修改稿 第4章逆变电路汇编

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1、第4章: 逆变电路 l一、 逆变器的性能与分类 l二、电力器件的换流方式与逆变电路的 工作原理 l三、电压型逆变电路 l四、电流型逆变电路 l 一、逆变器的性能与分类 1）定义：如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直 流电逆变成同频率的交流电反送到电网去， 2）应用：它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的 串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。 l1）定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到 l负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交 l流电供给负载， l2）应用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源 l等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。 1、有源逆

2、变: 2、无源逆变： 逆变电路的分类 电压型：电压型逆变器的输人端并接有大电容，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。 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。 （1）、根据输入直流电源特点分类 半桥式逆变电路； 全桥式逆变电路； 推换式逆变电路； 其他形式：如单管晶体管逆变电路。 （2）、根据电路的结构特点分类 负载换流型逆变电路； 脉冲换流型逆变电路； 自换流型逆变电路。 逆变电路的分类 （3）、根据换流方式分类 （4）、根据负载特点分类 非谐振式逆变电路 谐振式逆变电路 逆变电路用途 l 1、可以做成

3、变频变压电源（VVVF），主要用于交 流电动机调速。 2、可以做成恒频恒压电源（CVCF），其典型代表为 不间断电源（UPS）、航空机载电源、机车照明，通信等 辅助电源也要用CVCF电源。 3、可以做成感应加热电源，例如中频电源， 高频电源等。 逆变器的用途十分广泛： 第4章: 逆变电路 l一、 逆变器的性能与分类 l二、电力器件的换流方式与逆变电路的 工作原理 l三、电压型逆变电路 l四、电流型逆变电路 l 电力器件的换流方式 l 在图5.2.1中，T1、T2表示由两个电力 半导体器件组成的导电臂，当T1关断，T2导 通时，电流流过T2；当T2关断，T1导通时， 电流i从T2转移到T1。 图

4、4.2.1 桥臂的换流 电力半导体器件可以用切断或接通电流 的开关表示。 l 定义：电流从一个臂向另一个臂转移的 过程称为换流（或换相）。 （1）器件换流：利用电力电子器件自身所有的关断能 力进行换流称为器件换流。 （2）电网换流：由电网提供换流电压使电力电子器件 关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为电网换 流。 （3）负载换流：由负载提供换流电压，使电力电子器 件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为负载 换流。凡是负载电流的相位超前电压的场合，都可以 实现负载换流。 电力器件的换流方式电力器件的换流方式 一般来说，换流方式可分为以下四种： l 在晶闸管T处于导通状态时,预 先给电容C

5、按图中所示极性充电。如 果合上开关 S，就可以使晶闸管T被 加反压而关断。 图4.2.2 脉冲电压 换流原理图 电力器件的换流方式电力器件的换流方式 脉冲电压换流原理： （4）脉冲换流： 设置附加的换流电路，由换流电路 内的电容提供换流电压，控制电力电子 器件实现电流从一个臂向另一个臂转移 称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或 电容换流。 l 脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流。 晶闸管T处于导通状态时，预先 给电容C按图中所示的极性充电。 图(a)中，如果闭合开关S，LC 振荡电流流过晶闸管，直到其正向 电流为零后，再流过二极管D。 图(b)中，接通开关S后，LC振 荡电流先和负载电流叠加流

6、过晶闸 管T，经半个振荡周期t=后，振荡 电流反向流过T，直到T正向电流减 至零以后再流过二极管D。 图4.2.3 脉冲电流 换流原理图 电力器件的换流方式电力器件的换流方式 脉冲电流换流原理: 这两种情况，都在晶闸管的正向电 流为零和二极管开始流过电流时晶闸管 关断，二极管上的管压降就是加在晶闸 管上的反向电压。 逆变电路的工作原理 l Ud为输入直流电压，R为逆变器 的输出负载。 l 当开关T1、T4闭合，T2、T3断开 时，逆变器输出电压u0=Ud； l 当开关T1、T4断开，T2、T3闭合 时，输出电压 u0=Ud ; l 当以频率fS交替切换开关T1、T4 和T2、T3时，则在电阻R

7、上获得如图 5.2.4(b)所示的交变电压波形，其周期 Ts=1/fS，这样，就将直流电压E变成 了交流电压uo。uo含有各次谐波，如 果想得到正弦波电压，则可通过滤波 器滤波获得。 图4.2.4 单相桥式逆变 电路工作原理 1、主要功能: 图5.2.4(a)中主电路开关T1T4，它实际是各种半导体开关器件的 一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关 断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管 （MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）。 将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。 2、工作原理： 第4章: 逆变电路 l一、 逆变器的性能与分类 l二、电

8、力器件的换流方式与逆变电路的 工作原理 l三、电压型逆变电路 l四、电流型逆变电路 l 1、电压型单相半桥逆变电路 它由两个导电臂构成， 每个导电臂由一个全控器件 和一个反并联二极管组成。 在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容C1和C2，且 满足C1=C2。设感性负载连接 在A、0两点间。 T1和T2之间存在死区时 间，以避免上、下直通，在 死区时间内两晶闸管均无驱 动信号。 图4.3.1 电压型半桥逆变电路 及其电压电流波形 电压型逆变电路半桥逆变 电路结构及波形： 输出电压有效值为: 由傅里叶分析，输出电压瞬 时值为: 其中， 为输出电压角频率。 当 n=1时其基波分量的有效值 为:

