第5章 逆變電路

第五章逆變電路

引言

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5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系引言1.逆變的概念:

逆變與整流相對應，即把直流電變成交流電。若交流側(cè)接電網(wǎng)，稱為有源逆變。若交流側(cè)接負載，稱為無源逆變。2.逆變與變頻變頻電路：分為交交變頻電路和交直交變頻電路兩種。交直交變頻電路由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。3.應用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等在向交流負載供電時就需要逆變電路。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。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.1換流方式

5.1.1逆變電路的基本工作原理

5.1.2換流方式分類5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.1.1逆變電路的基本工作原理1.以單相橋式逆變電路為例說明如下：圖5-1逆變電路及其波形舉例負載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2（1）S1~S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.1.1逆變電路的基本工作原理（2）當S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正。（3）當S1、S4斷開，S2、S3閉合時，負載電壓uo為負。當改變兩組開關切換頻率，就可改變輸出交流電頻率；若接電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同；若阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同。如圖所示，設t1前S1、S4通，則uo和io均為正。若在t1時刻斷開S1、S4，合上S2、S3，則uo的極性變負，但io不能立刻反向且仍維持原方向；

此時io從電源負極流出，經(jīng)S2、負載和S3流回正極，負載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時刻降為零，之后io才反向并增大。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.1.2換流方式分類換流概念：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：施加適當?shù)拈T極驅(qū)動信號；關斷：全控型器件可通過控制門極使其關斷；半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關斷；晶閘管一般在電流過零后對其施加一定時間的反壓，才能關斷；研究換流方式主要是研究如何使器件關斷。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.1.2換流方式分類1.器件換流3.負載換流總共有四種換流方式：2.電網(wǎng)換流利用全控型器件的自關斷能力進行換流(devicecommutation),常采用如IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等器件。由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流(linecommutation);可控整流電路、交流調(diào)壓電路和采用相控方式的交交變頻電路等均為電網(wǎng)換流方式；此種換流方式不需器件具有門極可關斷能力，也不需要為換流附加元件，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。由負載提供換流電壓稱為負載換流(loadcommutation);只要負載電流相位超前于負載電壓，都可實現(xiàn)負載換流；如負載為同步電動機時，亦可實現(xiàn)負載換流。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.1.2換流方式分類4.強迫換流設置附加的換流電路，給欲關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(forcedcommutation),這通常是利用附加電容上儲存的能量來實現(xiàn)，故也稱為電容換流。負載換流逆變電路：1.條件：4個橋臂均采用晶閘管，負載由電阻電感串聯(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；實際中電容是為改善負載功率因數(shù)使其略呈容性而接入的，直流側(cè)串入大電感Ld，因此可認為

id基本沒有脈動。舉例：工作過程描述:5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.1.2換流方式分類由于直流電流近似為恒值，4個臂的切換僅使電流路徑改變，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)諧振的狀態(tài)，對基波阻抗很大，對諧波阻抗很小，故uo波形接近正弦波；設在t1前：VT1、VT4導通，VT2、VT3關斷，則uo、io均為正，VT2、VT3電壓均為uo；在t1時：使VT2、VT3導通，則uo加到VT4、VT1上使其承受反壓而關斷，電流從VT1、VT4換到VT3、VT2；注意：t1必須在uo過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成。圖5-2

負載換流電路及其工作波形

5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.1.2換流方式分類由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓直接耦合式強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迫換流強迫換流逆變電路的分類：5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.1.2換流方式分類直接耦合式強迫換流：當晶閘管VT處于通態(tài)時，預先給電容C充電。當S合上，就可使VT因施加反向電壓而關斷。亦叫電壓換流。圖5-3直接耦合式強迫換流原理圖圖5-4電感耦合式強迫換流原理圖電感耦合式強迫換流：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。亦叫電流換流。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.1.2換流方式分類換流方式總結(jié)：器件換流：適用于全控型器件。其余三種方式均適用于晶閘管。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。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.2電壓型逆變電路逆變電路的分類：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5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.2電壓型逆變電路電壓型逆變電路的特點：圖5-5

電壓型全橋逆變電路

(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，與負載阻抗角無關；而輸出電流和相位則因負載阻抗的不同而不同。

