第四章无源逆变电路.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 无源逆变电路,讲授教师：段志梅,联系方式：,,答疑时间：每周一晚,7,：,009,：,00,答疑地点：任美福楼,225,第四章 无源逆变电路,无源逆变电路,将直流电转变为频率、幅值固定或可变的交流电并直接供给负载变频电路,改变交流电频率的电路分为交,-,交变频电路和交,-,直,-,交变频电路,交,-,直,-,交变频电路由交,-,直变换电路和直,-,交变换电路两部分组成，后一部分属于无源逆变电路，是交,-,直,-,交变频电路的核心应用,交流传动的变频调速 感应加热,功率超声应用 列车照明,脉冲电镀电源 高频直流焊机,高频电子镇流器 快速充电机,4.1,概述,4.1.1,逆变器的分类,按相数分：,单相逆变器：适用于小功率领域,三相逆变器：适用于中大功率领域,根据输入直流电源分：,电压型逆变器：输入电源为恒压源，即直流电源端有大容量滤波,电容器，在逆变过程中，直流侧电压基本不变电流型逆变器：输入电源为恒流源，即直流电源端有大容量滤波,电抗器，在逆变过程中，直流侧电流基本不变根据电路结构特点分：,半桥式、全桥式、推挽式。

4.1.1,逆变器的分类,根据使用器件的换流方式分：,负载谐振式换流逆变器：,利用负载回路中电阻、电感和电容所形,成的谐振电路特性来保证电力开关器件的可靠关断，主要有并联谐振,式和串联谐振式换流方式逆变器强迫换流逆变器：,采用专门的换流回路使半控型器件可靠换流全控开关器件换流逆变器：,利用开关器件换流可以省去复杂的换,流电路，从而使电路简化，装置的体积小、重量轻逆变器的输出电压或电一般为方波或矩形波，只有经过,PWM,控,制，才能输出等效于正弦波的,PWM,脉冲波形4.1.2,换流方式,换流,电路从一个支路向另一个支路转移的过程也称,换相,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,换流方式,（,1,）器件换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流IGBT,、,MOSFET,、,GTO,、,GTR,硬开关换流：,利用全控型器件的自关断能力进行换流,软开关换流：,利用电容或电抗器造成电压或电流的谐振条件，在,电压或电流过零时关断器件，减少器件的开关换流2,）电网换流：由电网提供换流电压不需要器件具有门极可关断能,力，只要对欲关断的元件施加一定时间的负极性电网电压即可。

相控整流电路和变频器中的交,-,交变频属于电网换流方式4.1.2,换流方式,（,3,）负载换流：由负载谐振提供换流电压当负载电流的相位超前于,负载电压，即负载为容性负载时，可以实现半控器件的负载换流基本的负载换流逆变电路：,四个桥臂均由晶闸管组成；,负载为电阻电感串联后再和,电容并联，附加电容的目的,是使整个负载电路工作在接,近并联谐振而略呈容性的状,态，并改变负载功率因素直流侧串联一个很大的电感,L,d,，因此认为,i,d,基本没有脉动，四个桥,臂开关的切换仅使电流流通路径改变，所以负载电流基本呈矩形波因为负载工作在对基波电流接近并联谐振状态，故对基波阻抗很大而,对谐波阻抗很小，因此负载电压波形接近于正弦波,4.1.2,换流方式,（,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,向电压或电流常利用附加电容上所储存的能量来实现，又称为电容,换流强迫换流分类,直接耦合式：由换流电路内电容直接提供换流电压,电感耦合式：通过换流电路内电容和电感的耦合来提供换流电压直接耦合式强迫换流 电感耦合式强迫换流,4.1.2,换流方式,直接耦合强迫换流（,a,）：（,a,）（,b,）（,c,）,在晶闸管,VT,处于通态时预先给电容器按图所示的极性充电，当闭,合开关,S,时，就可使晶闸管施加反压而关断，这种给晶闸管施加反压而,使其关断的方式,又称为电压换流,。

