逆变电路的基本工作原理.docx

1、逆变电路的基本工作原理第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。要点：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，认识多重逆变电路和多电平逆变电路。逆变看法：逆变 直流电变为交流电，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、不中止电源、感觉加热电源等电力电子装置的中心部分都是逆变电路。本章仅表达逆变电路基本内容， 第 6 章 PWM 控制技术和第 8 章组合变流电路中，

2、 有关逆变电路的内容会进一步睁开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：S1 S4 是桥式电路的 4 个臂，由电力电子器件及辅助电路构成。 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，把直流电变为了交流电。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 的波形同样，相位也同样。阻感负载时， io 滞后于 uo，波形也不一样（图 5-1b）。t1 前： S1、 S4 通， uo 和 io 均为正。t1 时辰断开 S1、 S4，合上

3、S2、 S3，uo 变负，但 io 不可以马上反向。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响， io 逐渐减小， t2 时辰降为零，以后 io 才反向并增大（ 2）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：合适的门极驱动信号即可使其开通。关断：全控型器件可经过门极关断。半控型器件晶闸管，一定利用外面条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加一准时间反压，才能关断。研究换流方式主若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会合，所以在本章表达1、器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流（ Device Commutat

4、ion）。2、电网换流由电网供给换流电压称为电网换流（ Line Commutation）。可控整流电路、交流调压电路和采纳相控方式的交交变频电路，不需器件拥有门极可关断能力，也不需要为换流附带元件。3、负载换流由负载供给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：采纳晶闸管，负载：电阻电感串通后再和电容并联，工作在凑近并联谐振状态而略呈容性。电容为改进负载功率因数使其略呈容性而接入，直流侧串入大电感 L d，

5、i d 基本没有脉动。工作过程：4 个臂的切换仅使电流路径改变， 负载电流基本呈矩形波。 负载工作在对基波电流凑近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小， uo 波形凑近正弦。t1 前： VT 1、 VT 4 通， VT 2、VT 3 断， uo、 io 均为正， VT 2、VT 3 电压即为 uot1 时：触发 VT 2、VT 3 使其开通， uo 加到 VT 4、VT 1 上使其承受反压而关断， 电流从 VT 1、VT 4 换到 VT3、VT 2。t1 一定在 uo 过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。4、逼迫换流设置附带的换流电路，给欲关断的晶闸管逼迫施加反向电压或反向电流

6、的换流方式称为逼迫换流（ Forced Commutation）。平时利用附带电容上储蓄的能量来实现，也称为电容换流。直接耦合式逼迫换流 由换流电路内电容供给换流电压。 VT 通态时，先给电容 C 充电。合上 S 即可使晶闸管被施加反压而关断。图 5-3 直接耦合式逼迫换流原理图电感耦合式逼迫换流 经过换流电路内电容和电感耦合供给换流电压或换流电流。两种电感耦合式逼迫换流：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。图 5-4 电感耦合式逼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

7、流减为零，而后经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 合用于全控型器件。其余三种方式 针对晶闸管。器件换流和逼迫换流 属于自换流。电网换流和负载换流 属于外面换流。当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部停止流通而变为零，则称为熄灭。2电压型逆变电路逆变电路按其直流电源性质不一样分为两种：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 电路的详尽实现。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色(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一样而不一

8、样(3)阻感负载时需供给无功。为了给交流侧向直流侧反响的无功供给通道，逆变桥各臂并联反响二极管（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。工作原理：V 1 和 V 2 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，V 1 或 V 2 通时， io 和 uo 同方向，直流侧向负载提供能量， VD 1 或VD2 通时，o 和o 反向，电感中贮能向直流侧反响，VD1、VD2称为反响iu二极管，还使 i o 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长处：简单，使用器件少弊端：

9、交流电压幅值 Ud/2，直流侧需两电容器串通，要控制二者电压均衡，用于几 kW以下的小功率逆变电源。单相全桥、三相桥式都可看作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状况：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 同样，幅值增添一倍，单相逆变电路中应用最多的。输出电压定量解析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 180o 时，要改变输出电压有效值只好改变 Ud

10、 来实现。移相调压方式（图 5-7）。可采纳移相方式调理逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为 180o 正偏， 180o 反偏，且 V 1 和 V 2 互补， V 3 和 V 4 互补关系不变。 V 3 的基极信号只比 V 1 落后 q ( 0q 180o)，V 3、V 4 的栅极信号分别比 V2、V 1 的前移 180o-q，uo 成为正负各为 q 的脉冲，改变 q 即可调理输出电压有效值。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供给无功能量的反响通道， Ud 和负载

11、同样，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好同样。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，比全桥电路高一倍。一定有一个变压器。（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作由三个半桥逆变电路构成。180导电方式：每桥臂导电 180o，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差 120o，任一瞬时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解析：图 5-10 电压型三

12、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、 VN 、 WN 波形。负载已知时，可由UN 波形求出iU 波uuu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 i d 的波形， i d 每 60脉动一次，直流电压基本无脉动，所以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

13、色。定量解析：a、输出线电压uUV 睁开成傅里叶级数(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)b、负载相电压uUN 睁开成傅里叶级数得：(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)防范同一相上下两桥臂开关器件直通，采纳 “先断后通 ”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。一般在直流侧串通大电感，电流脉动很小，可近似看作直流电流源。实例之一：图 5-11 电流型三相桥式逆变电路。交流侧电容用于汲取换流时负载电感中存贮的能量。图 5-11 电流型三相