(3)阻感負載時需提供無功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.2.1單相電壓型逆變電路1.半橋逆變電路u圖5-6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形a)b)ttOOONoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理(阻感負載)：V1和V2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2。V1或V2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管,它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.2.1單相電壓型逆變電路優(yōu)點：電路簡單，使用器件少。缺點：輸出交流電壓幅值僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián)，須控制兩者電壓均衡。應用：常用于幾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半橋逆變電路的組合。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.2.1單相電壓型逆變電路2.全橋逆變電路共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導通180°。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，但幅值高出一倍。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)。圖5-7單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.2.1單相電壓型逆變電路在阻感負載時，還可采用移相的方式來調(diào)節(jié)輸出電壓，即移相調(diào)壓。V3的基極信號比V1落后q

（0＜q

＜180°）。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180°－q。輸出電壓是正負各為q的脈沖。改變q就可調(diào)節(jié)輸出電壓。tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo圖5-7單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.2.1單相電壓型逆變電路3.帶中心抽頭變壓器的逆變電路圖5-8帶中心抽頭變壓器的逆變電路Ud和負載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：時，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。與全橋電路的比較：比全橋電路少用一半開關器件。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。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。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.2.2三相電壓型逆變電路結(jié)構：由三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路。且應用最廣的也是三相橋式逆變電路。圖5-9三相電壓型橋式逆變電路5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.2.2三相電壓型逆變電路1.基本工作方式：180°導電方式圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3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依次相差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。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.2.2三相電壓型逆變電路2.波形分析負載各相到電源中點N‘的電壓：對于U相，當1導通時，uUN’=Ud/2；當4導通時，uUN'=-Ud/2。負載線電壓負載相電壓圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3(5-1)(5-2)5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.2.2三相電壓型逆變電路負載中點和電源中點間電壓：

在負載三相對稱時則有uUN+uVN+uWN=0，于是：負載已知時，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特點。防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時導通而引起直流側(cè)電源短路，應采取“先斷后通”(5-3)(5-4)5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系電流型逆變電路主要特點：

(1)

直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動，相當于電流源。5.3電流型逆變電路概念：直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。圖5-11電流型三相橋式逆變電路

(2)

交流輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關。輸出電壓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用較多。換流方式有負載換流、強迫換流。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.3.1單相電流型逆變電路1.電路結(jié)構及原理圖5-12單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路電路由四個橋臂構成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用于限制晶閘管開通時的di/dt。工作方式為負載換相。電容C和L、R構成并聯(lián)諧振電路；負載電路總體上應工作在容性小失諧的情況下。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.3.1單相電流型逆變電路圖5-13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形2.波形分析在交流電流的一個周期內(nèi)有兩個導通階段和兩個換流階段。t1~t2：VT1和VT4的穩(wěn)定導通階段，iｏ=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VT1、VT4不能立刻關斷，電流有一個減小過程。VT2、VT3電流有一個增大過程。t2時刻4個晶閘管全部導通，負載電容電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電。一個回路為LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一個經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4到C。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.3.1單相電流型逆變電路t=t4時，VT1、VT4電流減至零而關斷，換流階段結(jié)束。t4－t2=tg

，稱為換流時間。為保證晶閘管的可靠關斷，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tb。tb=t5-t4應大于晶閘管的關斷時間tq。。io在t3時刻，即iVT1=iVT2時刻過零，t3時刻大體位于t2和t4的中點。圖5-13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系為保證可靠換流，應在uo過零前td=t5-t2時刻觸發(fā)VT2、VT3。則.td為觸發(fā)引前時間：

(5-5)io超前于uo的時間為：將之表示為電角度則有：其中，w為電路工作角頻率；g、b分別是tg、tb對應的電角度。忽略換流過程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級數(shù)得：

5.3.1單相電流型逆變電路（5-6）（5-7）（5-8）5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.3.1單相電流型逆變電路實際工作過程中，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：先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵方式。附加預充電起動電路。其基波電流有效值為：由以上可得出，負載電壓有效值Uo和直流電壓Ud的關系（忽略Ld的損耗，忽略晶閘管壓降）：（5-10）（5-9）5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.3.2三相電流型逆變電路1.

