逆变电路的基本工作原理

,.第5章逆变电路主要内容：换流方式，电压型逆变电路，电流型逆变电路，多重逆变电路和多电平逆变电路。重点：换流方式，电压型逆变电路。难点：电压型逆变电路，电流型逆变电路。基本要求：掌握换流方式，掌握电压型逆变电路，理解电流型逆变电路，了解多重逆变电路和多电平逆变电路。逆变概念：逆变 直流电变成交流电，与整流相对应。本章无源逆变逆变电路的应用：蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。本章仅讲述逆变电路基本内容， 第 6 章 PWM 控制技术和第 8 章组合变流电路中， 有关逆变电路的内容会进一步展开1 换流方式（ 1）逆变电路的基本工作原理单相桥式逆变电路为例：S1 S4 是桥式电路的 4 个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 S1、S4 闭合， S2、S3 断开时，负载电压 uo 为正 S1；S1、 S4 断开， S2、S3 闭合时， uo 为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。图 5-1 逆变电路及其波形举例电阻负载时，负载电流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同。阻感负载时， io 滞后于 uo，波形也不同（图 5-1b）。;.,.t1 前： S1、 S4 通， uo 和 io 均为正。t1 时刻断开 S1、 S4，合上 S2、 S3，uo 变负，但 io 不能立刻反向。io 从电源负极流出，经S2、负载和 S3 流回正极，负载电感能量向电源反馈，io 逐渐减小， t2 时刻降为零，之后io 才反向并增大（ 2）换流方式分类换流 电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。开通：适当的门极驱动信号就可使其开通。关断：全控型器件可通过门极关断。半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。本章换流及换流方式问题最为全面集中，因此在本章讲述1、器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Commutation）。2、电网换流由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）。可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路，不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。3、负载换流由负载提供换流电压称为负载换流（ Load Commutation）。负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。图 5-2 负载换流电路及其工作波形基本的负载换流逆变电路：采用晶闸管，负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入，直流侧串入大电感 L d， i d 基本没有脉动。工作过程：;.,.4 个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波。 负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo 波形接近正弦。t1 前： VT 1、 VT 4 通， VT 2、VT 3 断， uo、 io 均为正， VT 2、VT 3 电压即为 uot1 时：触发 VT 2、VT 3 使其开通， uo 加到 VT 4、VT 1 上使其承受反压而关断， 电流从 VT 1、VT 4 换到 VT3、VT 2。t1 必须在 uo 过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。4、强迫换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流（ Forced Commutation）。通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流。直接耦合式强迫换流 由换流电路内电容提供换流电压。 VT 通态时，先给电容 C 充电。合上 S 就可使晶闸管被施加反压而关断。图 5-3 直接耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流 通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流。两种电感耦合式强迫换流：图 5-4a 中晶闸管在 LC 振荡第一个半周期内关断。图 5-4b 中晶闸管在 LC 振荡第二个半周期内关断。图 5-4 电感耦合式强迫换流原理图;.,.给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图5-3）。先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流（图5-4）。器件换流 适用于全控型器件。其余三种方式 针对晶闸管。器件换流和强迫换流 属于自换流。电网换流和负载换流 属于外部换流。当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。2 电压型逆变电路逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。图 5-1 电路的具体实现。图 5-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）电压型逆变电路的特点(1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动(2) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同(3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管（ 1）单相电压型逆变电路1、半桥逆变电路电路结构：见图 5-6。工作原理：V 1 和 V 2 栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。uo 为矩形波，幅值为Um=Ud/2， io波形随负载而异，感性负载时，图5-6b，V 1 或 V 2 通时， io 和 uo 同方向，直流侧向负载提;.,.供能量， VD 1 或 VD 2 通时， i o 和 uo 反向，电感中贮能向直流侧反馈， VD 1、VD 2 称为反馈二极管，还使 i o 连续，又称续流二极管。图 5-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形优点：简单，使用器件少缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几kW以下的小功率逆变电源。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。2、全桥逆变电路电路结构及工作情况：图 5-5，两个半桥电路的组合。 1 和 4 一对， 2 和 3 另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通 180°。uo 波形同图 5-6b。半桥电路的 uo，幅值高出一倍 Um=Ud。io 波形和图 5-6b 中的 io 相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。输出电压定量分析o 成傅里叶级数(5-1)u基波幅值(5-2)基波有效值(5-3)uo 为正负各 180o时，要改变输出电压有效值只能改变Ud 来实现。移相调压方式（图5-7）。可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180o正偏，180o反偏，且 V 1 和 V 2 互补， V 3 和 V 4 互补关系不变。 V 3 的基极信号只比 V 1 落后 q ( 0<q <180o)，V 3、V 4 的栅极信号分别比 V 2、V 1 的前移 180o-q，uo 成为正负各为 q 的脉冲，改变q 即可调节输出电压有效值。;.,.图 5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式3、带中心抽头变压器的逆变电路交替驱动两个 IGBT ，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道，Ud 和负载相同，变压器匝比为1:1:1 时， uo 和 io 波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。图 5-8 带中心抽头变压器的逆变电路与全桥电路的比较，比全桥电路少用一半开关器件，器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高一倍。必须有一个变压器。（ 2）三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。应用最广的是三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成。180°导电方式：每桥臂导电 180o，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120o，任一瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。;.,.图 5-9 三相电压型桥式逆变电路波形分析：图 5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形负载各相到电源中点N的电压： U 相， 1 通， uUN=U d/2， 4 通， uUN=-U d/2。;.,.负载线电压(5-4)负载相电压(5-5)负载中点和电源中点间电压(5-6)负载三相对称时有uUN+uVN +uWN =0，于是(5-7)利用式 (5-5)和(5-7)可绘出 uUN、 uVN 、 uWN 波形。负载已知时，可由uUN 波形求出 iU 波形，一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似，桥臂1、3、5 的电流相加可得直流侧电流 i d 的波形， i d 每 60°脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变