逆变电路的基本工作原理

1、,.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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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 ( 0q 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

7、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

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