14、桥式逆变电路电流型逆变电路主要特色：(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一样而不一样。(3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不用给开关器件反并联二极管。电流型逆变电路中，采纳半控型器件的电路仍应用许多。换流方式有负载换流、逼迫换流。（ 1） 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 L T 限制晶闸管开通时的 di/dt。1、4 和 2、3 以10002500Hz 的中频轮番导通，可获得中频交流电。采纳负载换相方式，要求负载电流超前于电压。负载一般是电磁感觉线圈，加热线圈内的钢

15、料， RL 串通为其等效电路。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。输出电流波形凑近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。因基波频率凑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，所以负载电压波形凑近正弦波。工作波形解析：一周期内，两个稳固导通阶段和两个换流阶段。1 2：VT1和 VT4 稳固导通阶段，i =Id，2 时辰前在C上建立了左正右负的电压。t -ttt2-t4：t2 时触发 VT 2 和 VT 3 开通，进入换流阶段。 L T 使 VT 1、VT 4不可以马上关断，电流有一

16、个减小过程。 VT 2、VT 3电流有一个增大过程。4 个晶闸管所有导通，负载电压经两个并联的放电回路同时放电。 t2 时辰后，LT1、VT1、VT3、LT3 到；另一个经LT2、VT2、CVT 、LT到 C。 t=t时，VT、VT电流减至零而关断，换流阶段结束。t t= t称为换流4441442g时间。 i o 在 t3 时辰，即 i VT1=i VT2 时辰过零， t3 时辰大体位于 t2 和 t4 的中点。保证晶闸管的靠谱关断（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 VT 1、 4承受一段反压时间 t， 5VT4 应大于晶闸管的关断时间tq。为保证靠谱换流

17、应在o过零前52 时辰t = t- tutd= t - t触发 VT 2、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 并联谐振式逆变电路工作波形数目解析：忽视换流过程， io 可近似成矩形波，睁开成傅里叶级数(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（忽视 L d 的消耗，忽视晶闸管压降）(5-21)实质工作过程中，感觉线圈参数随时间变化，一定使工作频率适应负载的变化而自动调整，这类控制方式称为自励方式。固定工作频率的控制方式称

18、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。另一种方法是附带预充电起动电路。（ 2） 三相电流型逆变电路电流型三相桥式逆变电路（图 5-11，采纳全控型器件）。基本工作方式是 120导电方式 每个臂一周期内导电 120。每时辰上下桥臂组各有一个臂导通，横向换流。波形解析：输出电流波形和负载性质没关，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同样，谐波解析表达式也同样。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)串通二极管式晶闸管逆变电路如图 5-15 所示。这类电路因各桥臂的晶

19、闸管和二极管串通使用而得名，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：电路仍为前述的 120导电工作方式，输出波形和图 5-14的波形大体同样。 各桥臂的晶闸管和二极管串通使用， 各桥臂之间换流采纳逼迫换流方式，连接于各臂之间的电容 C1C6 即为换流电容。换流过程解析（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 串通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状况近似， 不过电容器电压极性相反。等效换流电容：比方解析从 VT1 向

20、 VT3 换流时， C13 就是 C3 与 C5 串通后再与 C1 并联的等效电容。设 ClC6 的电容量均为 C，则 Cl3 3C 2。从 VT 1 向 VT 3 换流的过程：换流前 VT 1 和 VT 2 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 时辰触发 VT 3 导通， VT 1 被施以反压而关断。 Id 从 VT 1 换到 VT 3，C13 经过 VD 1、U相负载、 W 相负载、 VD 2、VT 2、直流电源和 VT 3 放电，放电电流恒为 Id，故称恒流放电阶段。 uC13 降落到

21、零以前， VT 1 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 时辰 uC13 降到零，以后 C13 反向充电。忽视负载电阻压降，则二极管VD 3 导通，电流为 iV，1 电流为Ud V13同时通，进入二极管换流阶段。跟着C13电压增高，VDi=I -i，VD和 VD充电电流渐小， i V 渐大， t3 时辰 iU 减到零， iV =Id，VD 1 承受反压而关断，二极管换流阶段结束。t3 此后， VT 2、VT 3 稳固导通阶段波形解析：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 uC

22、5 的波形。 uC1 的波形和 uC13 完好同样，在换流过程中，从 UC0降为 UC0，C3 和 C5 是串通后再和 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，这些电压恰好吻合相隔 120后从VT 3 到 VT 5 换流时的要求。图 5-17 串通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，工作特征和调速方式和直流电动机相似，但无换向器，所以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 转子地点检测器，检测磁极地点以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲

23、图 5-19 无换相器电动机电路工作波形本章小结表达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：分为外面换流和自换流两大类，外面换流包含电网换流和负载换流两种，自换流包含器件换流和逼迫换流两种。晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所降落。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均分类。本章主要采纳按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类。电压型和电流型的看法用于其余电路，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作为电压型整流电路。与其余章的关系：本章对逆变电路的表达是很基本的， 还远不完好。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好的认识。逆变电路的直流电源常常由整流电路而来，二都联合构成间接交流变流电路。