逆变主电路.docx

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逆变主电路

六、逆变主电路

1．逆变的基本概念和换流方式

（1）逆变的基本概念

将直流电变换成交流电的电路称为逆变电路，根据交流电的用途可以分为有源逆变和无源逆变。

有源逆变是把交流电回馈电网，无源逆变是把交流电供给不同频率需要的负载。

无源逆变就是通常说到的变频。

（2）逆变电路的换流方式

换流实质就是电流在由半导体器件组成的电路中不同桥臂之间的转移。

常用的电力变流器的换流方式有以下几种：

1）负载谐振换流

由负载谐振电路产生一个电压，在换流时关断已经导通的晶闸管，一般有串联和并联谐振逆变电路，或两者共同组成的串、并联谐振逆变电路。

2）强迫换流

附加换流电路，在换流时产生一个反向电压关断晶闸管。

3）器件换流

利用全控型器件的自关断能力进行换流。

（3）逆变电路基本工作原理

电路图和对应的波形图如图5-32；说明几点：

图5－32逆变电路原理示意图及波形图

1）S1、S4闭合，S2、S3断开，输出uo为正，反之，S1、S4断开，S2、S3闭合，输出uo为负，这样就把直流电变换成交流电。

2）改变两组开关的切换频率，可以改变输出交流电的频率。

3）电阻性负载时，电流和电压的波形相同。

电感性负载时，电流和电压的波形不相同，电流滞后电压一定的角度。

2．单相逆变电路

电路根据直流电源的性质不同，可以分为电流型、电压型逆变电路。

（1）电压型逆变电路（电路图如图5-33所示）：

电压型逆变电路的基本特点：

1）直流侧并联大电容，直流电压基本无脉动。

2）输出电压为矩形波，电流波形与负载有关。

3）电感性负载时，需要提供无功。

为了有无功通道，逆变桥臂需要并联二极管。

图5－33电压型逆变电路原理图

（2）电流型逆变电路（电路图如图5-34所示）

电流型逆变电路的基本特点：

图5－34电流型逆变电路原理图

1）直流侧串联大电感，直流电源电流基本无脉动。

2）交流侧电容用于吸收换流时负载电感的能量。

这种电路的换流方式一般有强迫换流和负载换流。

3）输出电流为矩形波，电压波形与负载有关。

4）直流侧电感起到缓冲无功能量的作用，晶闸管两端不需要并联二极管。

3．单相电流型逆变电路

（1）电路结构

电路原理图如图5-35所示：

图5－35单相电流型逆变电路原理图

桥臂串入4个电感器，用来限制晶闸管开通时的电流上升率di/dt。

VT1～VT4以1000～5000Hz的中频轮流导通，可以在负载得到中频电流。

采用负载换流方式，要求负载电流要超前电压一定的角度。

负载一般是电磁感应线圈，用来加热线圈的导电材料。

等效为R、C串联电路。

并联电容C，主要为了提高功率因数。

同时，电容C和R、L可以构成并联谐振电路，因此，这种电路也叫并联谐振式逆变电路。

（2）工作原理

输出的电流波形接近矩形波，含有基波和高次谐波，且谐波的幅值小于基波的幅值。

波形如图5-36所示。

图5－36单相电流型逆变电路波形图

基波频率接近负载谐振的频率，负载对基波呈高阻抗。

对谐波呈低阻抗，谐波在负载的压降很小。

因此，负载的电压波形接近于正弦波。

一个周期中，有两个导通阶段和两个换流阶段。

t1～t2阶段，VT1，VT4稳定导通阶段，io=Id；t2时刻以前在电容C建立左正右负的电压。

t2～t4：

t2时刻触发VT2，VT3，进入换流阶段。

LT使VT1，VT4不能立即关断，电流有一个减小的过程。

VT2，VT3的电流有一个增大的过程。

4个晶闸管全部导通。

负载电容电压经过两个并联的放电回路放电。

LT1～VT1～VT3～LT3～C，另一条：

LT2～VT2～VT4～LT4～C。

t=t4时刻，VT1，VT4的电流减小到零而关断，换流过程结束。

t4～t2称为换流时间。

t3时刻位于t2～t4的中间位置。

为了可靠关断晶闸管，不导致逆变失败，晶闸管需要一段时间才能恢复阻断能力，换流结束以后，还要让VT1，VT4承受一段时间的反向电压。

这个时间称为tβ=t5-t4，tβ应该大于晶闸管的关断时间tq。

为了保证可靠换流。

应该在电压uo过零前tδ=t5-t2触发VT2，VT3。

tδ称为触发引前时间，tδ=tβ+tγ，电流i0超前电压U0的时间为：

tφ=tβ+0.5tγ。

（3）基本数量分析

如果不计换流时间，输出电流的傅立叶展开式为：

其中基波电流的有效值为：

负载电压的有效值与直流输出电压的关系为：

（4）几点说明

实际工作过程中，感应线圈的参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整。

这种工做方式称为自励工作方式。