电感耦合式强迫换流,（,b,）晶闸管在,LC,振荡第一个半周期内关断接通开关,S,后，,LC,振,荡电流将反向流过晶闸管,VT,，与,VT,的负载电流相抵减，直到流过,VT,的合成正向电流减至零后，再经过二极管,VD,导通，二极管的压降给晶,闸管加上反压，使其关断c,）晶闸管在,LC,振荡第二个半周期内关断接通开关,S,后，,LC,振,荡电流将正向流过晶闸管,VT,，与,VT,原有的负载电流相叠加，经过半个,振荡周期后，振荡电流反向流过晶闸管,VT,，直到,VT,的合成正向电流减,至零后再流过二极管,VD,导通，二极管的压降给晶闸管加上反压，使其,关断这种先使晶闸管电流减至零，再通过并联二极管施加反压的方,式,又称为电流换流,4.2,电压型逆变电路,电压型逆变电路主要特点,（,1,）直流侧为电压源，一般并联有大电容，相当于电压源直流侧电,压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗2,）由于直流电压源的嵌位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并,且与负载阻抗角无关而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况,的不同而不同3,）由于生产实践中大多数负载为阻感负载，因而需要提供无功功,率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。

为了给交流侧向直流侧反馈,的无功能量提供通道，逆变桥各桥臂都并联了反馈二极管电压型逆变电路类型：,单相半桥型、单向全桥型、三相半桥型、三相全桥型4.2.1,单相半桥型逆变电路,电路原理,开关器件,V1,、,V2,与,两个足够大的输入电容,C,构成半桥式逆变电路，,负载连接在相互串联大,电容的中点和两个桥臂连接点之间电容,C,相对于逆变频率足够大，所,以电容上的电压基本维持不变V1,、,V2,的栅极控制信号在一个周期内各有半周期正偏和半周期反,偏，且两者互补输出电压为矩形波，其幅值为,U,m,=U,d,/2,，输出电流,波形随负载的变化而变化4.2.1,单相半桥型逆变电路,工作原理,t,2,时刻以前,V1,为通,态，,V2,为断态t,2,时刻,给,V1,关断信号，给,V2,开,通信号，此时,V1,关断，,但,V2,中并不会立即有电流流过由于,i,o,不能立即改变方向，所以只能,通过,L-R-C,（下）,-VD2,所组成的回路续流在,t,3,时刻，,i,o,降为零，此,时,VD2,截止，,V2,导通，,i,o,改变方向t,3,至,t,4,段,i,o,反方向逐渐增加，并在,t,4,时刻达到最大值。

在,t,4,时刻给,V2,关断信号，给,V1,开通信号后，,V2,关,断并形成,R-L-VD1-C,（上）所组成的回路续流，至,t,5,时刻,V1,开通4.2.1,单相半桥型逆变电路,二极管的作用,二极管,VD1,、,VD2,称为续流二极管或反馈二极管，有两个作用：,（,1,）为感性负载滞后的负载电流提供反馈到直流电源的通路,（,2,）防止电感产生的反压损坏开关器件,半桥逆变电路的特点,电路简单，使用器件少输出电压小，需要控制两个电容电压的均衡适用于小功率的逆变电路4.2.2,单相全桥型逆变电路,电路原理,桥臂,V1,和,V4,一对，桥臂,V2,和,V3,一对，成对的两个桥臂同时导通,两对交替导通,180,VD1,、,VD2,、,VD3,、,VD4,均为续流二极管，作,用与半桥逆变电路中续流二极管相同工作原理,开关对,V1,、,V4,导通时，,a,点电位,U,a,=,U,d,，,b,点电位,U,b,=0,，输出电,压为,U,d,，负载电流,i,o,由,a,流向,b,；,开关对,V2,、,V3,导通时，,a,点电位,U,a,=0,，,b,点电位,U,b,=,U,d,，输出电,压为,-,U,d,，负载电流,i,o,由,b,流向,a,；,电路的输出波形和半桥的输出波形相同，也是矩形波，其幅值比,半桥情况下高一倍。