9、1 1、电压型单相半桥逆变电路、电压型单相半桥逆变电路 (4.3.1) (4.3.2) (4.3.3) 图4.3.1 电压型半桥逆变 电路及其电压电流波形 在一个周期内，电力晶体管T1和T2的 基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互 补。 若负载为阻感负载，设t2时刻以前，T1 有驱动信号导通，T2截止，则 u0=Ud/2。 t2时刻关断的T1，同时给T2发出导通信 号。由于感性负载中的电流i。不能立即改 变方向，于是D2导通续流，u0=Ud /2 。 t3时刻i。降至零，D2截止，T2导通，i 。开始反向增大，此时仍然有u0=Ud /2 。 在t4时刻关断T2，同时给T1发出导通信 号，由于感

10、性负载中的电流i。不能立即改 变方向，D1先导通续流，此时仍然有u0=Ud /2 ； t5时刻 i。降至零， T1导通，u0=Ud /2 ； 图4.3.1 电压型半桥逆变 电路及其电压电流波形 （1）电压型逆变电路半桥逆变电路 工作原理： 1、电压型单相半桥逆变电路 缓冲电感反馈的无功能量 1、电压型单相半桥逆变电路 缺点： 1）交流电压幅值仅为Ud/2； 2）直流侧需分压电容器； 3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要 接LC滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输 出电压中的高次谐波。 l优点： 简单，使用器件少； 应用：用于几kW以下的小功率逆变电源； 2、电压型单相全桥逆变电路 全控型开

11、关器件T1和T4构 成一对桥臂，T2和T3构成一对 桥臂, T1和T4同时通、断；T2和 T3同时通、断。T1(T)4与T2(T3) 的驱动信号互补，即T1和T4有 驱动信号时，T2和T3无驱动信 号，反之亦然，两对桥臂各交 替导通180。 图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图 （1）电路工作过程： 2、电压型单相全桥逆变电路 l输出方波电压瞬时值： l输出方波电压有效值： 基波分量的有效值： 图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图 (4.3.6) (4.3.4) (4.3.5) 同单相半桥逆变电路相比，在相同负 载的情况下，其输出电压和输出电流的幅 值为

12、单相半桥逆变电路的两倍。 1）纯电阻负载时 2、电压型单相全桥逆变电路 0tTs4，Ts2t3Ts4 期间，D1、D4导通起负载电流续流 作用，在此期间T1T4均不导通。 图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图 2）电感负载时 由 可得负载电流峰值为： (4.3.7) 2、电压型单相全桥逆变电路 0t期间，T1和T4有驱动信号 ，由于电流i0为负值，T1和T4不导通， D1、D4导通起负载电流续流作用， u0=+Ud。 t期间， i0为正值，T1和T4才 导通。 t+期间，T2和T3有驱动信 号，由于电流i0为负值，T2、T3不导通 ，D2、D3导通起负载电流续流作用， u0

13、=Ud 。 +t2期间，T2和T3才导通。 3）阻感负载RL时 图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图 图5.3.2(e)所示是RL负载时直流电源输 入电流的波形。图4.3.2(f)所示是RL负载时 直流电源输入电流的波形。 3、电压型三相桥式逆变电路 电压型三相桥式逆变电路的基 本工作方式为180导电型，即每个 桥臂的导电角为180，同一相上下 桥臂交替导电的纵向换流方式，各 相开始导电的时间依次相差120。 在一个周期内，6个开关管触 发导通的次序为T1T2 T3 T4 T5T6 ，依次相隔60，任一时 刻均有三个管子同时导通，导通的 组合顺序为T1T2T3，T2T3T4

14、，T3T4T5， T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组合工 作60。 图4.3.3 电压型三相桥式逆变电路 （1）工作过程： 3、电压型三相桥式逆变电路 将一个工作周期分成6个区域。 在00, ug20, ug30，则有T1，T2，T3导通， （2）各相负载相电压和线电压波形 ： 根据同样的思路可得其余5个时域的值 线 电 压 相 电 压 图4.3.4 电压型三相桥式逆变电路及其工作波形 式中Ud为逆变器输入直流电压。 3、电压型三相桥式逆变电路 （3）负载相电压和线电压幅值分析： 利用博里叶分析，其相电压的瞬时值为： 相电压基波幅值 (5.3.8) (4.3.9) 由上式可知，负

15、载相电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波 幅值为基波幅值的1/n。 其线电压的瞬时值为： 线电压基波幅值 (4.3.11) (5.3.10) 由上式可知，负载线电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波 幅值为基波幅值的1/n。 3、电压型三相桥式逆变电路 表5.3.1三相桥式逆变电路的工作状态表 第4章: 逆变电路 l一、 逆变器的性能与分类 l二、电力器件的换流方式与逆变电路的 工作原理 l三、电压型逆变电路 l四、电流型逆变电路 l 1、电流型单相桥式逆变电路 l 当T1、T4导通，T2、T3关 断时，I0=Id ；反之，I0=-Id 。 l 当以频率f交替切换开关管 T1

16、、T4和T2、T3时，则在负载 上获得如图 5.4.1（b）所示的 电流波形。 l 输出电流波形为矩形波， 与电路负载性质无关，而输出 电压波形由负载性质决定。 l 主电路开关管采用自关断 器件时，如果其反向不能承受 高电压，则需在各开关器件支 路串入二极管。 图4.4.1 电流型单相桥式 逆变电路及电流波形 l（1）电路工作过程： 防反相高压 恒流大电感 其中基波幅值I01m和基波有效值I01 分别为 (4.4.1) (4.4.2) (4.4.3) 1、电流型单相桥式逆变电路 将图5.4.1（b）所示的电流波形i0展开成傅氏级数,有 （2）电流波形参数计算： 图4.4.1 电流型单相桥式 逆变电路