无源逆变电源原理Word格式文档下载.docx
《无源逆变电源原理Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无源逆变电源原理Word格式文档下载.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
v利用全控型器件的自关断能力进行换流（DeviceCommutation）
2.电网换流
v由电网提供换流电压称为电网换流（LineCommutation）
v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
v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
v由负载提供换流电压称为负载换流（LoadCommutation）
v负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流
v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
v基本的负载换流逆变电路：
v采用晶闸管
v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
图5-2负载换流电路及其工作波形
v工作过程（工作波形图5-2b）
•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
VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uo
•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（ForcedCommutation）
•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
♦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电感耦合式强迫换流原理图
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——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
13.2.0概述
逆变电路按其直流电源性质不同分为两种
v电压型逆变电路或电压源型逆变电路
v电流型逆变电路或电流源型逆变电路
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
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）
13.2.1单相电压型逆变电路
1．半桥逆变电路
电路结构
图5-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形
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，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
特点
♦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，两对交替各导通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
3.移相调压
♦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，V3和V4互补关系不变
♦V3的基极信号只比V1落后q（0<
q<
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
4．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和负载参数相同，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
v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
图5-8带中心抽头变压器的逆变电路
13.2.2三相电压型逆变电路
v三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路
v应用最广的是三相桥式逆变电路
v可看成由三个半桥逆变电路组成
图5-9三相电压型桥式逆变电路
v180°
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
v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
（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，因此逆变器从交流侧向直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
v负载线电压
♦
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
（5-11）
v负载相电压
uUN展开成傅里叶级数得
（5-12）
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
13.3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
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
直流侧串大电感，相当于电流源
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
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
v电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路
仍应用较多
v换流方式有负载换流、强迫换流
13.3.1单相电流型逆变电路
4桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器LT，用来限制晶闸管开通时的di/dt
1、4和2、3以1000~2500Hz的中频轮流导通，可得到中频交流电
图5-12单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路
采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负载电压
♦负载一般是电磁感应线圈，加热线圈内的钢料，R和L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
工作波形分析
v一周期内，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，iｏ=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，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电：
♦LT1、VT1、VT3、LT3到C；
另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C
♦t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束
♦t4－t2=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
v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tb
♦tb=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq
图5-13并联谐振式逆变电路工作波形
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）
♦w为电路工作角频率；
g、b分别是tg、tb对应的电角度
♦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：
v先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式
v附加预充电起动电路
13.3.2三相电流型逆变电路
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°
导电方式—每个臂一周期内导电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
图5-14电流型三相桥式逆变电路的输出波形
串联二极管式晶闸管逆变电路
主要用于中大功率交流电动机调速系统
电流型三相桥式逆变电路
各桥臂的晶闸管和二极管串联使用
120°
导电工作方式，输出波形和图5-14的波形大体相同
强迫换流方式，电容C1~C6为换流电容
图5-15串联二极管式晶闸管逆变电路
换流过程分析
♦电容器充电规律：
♦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
♦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
图5-16换流过程各阶段的电流路径
从VT1向VT3换流的过程（图5-16）
换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负
→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
♦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=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、uC5波形
→uC1的波形和uC13完全相同，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
→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
13.4多重逆变电路和多电平逆变电路
v电压型——输出电压是矩形波，电流型——输出电流是矩形波，谐波多
v多重逆变电路把几个矩形波组合起来，接近正弦
v多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近正弦
13.4.1多重逆变电路
电压型、电流型都可多重化，以电压型为例
单相电压型二重逆变电路
两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器T1和T2串联起来
输出波形：
两个单相的输出u1和u2是180°
矩形波
3次谐波
u1和u2相位错开j=60°
，其中3次谐波就错开了3X60°
=180°
变压器串联合成后，3次谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波
uo波形是120°
矩形波，含6k±
1次谐波，3k次谐波都被抵消
图5-20二重单相逆变电路
多重逆变电路有串联多重和并联多重两种
▪串联多重——把几个逆变电路的输出串联起来，多用于电压型
▪
并联多重——把几个逆变电路的输出并联起来，多用于电流型
图5-21二重逆变电路的工作波形
三相电压型二重逆变电路
由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过变压器串联合成
两个逆变电路均为180°
导通方式
逆变桥II的相位比逆变桥I滞后30°
图5-22三相电压型二重逆变电路图5-23二次侧基波电压合成相量图
T1为Δ/Y联结，线电压变比为（一次和二次绕组匝数相等）
T2一次侧Δ联结，二次侧两绕组曲折星形接法，其二次电压相对于一次电压而言，比T1的接法超前30°
，以抵消逆变桥II比逆变桥I滞后的30°
。
这样，uU2和uU1的基波相位就相同
图5-24三相电压型二重逆变电路波形图
输出谐波分析
uU1展成傅里叶级数
n=6k±
1（5-24）
n次谐波有效值（5-25）
输出相电压uUN展开成傅里叶级数，可得其基波有效值
（5-26）
n次谐波有效值（5-27）
n=12k±
1，uUN中已不含5次、7次等谐波
直流侧电流每周期脉动12次，称为12脉波逆变电路
使m个三相桥逆变电路的相位依次错开p/（3m），连同合成输出电压并抵消上述相位差的变压器，就可构成6m脉波逆变电路
13.4.2多电平逆变电路
回顾图5-9三相电压型桥式逆变电路和图5-10的波形
以N‘为参考点，输出相电压有Ud/2和-Ud/2两种电平，称为两电平逆变电路
三电平逆变电路
图5-25，也称中点钳位型
（NeutralPointClamped）逆变
电路
每桥臂由两个全控器件串联构成，两者中点通过钳位二极管和直流侧中点相连
图5-25三电平逆变电路
U相工作情况与输出相电压的电平
V11和V12（或VD11和VD12）通，V41和V42断，UO'
间电位差为Ud/2
V41和V42（或VD41和VD42）通，V11和V12断，UO’间电位差为-Ud/2
V12和V41导通，V11和V42关断时，UO‘间电位差为0
V12和V41不能同时导通
iU>
0时，V12和VD1导通
iU<
0时，V41和VD4导通
线电压的电平
相电压相减得到线电压
两电平逆变电路的输出线电压有±
Ud和0三种电平
三电平逆变电路的输出线电压有±
Ud、±
Ud/2和0五种电平
三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路
三电平逆变电路另一突出优点：
每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半
图5-1逆变电路及其波形举例
图5-2负载换流电路及其工作波形
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
图5-5电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）
图5-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形
图5-7单相全桥逆变电路的移相调压方式
图5-8带中心抽头变压器的逆变电路
图5-9三相电压型桥式逆变电路
图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形
图5-11电流型三相桥式逆变电路
图5-12单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路
图5-13并联谐振式逆变电路工作波形
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
图5-16换流过程各阶段的电流路径
图5-17串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形
图5-18无换相器电动机的基本电路
图5-19无换相器电动机电路工作波形
图5-20二重单相逆变电路
图5-21二重逆变电路的工作波形
图5-22三相电压型二重逆变电路
图5-23二次侧基波电压合成相量图
图5-24三相电压型二重逆变电路波形图
图5-25三电平逆变电路
升级会员 