电路负载和半桥相同，,i,o,波形也和半桥时相同，其,幅值也比半桥情况下高一倍a b,4.2.2,单相全桥型逆变电路,基本数量关系,将输出的矩形波电压展开成傅里叶级数得：,其中基波分量的幅值和有效值分别为：,上述公式同样适用于半桥逆变电路，但式中的,U,d,换成,U,d,/2,上述输出的交流电压,u,o,为正负电压各为,180,的脉冲波形，改变,输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压,U,d,来实现4.2.2,单相全桥型逆变电路,移相调压,当负载为阻感负载时，可以通过,移相调压的方法来调节逆变电路的输,出电压移相调压的实质是调节输出,电压脉冲的宽度如图所示，各,IGBT,的栅极信号,仍然为正负半波各为,180,的方波，,并且,V1,、,V2,栅极信号互补，,V3,、,V4,栅极信号互补，但,V3,的信号比,V1,落后,（,0,180,）a b,4.2.2,单相全桥型逆变电路,工作原理,设在,t,1,时刻前,V1,和,V4,导通，输出电,压为,U,d,，,t,1,时刻,V3,和,V4,栅极控制信号相,反，,V4,截止，由于,i,o,不能突变，,V3,不能立,即导通，所以通过,VD3,导通续流。

在回路,R-L-VD3-V1,中由基尔霍夫电压定理可知,输出电压为零t,2,时刻，,V1,和,V2,栅极控制信号相反，,V1,截止，,V2,不能立即导通，,VD2,和,VD3,一起构成电流通道，输出电压为,-,U,d,到负,载电流过零并开始反向时，,VD2,和,VD3,截,止，同时,V2,和,V3,开通，输出电压仍为,-,U,d,t,3,时刻，,V3,和,V4,栅极控制信号再次反,向，,V3,截止，,V4,不能立即导通，电路通过,VD4,导通续流同理输出电压为零，以后的,过程和前面类似所以，改变,就可以调节,输出电压4.2.3,三相电压型逆变电路,电路原理,电路的直流侧有一个大电容，,为理解方便画作串联的两个电容,器，并标出了假想的中点,N,开关元件每隔,60,按标号,1,，,2,，,3,，,4,，,5,，,6,的次序赋予导通信号，,导电角度为,180,工作原理,当桥臂,1,导通（,V1,或,VD1,导通）时，当桥臂,4,导通,（,V4,或,VD4,导通）时，所以，的波形是幅值为,U,d,/2,的矩形波同理可知 、的波形也是幅值为,U,d,/2,的矩形,波，相位依次相差,120,4.2.3,三相电压型逆变电路,、的波形如图所示：,负载的线电压为：,d,图。

负载的相电压：,设负载中点,N,与直流电源假想中点,N,之,间的电压为 ，则负载各相的相电压分别为：,设负载为三相对称负载，有,得,（,e,）图,4.2.3,三相电压型逆变电路,的波形也是矩形波，其频率为,的三倍幅值为其,1/3,，即,U,d,/6,利用式：,求得负载相电压的波形，图（,f,），,u,VN,、,U,wn,的波形和,u,UN,相同，相位相差,120,负载参数已知，可以由,u,UN,的波形求出,U,相,电流,i,u,负载的阻抗角,不同，,i,u,波形的形状,和相位都不同，（,g,）图为 时的波形叠加,i,U,、,i,V,、,i,w,波形可以得到直流侧电流,i,d,的波,形图（,h,）可以看出，电流,i,d,每隔,60,脉动,一次，由于直流电压基本没有脉动，因此逆变器,从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，且脉动,情况和,i,d,脉动情况基本一致4.2.3,三相电压型逆变电路,基本数量关系,u,AB,展开成傅里叶级数得：,式中：为自然数输出线电压的有效值为：,其中，输出线电压基波分量的幅值为：,输出线电压基波分量有效值为：,将相电压,u,AN,展开成傅里叶级数可得：,为自然数负载相电压有效值为：,其中基波幅值和有效值分别为：,4.3,电流型逆变电路,电流型逆变电路,直流侧电源为电流源的电路。

主要特点：,（,1,）直流侧为电流源，一般串联有大电感，相当于电压源直流侧,电流基本无脉动，直流回路呈现高阻态2,）电路中开关器件的作用是改变直流电流的。