固定工作频率的控制方式称为他励方式。

他励方式存在起动问题。

一般解决的方法有：

先用他励方式，到系统起动以后再转为自励方式；附加预充电起动电路。

七、逆变触发电路

逆变触发电路与整流触发电路不同，根据前边并联逆变电路的工作原理分析可知，逆变触发电路必须满足以下要求：

①输出电压过零之前发出触发脉冲，超前时间tδ=φ/ω。

②在感应炉中，感应线圈的等效电感L和电阻R随加热时间而变化，震荡回路的谐振频率f0也是变化的，为了保证工作过程中，f＞f0且f≈f0。

要求触发脉冲的频率随之自动改变。

要求频率自动跟踪。

③为了触发可靠，输出的脉冲前沿要陡，有一定的幅值和宽度。

④必须有较强的抗干扰能力。

要满足以上要求的触发电路，只能用自激式的，即采用频率自动跟踪。

实现的方法较多，下面主要介绍几种常见的电路。

1．频率自动跟踪电路

所谓自动跟踪，是指保持负载电压u0过零前产生的控制脉冲的时间不变。

保持超前时间tβ为恒值。

图5-37为频率自动跟踪电路的电路原理图，图5-38为波形分析图。

由逆变电路的分析可知，逆变电路只要超前时间tβ大于熄灭角对应的时间tμ（忽略重叠角对应的时间），逆变电路可以安全运行。

由波形分析得到：

β=arctanU2m/U1m

tβ=β/ω（ω=2π/T）

上式表明，若改变U1m或U2m的值。

即可改变超前角β。

从而改变超前时间tβ。

在合成信号us正负半波的过零点分别产生脉冲列uo1和uo2。

他们都超前U1的零点一段时间tβ。

用uo1触发逆变电路的VT2，VT4；用uo2触发逆变电路的VT1，VT3；负载输出电压波形近似正弦波即：

UO=Uom×sinωt

图5－38自动跟踪波形

上式表明，信号U1可以取自负载电压UO。

U2可用电流互感器的负载电位器RP1的端压得到。

图中的A部分，TV是电压互感器，TA是电流互感器。

适当调节RP1，RP2的位置，可以获得需要的tβ值。

而RP1，RP2的位置一旦确定，tβ值维持不变。

图中的B部分，是脉冲形成电路，将正弦信号Us转换为两列相位互差180º的脉冲uo1和uo2。

脉冲经过后续电路的整形和功率放大后，可以作为逆变电路晶闸管的出发信号。

电力电子器件驱动电路概述

驱动电路——主电路与控制电路之间的接口

使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义；

对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。

驱动电路的基本任务：

将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号；

对半控型器件只需提供开通控制信号；

对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。

驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离

光隔离一般采用光耦合器；

磁隔离的元件通常是脉冲变压器。

图1-25光耦合器的类型及接法

a）普通型b）高速型c）高传输比型

电流驱动型和电压驱动型

具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路：

双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路；

为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。

5.1.2晶闸管的触发电路

作用：

产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通

广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路

晶闸管触发电路应满足下列要求：

•触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住电流的概念）

•触发脉冲应有足够的幅度

•不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内

•应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离

图1-26　理想的晶闸管触发脉冲电流波形

t1~t2脉冲前沿上升时间（<1s）　t1~t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脉冲宽度　　I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）

