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第第5章逆变电路章逆变电路第1页，本讲稿共19页第第5章章 逆逆变电路变电路 引言引言 逆变的概念逆变的概念 逆变逆变与整流相对应，直流电变成交流电。与整流相对应，直流电变成交流电。交流侧接电网，为交流侧接电网，为有源逆变有源逆变有源逆变有源逆变。交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变无源逆变无源逆变无源逆变。逆变与变频逆变与变频变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。交交直直交交变变频频由由交交直直变变换换（整整流流）和和直直交交变变换换两两部部分分组组成成，后后一一部部分就是逆变。分就是逆变。主要应用主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电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。力电子装置的核心部分都是逆变电路。本章讲述无源逆变2第2页，本讲稿共19页5.1 换流方式换流方式 5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 5.1.2 换流方式分类换流方式分类3第3页，本讲稿共19页以以单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理为例说明最基本的工作原理5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理图5-1 逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。4第4页，本讲稿共19页5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理S S1 1、S S4 4闭合闭合闭合闭合，S S2 2、S S3 3断开断开断开断开时，负载时，负载电压电压u uo o为为正正正正。S S1 1、S S4 4断开断开断开断开，S S2 2、S S3 3闭合闭合闭合闭合时，负载电压时，负载电压u uo o为为负负负负。直流电交流电5第5页，本讲稿共19页5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理逆逆逆逆变变变变电电电电路路路路最最最最基基基基本本本本的的的的工工工工作作作作原原原原理理理理 改改变变两两组组开开关关切切换换频频率率，可可改改变变输出交流电频率。输出交流电频率。图5-1 逆变电路及其波形举例a)ub)toiot1t2电电阻阻负负载载时，负载电流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻阻感感负负载载时，i io o相位滞后于u uo o，波形也不同。6第6页，本讲稿共19页5.1.2 换流方式分类换流方式分类换换换换流流流流电电流流从从一一个个支支路路向向另另一一个个支支路路转转移移的的过程，也称为过程，也称为换相。换相。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。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。7第7页，本讲稿共19页5.1.2 换流方式分类换流方式分类1)1)器件换流器件换流（Device CommutationDevice Commutation）利用全控型器件的自关断能力进行换流。利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用在采用IGBTIGBT 、电力、电力MOSFETMOSFET 、GTOGTO 、GTRGTR等等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。2)电网换流电网换流（Line CommutationLine Commutation）电网提供换流电压的换流方式。电网提供换流电压的换流方式。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。适用于没有交流电网的无源逆变电路。3)负载换流负载换流（Load CommutationLoad Commutation）4)4)强迫换流强迫换流（Forced CommutationForced Commutation）8第8页，本讲稿共19页5.1.2 换流方式分类换流方式分类图5-2 负载换流电路及其工作波形 由负载提供换流电压的换流方式。由负载提供换流电压的换流方式。负载电流的相位超前于负载电压的场合，负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。都可实现负载换流。如图是基本的如图是基本的负载换流负载换流负载换流负载换流电路，电路，4 4个桥臂个桥臂均由晶闸管组成。均由晶闸管组成。整个负载工作在接近并联谐振状态而略整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。呈容性。直流侧串电感，工作过程可认为直流侧串电感，工作过程可认为i id d 基基本没有脉动。本没有脉动。负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以所以u uo o接近正弦波接近正弦波接近正弦波接近正弦波。注意注意注意注意触发触发VTVT2 2、VTVT3 3的时刻的时刻t t1 1必须在必须在u uo o过零前并留有足够的裕量，才能使换过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。流顺利完成。9第9页，本讲稿共19页4)强迫换流（Forced CommutationForced Commutation）5.1.2 换流方式分类换流方式分类由换流电路内电容直接提供换流电压直接耦合式强迫换流通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流电感耦合式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压或反电流的换流方式称为强迫换流强迫换流。通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流电容换流。分类10第10页，本讲稿共19页5.1.2 换流方式分类换流方式分类直接耦合式直接耦合式强迫换流 当晶闸管当晶闸管VTVT处于通态时，预处于通态时，预先给电容充电。当先给电容充电。当S S合上，就合上，就可使可使VTVT被施加反压而关断。也被施加反压而关断。也叫叫电压换流电压换流电压换流电压换流。图5-3直接耦合式强迫换流原理图图5-4 电感耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流 先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压。也叫电流换流。11第11页，本讲稿共19页5.1.2 换流方式分类换流方式分类换流方式总结：器件换流器件换流适用于全控型器件。适用于全控型器件。其余三种方式其余三种方式针对晶闸管。针对晶闸管。器件换流和强迫换流器件换流和强迫换流属于自换流。属于自换流。电网换流和负载换流电网换流和负载换流属于外部换流。属于外部换流。当当电电流流不不是是从从一一个个支支路路向向另另一一个个支支路路转转移移，而而是在支路内部终止流通而变为零，则称为是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭熄灭熄灭熄灭。12第12页，本讲稿共19页5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路1 1）逆变电路的分类）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同根据直流侧电源性质的不同根据直流侧电源性质的不同根据直流侧电源性质的不同电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路Current Source Type Inverter-VSTI直流侧是电流源13第13页，本讲稿共19页5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路2 2）电压型逆变电路的特）电压型逆变电路的特点点图5-5 电压型全桥逆变电路 (1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动无脉动。(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功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。14第14页，本讲稿共19页5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路1 1）半桥逆变电路半桥逆变电路u图56 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)b)ttOOONoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo o为矩形波，幅值为Um=Ud/2。V1或V2通时，io和uo o同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，i io o和u uo o反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极续流二极管管。15第15页，本讲稿共19页5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路优点优点优点优点：电路简单，使用器件少。电路简单，使用器件少。缺缺缺缺点点点点：输输出出交交流流电电压压幅幅值值为为U UU Ud d d d/2/2/2/2，且且直直流流侧侧需需两两电容器串联，要控制两者电压均衡。电容器串联，要控制两者电压均衡。应用应用应用应用：用于几用于几kWkW以下的小功率逆变电源。以下的小功率逆变电源。单单相相全全桥桥、三三相相桥桥式式都都可可看看成成若若干干个个半半桥桥逆逆变变电路的组合。电路的组合。16第16页，本讲稿共19页5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路2)2)全桥逆变电路全桥逆变电路共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180。输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo17第17页，本讲稿共19页5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路阻感负载时，还可采用阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出移相得方式来调节输出电压电压移相调压移相调压移相调压移相调压。V3的基极信号比V1落后q（0 q 180）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180q。输出电压是正负各为q的脉冲。改变q就可调节输出电压。tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式18第18页，本讲稿共19页5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路3 3）带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：时，uo和io o波 形及幅值与全桥逆变电路完全相同。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。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。19第19页，本讲稿共19页