逆变电路的基本工作基本原理.docx

1、逆变电路的基本工作基本原理第5章逆变电路主要内容：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：逆变一一直流电变成交流电，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内容，第6章PWM控制技术和第8章组合变流电路中，有

2、关 逆变电路的内容会进一步展开1换流方式(1)逆变电路的基本工作原理单相桥式逆变电路为例：Sl、S4闭合，S2、S3断开Uo为负，把直流电变成了交流电。S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 时，负载电压Uo为正Sl； Sl、S4断开，S2、S3闭合时， 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。VTua)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)。ti前：Si、S4通，uo和io均为正。ti时刻断开Si、S4,合上S2、S3, Uo变负，但io不能立刻反向。io从电源负极流出，

3、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)换流方式分类换流一一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、 电网换流由电网提供换流电压称为电网换流(Line Commutation

4、)。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。匕负载/乂b)a)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：4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基

5、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。ti 前：VTi、VT4通，VT2、VT3断，Uo、io均为正，VT2、VT3 电压即为 Uoti时：触发VT2、VT3使其开通，Uo加到VT4、VTi上使其承受反压而关断，电流从VTi、 VT4换至U VT3、VT2。tl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，也称为电容 换流。直接耦合式强迫换流一一由

6、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。SVT0 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。a)b)图5-4电感耦合式强迫换流原理图5-3)。先使晶闸管电流减5-4 ）。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 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 器件换流一一适用于全控型器件。其余三种方式一一针对晶闸管。器件换流和强迫换流 属

7、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, 为熄灭。而是在支路内部终止流通而变为零，则称2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:电流型逆变电路或电流源型逆变电路。电压型逆变电路或电压源型逆变电路,图5-1电路的具体实现。图5-5电压型逆变电路举例bl(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)单相电压型逆变电路1、半桥逆变电路电路结构：见图5-6。

8、工作原理：Vi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，i。波形随负载而异，感性负载时，图 5-6b, Vi或V2通时，i。和Uo同方向，直流侧向负载提供能量，VDi或VD2通时，io和uo反向, 二极管，还使io连续，又称续流二极管。电感中贮能向直流侧反馈， VDi、VD2称为反馈rq丄T i.丄T 一2vd,IFVD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个半桥逆变电路的组合。2、全桥逆变电路电路

9、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=Udo 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。输出电压定量分析咕一Uo成傅里叶级数 丸 1 1 sinM+ - sin 3凶 + -sin 5E+AI 3 5 丿(5-1)基波幅值(5-2)基波有效值JT(5-3)1800正偏，Vi 落后 q （ 0qq的脉冲，改变180 o时，要改变输出电压有效值只能改变 Ud来实现。Uo为正负各移相调压方式（图5-7）。可采用移相方式调节逆变电路的输出电

10、压，称为移相调压。各栅极信号为 180o反偏，且Vi和V2互补，V3和V4互补关系不变。V3的基极信号只比 v180o，V3、V4的栅极信号分别比V2、Vi的前移180o-q，Uo成为正负各为 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。-o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

11、路高一倍。必须有一个变压器。(2)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1800,同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差 1200,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。波形分析:-oa)u)e)h)ynZS $张 $gVD5yD,W nVD, ZK $图5-9三相电压型桥式逆变电路110UVhV” 06 0)1 : 屯图 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=

12、-Ud/2。TJV =临7傭vW = viT 1(5-4)负载线电压-= Utjit -Uhwvs (5-5)负载相电压 啊=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=O,于是”卄护叫) (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u =如迤

13、_仏11；一 lsin5M 丄血7汰 + 丄3垃11皿 + sinl3irf-A nr k 5 7 11 13 J2他(5-8)JT式中，二6土1，k为自然数输出线电压有效值rn/g皿曲s(5-9)基波幅值JT(5-10)基波有效值卩嘶=纬也7厂叮迢J2 JT(5-11)b负载相电压UUN展开成傅里叶级数得:2U, rrsincj + -ui5crf + -siri7t2/ + smllcf+ sixil3i/ + A 5711 13黒in HE(5-12)h 丿负载相电压有效值皿(5-13)基波幅值0-=。血(5-14)基波有效值器=0仙(5-15)防止同一相上下两桥臂开关器件直通，采取 先

14、断后通”的方法。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。5、r込Zu严压Z-討T円1VTA7 vtA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。式中，竝1 , k为自然数(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)单相电流型逆变电路1 A0 SZ inVT34 vt/vtQ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