逆变电路的基本工作原理.docx

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：逆变一一直流电变成交流电，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：S］〜s4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成S］、s4闭合，s2、S3断开 时，负载电压uo为正S］； S］、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，i°滞后于u°, 波形也不同(图5-1b)。

t1前：S］、S4通，Uo和io均为正t1时刻断开S］、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，i°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Ld，id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］、VT4 通，VT2、VT3 断，uio 均为正，VT2、VT3 电压即为 u°t1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT］、 vt4 换到 vt3、vt2t1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负载图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］和V2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, i 波形随负载而异，感性负载时，图5-6b，V］或V2通时，i同方向，直流侧向负载提供能量，VD］或VD2通时，i°和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD］、VD2称为反馈 二极管，还使io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180uo波形同图5-6b半桥电路的u幅值高出一倍Um=Ud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4J7 （ 1 1 >u. =—- - sin + -sin + Au成傅里叶级数 疔J 孑 ' 丿 （5-1）基波幅值1.27 耳(5-2)(5-3)基波有效值u为正负各180°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180°正偏， 180°反偏，且V］和V2互补，V3和V4互补关系不变V3的基极信号只比V］落后q （ 0vq <180°），V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°-q，u°成为正负各为q的脉冲，改变 q即可调节输出电压有效值乍7泗备E弋图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负载+oo2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180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°，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oV.vd3vd5vd4wvd6vd2—o图5-9三相电压型桥式逆变电路 波形分析：a)b)u)d)亡)0g)li)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尸Ud/2, 4通，uUN尸-Ud/2。

5-4)负载线电压肛矶*耐一"吵UW = UU1T -UHW^Vff = ^Uff -UHW(5-5)负载相电压盘啊+啊_"回负载中点和电源中点间电压(5-6)H +!、一 g—.“L 「士 C -r H UNl)r - + uvw + uw负载二相对称时有uUN+uVN+uWN=0,于是 3(5-7)禾U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id的波形，id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，电压型逆变电路的一个特点定量分析：a、输出线电压uUV展开成傅里叶级数——匸 win 皿一 -sin— sin?一sinl 1^ 4-一sml3^-A ?r I 5 7 11 13(5-8)式中，左二土 1，k为自然数输出线电压有效值(5-9)基波有效值(5-10)(5-11)b、负载相电压uUN展开成傅里叶级数得:u 一些UTTff —JT111 1 \sint2jtf+ -sin5t2jtf + — sin7tirf+ —sinllt2f h—sml3(2jtf +A5 7 11 13 )式中，用二阮±1 , k为自然数0.637^负载相电压有效值%处為出曲=0.471!/!UWlmTT基波有效值弘％(5-12)(5-13)(5-14)(5-15)win E 十亍一win r］赵防止同一相上下两桥臂开关器件直通，采取“先断后通”的方法。

3电流型逆变电路直流电源为电流源的逆变电路——电流型逆变电路一般在直流侧串联大电感，电流 脉动很小，可近似看成直流电流源实例之一：图5-11电流型三相桥式逆变电路交流侧电容用于吸收换流时负载电感中 存贮的能量L十 a VTTvii蚀立亚\Z佃込Z血込2可皿萃vr?甲 禺VT,—Ci VTg图5-11电流型三相桥式逆变电路 电流型逆变电路主要特点：⑴直流侧串大电感，相当于电流源2) 交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同3) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多换流方式有负载换流、强迫 换流1)单相电流型逆变电路图5-12单相桥式电流型(并联谐振式)逆变电路4桥臂，每桥臂晶闸管各串一个电抗器Lt限制晶闸管开通时的di/dt1、4和2、3以 1000〜2500Hz的中频轮流导通，可得到中频交流电采用负载换相方式，要求负载电流超 前于电压负载一般是电磁感应线圈，加热线圈内的钢料，RL串联为其等效电路因功率因数很 低，故并联CC和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。

因基波频 率接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，谐波在负载上产生 的压降很小，因此负载电压波。