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1、第五章 无源逆变电路,2,4,. 无源逆变电路的工作原理,. 电压型逆变电路,. 电流型逆变电路,. 多重逆变器和多电平逆变器,返回,第五章 无源逆变电路,6,. 脉宽调制型逆变器,. 无源逆变电路的应用,返回,. 无源逆变电路的工作原理,. 无源逆变基本工作原理 基本的单相桥式无源逆变电路工作原理如图（） 所示，图中为直流电源电压，为逆变电路的输出负载，为个高速开关。该电路有两种工作状态： . 换流方式分类 在逆变电路工作过程中，电流会从到、到转移。电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也称换相。在换流过程中，有的支路要从通态转移到断态，有的支路要从断态转移到通态。从断态向通态转移时
2、，无论支路是由全控型还是由半控型电力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其开通。,下一页,返回,. 无源逆变电路的工作原理,但从通态向断态转移的情况就不同，全控型器件可以通过对门极的控制使其关断，而对于半控型器件的晶闸管来说，就不能通过对门极的控制使其关断，必须利用外部条件或采取其他措施才能使其关断。一般来说，要在晶闸管电流过零后再施加一定时间的反向电压，才能使其关断。由于使器件关断，尤其是使晶闸管关断要比使器件开通复杂得多，因此，研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 图（）所示是基本的负载换流逆变电路，采用个晶闸管，其负载为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
3、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，使基本没有脉动。,上一页,下一页,返回,. 无源逆变电路的工作原理,（）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（）。强迫换流通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流。 在强迫换流方式中，由换流电路内电容提供换流电压称为直接耦合式强迫换流。其原理如图所示。晶闸管通态时，先给电容按图所示极性充电。合上就可使晶闸管被施加反压而关断。 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称为电感耦合式强迫换流。图所示为两种电感耦合式强迫换流原理。图（） 中晶闸管在振荡第一
4、个半周期内关断。图（）中晶闸管在振荡第二个半周期内关断。因为在晶闸管导通期间，两图中电容所充的电压极性不同。,上一页,下一页,返回,. 无源逆变电路的工作原理,在图（） 中，接通开关后，振荡电流将反向流过晶闸管，与的负载电流相减，直到的合成正向电流减至零后，再流过二极管。在图（） 中，接通开关后，振荡电流先正向流过并和中原有负载电流叠加，经半个振荡周期 槡后，振荡电流反向流过，直到的合成正向电流减至零后再流过二极管。在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关断。二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。 . 逆变电路的其他分类方式 （）根据输入直流电源特点分类。 电压
5、型：电压型逆变器的输入端并接有大电容，输入直流电源为恒压源，逆变器将直流电压变换成交流电压。,上一页,下一页,返回,. 无源逆变电路的工作原理, 电流型：电流型逆变器的输入端串接有大电感，输入直流电源为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出。 （）根据电路的结构特点分类。 半桥式逆变电路。 全桥式逆变电路。 推挽式逆变电路。 其他形式：如单结晶体管逆变电路。 （）根据负载特点分类。 非谐振式逆变电路。 谐振式逆变电路。,上一页,返回,. 电压型逆变电路,按照直流侧电源性质，逆变电路可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路两类，直流侧电源是电压源的逆变电路，称为电压型逆变电路，而直流侧电源
6、为电流源的逆变电路，称为电流型逆变电路。 . 电压型单相桥式逆变器 .半桥逆变电路 半桥逆变电路的结构如图（）所示。它由一对桥臂和一个带有电压中点的直流电源构成。每个导电桥臂由一个全控型器件和一个反并联二极管组成；电压中点由接在直流侧的两个相互串联的足够大且数值相等的电容和分压而成。,下一页,返回,. 电压型逆变电路,以下的小功率逆变器。 .单相全桥逆变电路 用全控型器件，如取代图（） 中的开关后，就得到如图（） 所示的单相全桥逆变电路。从图中可看出，它是由两对桥臂组合而成，和构成一对导电臂，和构成另一对导电臂，两对导电臂交替导通，其输出电压如图（）所示，负载电流波形如图（）、（）所示，与半桥
7、电路相同，但电压、电流的幅值均增加了一倍。下面分析单相全桥逆变电路在感性负载时的工作过程。,上一页,下一页,返回,. 电压型逆变电路,. 电压型三相桥式逆变器 电压型三相桥式逆变电路如图所示。电路由个半桥组成，开关管采用全控型器件，如、等，为续流二极管。这是最基本的逆变电路，通常大、中功率的应用均要求采用三相逆变电路，当对波形有较高要求时，则采用此基本线路进行多重叠加或采用控制方法，以抑制高次谐波。 导电型三相桥式逆变电路的工作波形如图所示。为分析方便，将一个工作周期分为个区间，每区间占。每隔的各阶段等值电路图形及相电压、线电压的数值如表所示。,上一页,下一页,返回,. 电压型逆变电路,从图所