图1-27常见的晶闸管触发电路

V1、V2构成脉冲放大环节；

脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节；

 V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲；

VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设。

5.1.3典型全控型器件的驱动电路

1.电流驱动型器件的驱动电路

GTO

GTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流

使GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力

图1-28　推荐的GTO门极电压电流波形

驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。

直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低。

•典型的直接耦合式GTO驱动电路：

•

二极管VD1和电容C1提供+5V电压

•VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压

•VD4和电容C4提供-15V电压

•V1开通时，输出正强脉冲

•V2开通时输出正脉冲平顶部分

•V2关断而V3开通时输出负脉冲

•V3关断后R3和R4提供门极负偏压

图1-29　典型的直接耦合式GTO驱动电路

GTR

•开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区

•关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压

图1-30　理想的GTR基极驱动电流波形

GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分

图1-31　GTR的一种驱动电路

二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝克箝位电路，也即一种抗饱和电路，负载较轻时，如V5发射极电流全注入V，会使V过饱和。

有了贝克箝位电路，当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc≈0。

C2为加速开通过程的电容。

开通时，R5被C2短路。

可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。

2.电压驱动型器件的驱动电路

栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。

使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般15~20V。

关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5~-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。

在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。

电力MOSFET的一种驱动电路：

电气隔离和晶体管放大电路两部分

无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压；

当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。

图1-32　电力MOSFET的一种驱动电路

专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。

IGBT的驱动

多采用专用的混合集成驱动器

图1-33　M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图

常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。

内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。

M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为-10V。

电力电子器件器件的保护

5.2.1过电压的产生及过电压保护

电力电子装置可能的过电压—外因过电压和内因过电压

外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因

（1） 操作过电压：

由分闸、合闸等开关操作引起；

（2） 雷击过电压：

由雷击引起。

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程

（1） 换相过电压：

晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压；

（2） 关断过电压：

全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

过电压保护措施

图1-34　过电压抑制措施及配置位置

F避雷器　D变压器静电屏蔽层　C静电感应过电压抑制电容

RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路　RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路

RV压敏电阻过电压抑制器　RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路

RC4直流侧RC抑制电路　RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路

电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。

其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。

外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见图1-35。

RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧。

图1-35　RC过电压抑制电路联结方式

a）　单相　b）　三相

大容量电力电子装置可采用图1-36所示的反向阻断式RC电路

图1-36　反向阻断式过电压抑制用RC电路

保护电路参数计算可参考相关工程手册。

其他措施：

用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件限制或吸收过电压。

5.2.2过电流的产生及过电流保护

过电流——过载和短路两种情况

常用措施（图1-37）

图1-37　过电流保护措施及配置位置

快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。

同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。

电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

快速熔断器

电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施

选择快熔时应考虑：

（1）电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定；

（2）电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定；

（3）快熔的I2t值应小于被保护器件的允许I2t值；

（4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。

快熔对器件的保护方式：

全保护和短路保护两种

全保护：

过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合；

短路保护方式：

快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。

对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件（很难用快熔保护），需采用电子电路进行过电流保护。

常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快。

5.3电力电子器件器件的串联和并联使用

5.3.1晶闸管的串联

目的：

当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联

问题：

理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀

•静态不均压：

串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等

•承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用

•反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿

静态均压措施

•选用参数和特性尽量一致的器件

•

采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多

图1-41　晶闸管的串联

a）　伏安特性差异　b）　串联均压措施

动态均压措施

▪动态不均压——由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压

▪动态均压措施：

✓选择动态参数和特性尽量一致的器件

✓用RC并联支路作动态均压

✓采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异

5.3.2晶闸管的并联

目的：

多个器件并联来承担较大的电流

问题：

会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀

均流措施

•挑选特性参数尽量一致的器件

•采用均流电抗器

•用门极强脉冲触发也有助于动态均流

•

当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接

图1－43晶闸管并联均流电路