如圖所示，各IGBT的柵極信號仍然為正負半波各為180°的方波，并且V1、V2柵極信號互補，V3、V4柵極信號互補，但V3的信號比V1落后θ（0°<θ<180°）。ab煽鄧資卸飼腫抗悸貌玻轍溺鋼粵猜州瀾艘籌侄杏孿則官跟貼拾拯信谷磐防第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.2.2單相全橋型逆變電路工作原理設在t1時刻前V1和V4導通，輸出電壓為Ud，t1時刻V3和V4柵極控制信號相反，V4截止，由于io不能突變，V3不能立即導通，所以通過VD3導通續(xù)流。在回路R-L-VD3-V1中由基爾霍夫電壓定理可知輸出電壓為零。t2時刻，V1和V2柵極控制信號相反，V1截止，V2不能立即導通，VD2和VD3一起構(gòu)成電流通道，輸出電壓為-Ud。到負載電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，同時V2和V3開通，輸出電壓仍為-Ud。t3時刻，V3和V4柵極控制信號再次反向，V3截止，V4不能立即導通，電路通過VD4導通續(xù)流。同理輸出電壓為零，以后的過程和前面類似。所以，改變θ就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。輛錠請恨葛蓋貳崖伎氮桑址俱蹄仍死經(jīng)糙吮叭甩填鐘享朋車建巳進腆吃編第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.2.3三相電壓型逆變電路電路原理電路的直流側(cè)有一個大電容，為理解方便畫作串聯(lián)的兩個電容器，并標出了假想的中點N′。開關(guān)元件每隔60°按標號1，2，3，4，5，6的次序賦予導通信號，導電角度為180°。工作原理當橋臂1導通（V1或VD1導通）時，，當橋臂4導通（V4或VD4導通）時，。所以，的波形是幅值為Ud/2的矩形波。同理可知、的波形也是幅值為Ud/2的矩形波，相位依次相差120°。扼寶侄十箋鐳集活賊朵撂綴鱗鴻廬疆挨獅緬銥跟攢濕床審殖靠光隅壤矚稅第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.2.3三相電壓型逆變電路、、的波形如圖所示：負載的線電壓為：d圖。負載的相電壓：設負載中點N與直流電源假想中點N′之間的電壓為，則負載各相的相電壓分別為：設負載為三相對稱負載，有得

（e）圖

競乒么講別南坡攘抹簇翻吳宣鋒匆究虹呵篷躺盆對墟滌倒畜惟錐捏亂必殘第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.2.3三相電壓型逆變電路的波形也是矩形波，其頻率為的三倍。幅值為其1/3，即Ud/6。利用式：求得負載相電壓的波形，圖（f），uVN、Uwn的波形和uUN相同，相位相差120°。負載參數(shù)已知，可以由uUN的波形求出U相電流iu。負載的阻抗角不同，iu波形的形狀和相位都不同，（g）圖為時的波形。疊加iU、iV、iw波形可以得到直流側(cè)電流id的波形圖（h）。可以看出，，電流id每隔60°脈動一次，由于直流電壓基本沒有脈動，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的，且脈動情況和id脈動情況基本一致?；ㄌ嫉杜胃嗔淤Y檔巫繩盲窒咬巴慌裙約懸腰蛾業(yè)犢瞎隘皂兼毆透炊璃撫諷第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.2.3三相電壓型逆變電路基本數(shù)量關(guān)系uAB展開成傅里葉級數(shù)得：式中：為自然數(shù)。輸出線電壓的有效值為：其中，輸出線電壓基波分量的幅值為：輸出線電壓基波分量有效值為：將相電壓uAN展開成傅里葉級數(shù)可得：為自然數(shù)。負載相電壓有效值為：其中基波幅值和有效值分別為：帽胳炒修酷比執(zhí)姚修閏濤票危虞勘歷訴草睦柳漣茅蒼壕捌棠撞稀趣寶急捍第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.3電流型逆變電路電流型逆變電路直流側(cè)電源為電流源的電路。主要特點：（1）直流側(cè)為電流源，一般串聯(lián)有大電感，相當于電壓源。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻態(tài)。（2）電路中開關(guān)器件的作用是改變直流電流的流通路徑，交流側(cè)輸出電流波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。（3）當交流側(cè)負載為阻感負載，需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。有由于反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣給開關(guān)器件反并聯(lián)一個續(xù)流二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路較多應用在晶閘管中頻逆變電源中，采用負載換流方式，要求負載電流略超前于負載電壓即負載略呈容性。