8、示的波形图可看出，负载线电压为正负对称的矩形波，而相电压为正负对称的阶梯波，与正弦波接近，三相负载电压相位差为。 . 电压型逆变电路的特点 （）直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。 （）由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形接近三角波或接近正弦波。 （）当交流侧为电感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各逆变臂都并联了续流二极管。,上一页,下一页,返回,. 电压型逆变电路,（）逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，
9、因直流电压无脉动，故功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。 （）当逆变电路用于交直交变频器且负载为电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交直整流桥再反并联一套逆变桥，或在整流侧采用四象限脉冲变流器。,上一页,返回,. 电流型逆变电路,. 电流型单相桥式逆变器 .电路结构 图（）所示是一种单相桥式电流型逆变电路的原理。电路由个晶闸管桥臂构成，每个桥臂均串联一个电抗器，用来限制晶闸管的电流上升率。桥臂、和桥臂、以的中频轮流导通，从而使负载获得中频交流电。由于工作频率较高，开关管通常采用快速晶闸管。
10、.工作原理 当逆变桥对角晶闸管以一定频率交替触发导通时，负载感应线圈通入中频电流，线圈中产生中频交变磁通。如将金属（钢铁、铜、铝）放入线圈中，在交变磁场的作用下，金属中产生涡流与磁滞（钢铁） 效应，使金属发热熔化，如图（） 所示。,下一页,返回,. 电流型逆变电路,图所示是该逆变电路工作时的换流过程，图所示是该逆变电路换流过程的波形。在交流电流的一个周期内，有两个稳定的导通阶段和两个换流阶段。 图中，称为换流时间。 . 电流型三相桥式逆变器 随着全控型器件的不断进步，晶闸管逆变电路的应用已越来越少，但图所示的串联二极管式晶闸管逆变电路仍应用较多。 现以在、稳定导通时，触发使关断的换流过程为例来
11、说明。,上一页,下一页,返回,. 电流型逆变电路,（）换流前、导通，直流电压加到电动机、相，电容、被充电，、这个电容用等效电容 （与串联再与并联） 表示，充电极性为右正左负，等效电路如图（）所示。 （）晶闸管换流。当给触发脉冲使其立即导通时，在的充电电压作用下承受反压立即关断，实现了到之间的换流。 （）二极管换流。当导通后，由于电动机漏感的作用，绕组中电流和不能突变，形成和同时导通的状态,上一页,下一页,返回,. 电流型逆变电路,（）正常运行。二极管换流结束后，电容此时充电电压为左正右负，为下一次换流做准备，受反压而关断，此时换流为、两管导通，如图（）所示。 图所示为电流型三相桥式逆变电路的输
12、出波形。由于在换流期间引起电动机绕组中电流的迅速变化，在绕组漏感中产生感应电动势，叠加在原有电压上，所以在电流型逆变器输出的近似正弦波的电压波形上，出现换流尖峰电压（毛刺），其数值较大，在选择晶闸管耐压时必须考虑。,上一页,下一页,返回,. 电流型逆变电路,. 电流型逆变器的特点 （）直流侧串联有大电感，直流侧电流基本无脉动，由于大电感抑流作用，直流回路呈现高阻抗，短路的危险性也比电压型逆变电路小得多。 （）电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出的电流为矩形波，与负载性质无关。而交流侧电压波形因负载阻抗角的不同而不同。 （）直流侧电感起缓冲无功能量的作用不能反向，故不必
13、给开关器件反并联二极管，电路相对电压型也较简单。,上一页,返回,. 多重逆变器和多电平逆变器,对电压型电路来说，输出电压是矩形波；对电流型电路来说，输出电流是矩形波。矩形波中含有较多的谐波，对负载会产生不利影响。为了减少矩形波中所含的谐波，常常采用多重逆变器，就是用几个逆变器，使它们输出相同频率的矩形波在相位上移开一定的角度进行叠加，以减小谐波，从而获得接近正弦的阶梯波形。也可以采用多电平逆变器，就是改变电路结构，能够输出较多种的电平，从而使输出电压向正弦波靠近。 . 多重逆变器 如图（）所示，逆变器和是电路完全相同的两个电压型逆变器，但是它们每相输出电压频率相同相位上相差，因此，分别称为“三
14、相桥” 和“三相桥”。两个输出变压器的一次侧绕组相同，而桥的二次侧每相有两个绕组，且匝数为桥二次侧的槡。,下一页,返回,. 多重逆变器和多电平逆变器,将两变压器二次侧按图（） 所示方法串联起来（图中只画了相），则可获得图（）所示波形。通过傅里叶级数分析可知，该输出相电压的波形中不含次以下的谐波。 对电压型逆变器，将输出变压器进行串联相加。对电流型逆变器，则将输出端并联叠加。 图所示是电流型逆变器三重化的一种方案。逆变器、之间相差电角度，通过台变压器耦合并联输出。,上一页,下一页,返回,. 多重逆变器和多电平逆变器,. 多电平逆变器 图所示为三电平逆变电路，它是由只主逆变管和只副逆变管组成。各相在任何时刻得到的输出电压为、这种电压的一种。 在图中，画出了、情况下的负载相电压的波形。由 图可见，随着增大，其相电压有效值下降，当时，波形最好，如图所示。电动机的相电压由个阶梯组成，最接近正弦波，谐波分量最小，有利于电动机的平稳运行。,上一页,返回,. 脉宽调制型逆变器, （）控制技