電路分析

基本工作方式是120°導電方式，即每個臂一周期內(nèi)導電120°，每個時刻上下橋臂組各有一個臂導通，換流方式為橫向換流。itOtOtOtOIdiViWuUVU圖5-14電流型三相橋式逆變電路的輸出波形

圖5-11電流型三相橋式逆變電路2.

波形分析輸出電流波形和負載性質(zhì)無關，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，大體為正弦波。輸出交流電流的基波有效值。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系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圖5-15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°導電工作方式，輸出波形和圖5-14的波形大體相同。采用強迫換流方式，電容C1~C6為換流電容。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.3.2三相電流型逆變電路-+UVW+-UVWa)+-UVWb)-+UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id-iV圖5-16換流過程各階段的電流路徑換流過程分析：電容器所充電壓的規(guī)律：對于共陽極晶閘管，它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。等效換流電容概念：在分析從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。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.3.2三相電流型逆變電路分析從VT1向VT3換流的過程:

假設換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負。如圖5-16a所示。

換流階段分為恒流放電和二極管換流兩個階段。在t1時刻觸發(fā)VT3導通，VT1被施以反壓而關斷。Id從VT1換到VT3，C13通過VD1、U相負載、W相負載、VD2、VT2、直流電源和VT3放電，放電電流恒為Id，故稱恒流放電階段。如圖5-16b所示。uC13下降到零之前，VT1承受反壓，反壓時間大于tq就能保證關斷。a)b）圖5-16換流過程各階段的電流路徑+-UVW+-UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.3.2三相電流型逆變電路c)d）圖5-16換流過程各階段的電流路徑t2時刻uC13降到零，之后C13反向充電。忽略負載電阻壓降，則二極管VD3導通，電流為iV，VD1電流為iU=Id-iV，VD1和VD3同時通，進入二極管換流階段。隨著C13電壓增高，充電電流漸小，iV漸大，t3時刻iU減到零，iV=Id，VD1承受反壓而關斷，二極管換流階段結(jié)束。

t3以后，VT2、VT3穩(wěn)定導通階段。-+UVW-+UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13iViViU=Id-iV5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.3.2三相電流型逆變電路波形分析：電感負載時，uC13、iU、iV及uC1、uC3、uC5波形如圖所示。uC1的波形和uC13完全相同，從UC0降為－UC0。C3和C5是串聯(lián)后再和C1并聯(lián)的，電壓變化的幅度是C1的一半。uC3從零變到-UC0，uC5從UC0變到零。這些電壓恰好符合相隔120°后從VT3到VT5換流時的要求。ttOuOiUCOuC13uC5uC3-UCOIdiUiVt1t2t3圖5-17串聯(lián)二極管晶閘管逆變電路換流過程波形5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.3.2三相電流型逆變電路舉例：電流型三相橋式逆變器驅(qū)動同步電動機，屬于負載換流。其工作特性和調(diào)速方式和直流電動機相似，但無換向器，因此稱為無換向器電動機。圖5-18無換相器電動機的基本電路5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.3.2三相電流型逆變電路BQ即轉(zhuǎn)子位置檢測器，檢測磁極位置以決定什么時候給哪個晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖。圖5-19無換相器電動機電路工作波形5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系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。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.4.1多重逆變電路多重逆變電路：電壓型、電流型逆變電路都可多重化，現(xiàn)以電壓型逆變電路為例說明其基本原理。多重逆變電路分為串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種。串聯(lián)多重即把幾個逆變電路的輸出串聯(lián)起來，多用于電壓型。并聯(lián)多重即把幾個逆變電路的輸出并聯(lián)起來，多用于電流型。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系5.4.1多重逆變電路二重單相電壓型逆變電路：由兩個單相全橋逆變電路組成，輸出通過變壓器T1和T2串聯(lián)起來。輸出波形：兩個單相的輸出電壓u1和u2均是180°矩形波。圖5-21二重逆變電路的工作波形圖5-20二重單相逆變電路兩個單相電路導通相位錯開j=60°,則u1和u2的3次諧波就錯開了3×60°=180。變壓器串聯(lián)合成后，兩者中的3次諧波相互抵消，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。5/7/2024西南交通大學峨眉校區(qū)電氣工程系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：圖5-22三相電壓型二重逆變電路由兩個三相橋式逆變電路構成，輸出通過變壓器串聯(lián)合成。兩個逆變電路均為180°導通方式。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)