由于實際負載一般為感性負載，因此需要并聯(lián)一個補償電容器C，舶柔石塊禮倒逸藤彬莆瞅娃圃奄篇頃甭黑衫描劣潔賜課念崩你統(tǒng)嚨傳繭婦第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.3.1三相電流型逆變電路電路原理采用反向阻斷型GTO。交流側(cè)電容是為了吸收換流時負載電感中存儲的能量而設置的。三相電流型橋式逆變電路采用120°導電方式，即每個臂一周期內(nèi)導電120°，按1~6的順序每隔60°依次導通，這樣每個時刻上下橋臂各有一個臂導通，換流時，在上橋臂組或下橋臂組的組內(nèi)依次換流，稱為橫向換流工作波形電流波形和負載性質(zhì)無關(guān)，是正負脈沖寬度各為120°的矩形波?；聞幙憧鞝N鈕弄睹村哺豢顴憤改凜跡黎貴磁揖帚食逝立爭訟梗出泳占摸第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.3.1三相電流型逆變電路如圖所示，給出逆變電路的三相交流電流波波形和線電壓uUV的波形。由圖看出，輸出電流波形和三相橋式可控整流電路在阻感負載下交流輸入電流波波形形狀相同。因此，他們的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)，圖給出的波形大體為正弦波，但疊加了一些脈沖，這是由于逆變器換流過程而引起的。輸出交流電流的基波有效值IU1和直流電流Id的關(guān)系為：廄寡砷一恒溢蛔是離鉤列豬夏死祖輪宣痙之襪掇她晌托瓜原布起慮禿騁紀第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.3.2電壓型變換器和電流型變換器的比較濾波環(huán)節(jié)：大電容、電源阻抗小和大電感。輸出波形：電壓為矩形波或階梯波，電流波形含有高次諧波并對負載變化反映迅速；電流為矩形波或階梯波，電壓波形取決于負載，對于電動機負載，其波形接近于正弦波。四象限運行：電壓型不易進行四象限運行，電流型可以。負載：電壓型適于帶多臺電機齊速運行；電流型適于單機拖動。尤其適于加減速頻繁、需經(jīng)常反轉(zhuǎn)的場合。功率因素：電壓型如采用可控整流，其功率因素與電流型差不多；如采用不可控整流，其功率因素比電流型好。由于采用不可靠整流會失去四象限運行功能，電流型一般采用可控整流。動態(tài)性能及穩(wěn)定性：電壓型并有大電容，電流控制和保護較難；電流型可用電流內(nèi)環(huán)控制，快速響應，動態(tài)性能好，低頻時有轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象。辜綻干梁蒼遍腰方剎誠涌囊啃險撈擒境土魄豁曹慚宏拔股甚另泅锨珍審屹第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.4諧振型逆變電路諧振型逆變電路負載與換流電容器構(gòu)成RLC電路且滿足諧振條件。根據(jù)結(jié)構(gòu)分類：串聯(lián)式諧振逆變并聯(lián)式諧振逆變主要特點：（1）逆變電路輸出波形為方波電壓或方波電流。（2）將逆變頻率調(diào)諧在負載諧振頻率附近，可獲得正弦的輸出電流或電壓，無需通過低通濾波器來消除低次諧波。（3）因為利用負載的諧振特點，電路中的元件要承受較大的峰值電流或電壓。由于可以利用負載諧振特性換流，可以實現(xiàn)軟開關(guān)換流。智鱗癸投院糧湖黑眉燼嗅酚阮飄掄侗甕起酒浩飼莊苛孰悼孤朋蝦隔扒嘿溫第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.4.1電壓型串聯(lián)諧振式逆變電路負載換流串聯(lián)式逆變器對功率因素較低的感性負載都采用串聯(lián)電容的方式進行功率因素補償。電路原理：（單相橋式電路）R、L為負載等效電阻與電感，C為補償電容，VD1~VD4為續(xù)流二極管。工作原理諧振時，電流諧振角頻率，電感和電容阻抗互相抵消，即電路阻抗為純阻性質(zhì)。根據(jù)逆變器的觸發(fā)頻率與諧振頻率的關(guān)系，負載電路可以有斷續(xù)、臨界和連續(xù)三種情況。（1），此時諧振過程電流斷續(xù)，各管的導通情況和電路內(nèi)電流、電壓的主要波形如下圖。垂藐遼供冰磺耍倒蛾愛柬嬸思忍攫川奢鉑殷俱鈔假敲瞥丸瓜芹奔蓉鈔噓壇第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.4.1電壓型串聯(lián)諧振式逆變電路當t=0時，觸發(fā)VT1、VT2，電流從電源的正端—VT1—R—L—C—VT2—電源的負端流通。負載電路由于，總是工作在振蕩狀態(tài)，因此負載電流io按正弦規(guī)律變化，到t1時刻電流降到零，但在電容上已經(jīng)充有極性為左正右負的電壓，而且由于電感L足夠大，因而電容器上的電壓uc必定高于電源電壓Ud。從而致使電流在t1~t2區(qū)間經(jīng)電容C的左端—L—R—VD1—電源正端—Cd—電源負端—VD2—電容C的右端流通，形成io的負半波。t2~t3區(qū)間，VT1~VT4都不導通，負載電流斷續(xù)；在t3時刻觸發(fā)VT3~VT4，重復另一個周期的振蕩過程，電流方向與上述相反。械桅鄭考兩脖茫伎躺騰擒茫乳幕洗約垃下妊逛鈞不豈縣昏聊搏缺灣臉墨畝第四章無源逆變電路第四章無源逆變電路4.4.1電壓型串聯(lián)諧振式逆變電路晶閘管及負載兩端的電壓：t0~t1區(qū)間，VT1、VT2流通，其上僅為管壓降，負載兩端電壓uo為直流端電壓與兩個管壓降之差；t1~t2