第4章 逆變電路

第5章逆變電路

5.1換流方式

5.2電壓型逆變電路

5.3電流型逆變電路

5.4多重逆變電路和多電平逆變電路

本章小節(jié)1第5章逆變電路?引言逆變的概念

逆變——與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。逆變與變頻變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。主要應(yīng)用本章講述無源逆變25.1換流方式

5.1.1逆變電路的基本工作原理

5.1.2換流方式分類3以單相橋式逆變電路為例5.1.1逆變電路的基本工作原理圖5-1逆變電路及其波形舉例負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1S1～S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。t245.1.1逆變電路的基本工作原理S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負(fù)載電壓uo為正。S1、S4斷開，S2、S3閉合時，負(fù)載電壓uo為負(fù)。55.1.1逆變電路的基本工作原理逆變電路最基本的工作原理

——改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖5-1逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載時，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時，io相位滯后于uo，波形也不同。65.1.2換流方式分類換流——電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使器件開通。關(guān)斷：全控型器件可通過門極控制關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷。一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。75.1.2換流方式分類1)器件換流（DeviceCommutation）利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。在采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中。2)電網(wǎng)換流（LineCommutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于無源逆變電路。3)

負(fù)載換流（LoadCommutation）4)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）85.1.2換流方式分類圖5-2負(fù)載換流電路及其工作波形

由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。整個負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小，所以uo接近正弦波。觸發(fā)VT2、VT3的時刻t1，必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。ttttOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT494)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）5.1.2換流方式分類由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓直接耦合式強(qiáng)迫換流通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流電感耦合式強(qiáng)迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式。通常利用附加電容上所儲存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流。分類105.1.2換流方式分類直接耦合式強(qiáng)迫換流（電壓換流）

當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時，預(yù)先給電容充電。當(dāng)S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。

圖5-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖圖5-4電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式強(qiáng)迫換流（電流換流）

先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓。

115.1.2換流方式分類換流方式總結(jié)：器件換流——適用于全控型器件。其余三種方式——針對晶閘管。器件換流和強(qiáng)迫換流——屬于自換流。電網(wǎng)換流和負(fù)載換流——屬于外部換流。熄滅：當(dāng)電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱恪?25.2電壓型逆變電路1）逆變電路的分類——根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同電壓型逆變電路——又稱為電壓源型逆變電路VoltageSourceInverter-VSI直流側(cè)是電壓源電流型逆變電路——又稱為電流源型逆變電路CurrentSourceInverter-CSI直流側(cè)是電流源135.2電壓型逆變電路2）電壓型逆變電路的特點(diǎn)圖5-5電壓型全橋逆變電路(1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動。(2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。(3)阻感負(fù)載時需提供無功功率，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。145.2電壓型逆變電路

5.2.1單相電壓型逆變電路

5.2.2三相電壓型逆變電路155.2.1單相電壓型逆變電路1）半橋逆變電路u圖5－6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理V1和V2柵極信號在一周期內(nèi)互補(bǔ)，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2；V1或V2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管,又稱續(xù)流二極管。165.2.1單相電壓型逆變電路優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，使用器件少。缺點(diǎn)：輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應(yīng)用：幾kW以下的中小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。175.2.1單相電壓型逆變電路2)全橋逆變電路共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導(dǎo)通180°。輸出電壓、電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實(shí)現(xiàn)。185.2.1單相電壓型逆變電路阻感負(fù)載時，還可采用移相的方式來調(diào)節(jié)輸出電壓－移相調(diào)壓。a)圖5-7移相調(diào)壓方式tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoV3的柵極信號比V1落后q

（0＜q

＜180°）。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180°－q。輸出電壓是正負(fù)各為q的脈沖。改變q，就可調(diào)節(jié)輸出電壓。195.2.1單相電壓型逆變電路3）帶中心抽頭變壓器的逆變電路圖5-8帶中心抽頭變壓器的逆變電路交替驅(qū)動兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。20Ud和負(fù)載參數(shù)相同、變壓器匝比為1：1時，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。與全橋電路的比較：比全橋電路少用一半開關(guān)器件。器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高一倍。必須有一個變壓器。215.2.2三相電壓型逆變電路三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路圖5-9三相電壓型橋式逆變電路225.2.2三相電壓型逆變電路基本工作方式——180°導(dǎo)電方式每橋臂導(dǎo)電180°，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120°。任一瞬間有三個橋臂同時導(dǎo)通。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流。235.2.2三相電壓型逆變電路負(fù)載各相到電源中點(diǎn)N'的電壓：U相，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2。負(fù)載線電壓負(fù)載相電壓圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3245.2.2三相電壓型逆變電路負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓

(5-6)

負(fù)載三相對稱時有uUN+uVN+uWN=0，于是

(5-7)負(fù)載已知時，可由uUN波形求出iU波形。255.2.2三相電壓型逆變電路一相上下兩橋臂間的換流過程和半橋電路相似。橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60°脈動一次，直流電壓基本無脈動，故逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的脈動功率。防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短路，應(yīng)采取“先斷后通”。265.3電流型逆變電路電流型逆變電路：直流電源為電流源的逆變電路。電流型逆變電路中，采用半控型器件仍較多。換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。圖5-11電流型三相橋式逆變電路27電流型逆變電路主要特點(diǎn)：

(1)

直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動，相當(dāng)于電流源。

(2)

交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)。輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。

(3)直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。285.3電流型逆變電路

5.3.1單相電流型逆變電路

5.3.2三相電流型逆變電路

295.3.1單相電流型逆變電路1)電路原理圖5－12單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路由四個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用來限制晶閘管開通時的di/dt。工作方式為負(fù)載換相。電容C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。30tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖5－13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形2)工作分析一個周期內(nèi)有兩個穩(wěn)定導(dǎo)通階段

和兩個換流階段。t1~t2：VT1和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，iｏ=Id，t2時刻前在C上建立了左正右負(fù)的電壓。t2~t4：t2時觸發(fā)VT2和VT3開通，進(jìn)入換流階段。31t=t4時，VT1、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4－t2=tg

稱為換流時間。保證晶閘管的可靠關(guān)斷：晶閘管需一段時間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時間tb。tb=t5-t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時間tq。。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖5－13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形32為保證可靠換流，應(yīng)在uo過零前td=t5-t2時刻觸發(fā)VT2、VT3，td為觸發(fā)引前時間。

(5-16)io超前于uo的時間

(5-17)表示為電角度(5-18)w為電路工作角頻率；g、b分別是tg、tb對應(yīng)的電角度。5.3.1單相電流型逆變電路335.3.1單相電流型逆變電路忽略換流過程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級數(shù)

(5-19)基波電流有效值

(5-20)負(fù)載電壓有效值Uo和直流電壓Ud的關(guān)系（忽略Ld的損耗，忽略晶閘管壓降）

(5-21)345.3.1單相電流型逆變電路自勵方式:使工作頻率適應(yīng)負(fù)載的變化而自動調(diào)整的控制方式。他勵方式：固定工作頻率的控