逆变电路的基本工作原理.pdf

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1、.第第 5 5 章章 逆变电路逆变电路主要容：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容，第 6 章 PWM 控制技术和第 8 章组合变流电路中，有关逆

2、变电路的容会进一步展开1 1 换流方式换流方式（1 1）逆变电路的基本工作原理）逆变电路的基本工作原理单相桥式逆变电路为例：S1S4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

3、，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 2）换流方式分类）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

4、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：.

5、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：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为 uot1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 VT1、VT4换到 VT3、VT2。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

6、电容换流。直接耦合式强迫换流由换流电路电容提供换流电压。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 振荡第一个半周期关断。图 5-4b 中晶闸管在 LC 振荡第二个半周期关断。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。

7、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，而是在支路部终止流通而变为零，则称为熄灭。2 2 电压型逆变电路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 1）单相电压

8、型逆变电路）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：V1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，io波形随负载而异，感性负载时，图5-6b，V1或 V2通时，io和 uo同方向，直流侧向负载提供能量，.VD1或 VD2通时，io和 uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、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

9、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uo成傅里叶级数 (5-1)基波幅值 (5-2)基波有效值 (5-3)uo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V1和V2互补

10、， V3和V4互补关系不变。 V3的基极信号只比V1落后q ( 0q 180 )，V3、V4的栅极信号分别比 V2、V1的前移 180 -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

11、倍。必须有一个变压器。（2 2）三相电压型逆变电路）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。.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=Ud/2，4 通，uUN=-Ud/2。.负载线电压 (5-4)负载相电压负载中点和电源中点间电压 (5-5

12、) (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 (5-8)式中，k 为自然数输出线电压有效值 (5-9)基波幅值 (5-10)基波有效值b、负载相电压uUN展开成傅里叶级数得：. (5-11). (5-12

13、)式中，k 为自然数负载相电压有效值 (5-13)基波幅值 (5-14)基波有效值 (5-15)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 3 电流型逆变电路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。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：(1) 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

14、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 1） 单相电流型逆变电路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/dt。1、4 和 2、3 以10002500Hz 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，加热线圈的钢料，RL 串联为其等效电路。因功率因数很低，故并联 C。C 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

15、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，因此负载电压波形接近正弦波。工作波形分析：一周期，两个稳定导通阶段和两个换流阶段。t1-t2：VT1和 VT4稳定导通阶段，i=Id，t2时刻前在 C 上建立了左正右负的电压。t2-t4：t2时触发 VT2和 VT3开通，进入换流阶段。LT使 VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程。VT2、VT3电流有一个增大过程。4 个晶闸管全部导通，负载电压经两个并联的放电回路同时放电。t2时刻后，LT1、VT1、VT3、LT3到 C；另一个经 LT2、VT2、VT4、LT4到 C。t

16、=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。t4t2= tg称为换流时间。io在 t3时刻，即 iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于 t2和 t4的中点。保证晶闸管的可靠关断（图 5-13）：晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力， 换流结束后还要使 VT1、VT4承受一段反压时间 t，t= t5- t4应大于晶闸管的关断时间 tq。为保证可靠换流应在 uo过零前 td= t5- t2时刻触发 VT2、VT3。.td为触发引前时间 (5-16)io超前于 uo的时间 为 (5-17)表示为电角度 (5-18) 为电路工作角频率；、 分别是 t、t对应的电角度）.图 5-13

17、并联谐振式逆变电路工作波形.数量分析：忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数 (5-19)基波电流有效值 (5-20)负载电压有效值 Uo和直流电压 Ud的关系（忽略 Ld的损耗，忽略晶闸管压降）(5-21)实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。固定工作频率的控制方式称为他励方式。自励方式存在起动问题，解决方法：一是先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。另一种方法是附加预充电起动电路。（2 2） 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路电流型三相桥式逆变电路（图 5-11，采用全控型器件）。基本工作方式是 120

18、导电方式每个臂一周期导电 120。每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，横向换流。波形分析：输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各 120的矩形波。输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波。输出交流电流的基波有效值 (5-22)串联二极管式晶闸管逆变电路如图 5-15 所示。这种电路因各桥臂的晶闸管和二极管串联使用而得名，主要用于功率交流电动机调速系统。电流型三相桥式逆变电路：电路仍为前述的 120导电工作方式，输出波形和图 5-14的波形大体相同。各桥臂的晶闸管和二极管串联使用，各桥臂之间换流采用强迫换流方式，连接于各臂

19、之间的电容 C1C6即为换流电容。换流过程分析（图 5-16）.电容器充电规律：图 5-14 电流型三相桥式逆变电路的输出波形图 5-15 串联二极管式晶闸管逆变电路对共阳极晶闸管，与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负。不与导通晶闸管相连的电容器电压为零。共阴极晶闸管与共阳极晶闸管情况类似，只是电容器电压极性相反。等效换流电容：例如分析从 VT1向 VT3换流时，C13 就是 C3与 C5串联后再与 C1并联的等效电容。设 ClC6的电容量均为 C，则 Cl33C2。从 VT1向 VT3换流的过程：.换流前 VT1和 VT2通，C13电压 UC0左正右负。换流过程可分为恒流放电和二极管换流

20、两个阶段。图 5-16 换流过程各阶段的电流路径a、恒流放电阶段t1时刻触发 VT3导通，VT1被施以反压而关断。Id从 VT1换到 VT3，C13通过 VD1、U 相负载、W 相负载、VD2、VT2、直流电源和 VT3放电，放电电流恒为 Id，故称恒流放电阶段。uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于 tq就能保证关断。b、二极管换流阶段t2时刻 uC13降到零，之后 C13反向充电。忽略负载电阻压降，则二极管 VD3导通，电流为iV，VD1电流为 iU=Id-iV，VD1和 VD3同时通，进入二极管换流阶段。随着 C13电压增高，充电电流渐小，iV渐大，t3时刻 iU减到零，iV

21、=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段波形分析：电感负载时，uC13、iU、iV及 uC1、uC3、波形如图 5-17 所示。 图中给出了各换流电容电压 uC1、uC3和 uC5的波形。uC1的波形和uC13完全相同，在换流过程中，从 UC0降为UC0，C3和 C5是串联后再和 C1并联的，电压变化的幅度是 C1的一半。换流过程中，uC3从零变到-UC0，uC5从 UC0变到零，这些电压恰好符合相隔 120后从 VT3到 VT5换流时的要求。.图 5-17 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形无换向器电动机：电流型三相桥式逆变器驱动同步电动机，负

22、载换流，工作特性和调速方式和直流电动机相似，但无换向器，因此称为无换向器电动机。图 5-18 无换相器电动机的基本电路BQ转子位置检测器，检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲.图 5-19 无换相器电动机电路工作波形本章小结本章小结讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理：四大类基本变流电路中，AC/DC 和 DC/AC 两类电路更为基本、更为重要。换流方式：分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。逆变电路分类方法：可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类。本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类。电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深刻的认识。负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路。电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。与其他章的关系：本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整。下一章的 PWM 控制技术在逆变电路中应用最多，绝大部分逆变电路都是 PWM 控制的，学完下一章才能对逆变电路有一个较为完整的认识。逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二都结合构成间接交流变流电路。.