电力电子第5章 逆变电路.

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1、第5章 逆变电路 引言引言 5.1 5.1 换流方式换流方式 5.2 5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 5.3 5.3 电流型逆变电路电流型逆变电路 5.4 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小节本章小节 1 第5章 逆变电路 引言 逆变的概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电 。 l交流侧接电网，为有源逆变。 l交流侧接负载，为无源逆变。 l逆变与变频 l变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 l交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组 成，后一部分就是逆变。 主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 交流电机调速用变频器、不

2、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。 2 5.1 换流方式 5.1.1 5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类 3 l以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 5.1.1 逆变电路的基本工作原理 图5-1 逆变电路及其波形举例 负载 a)b) t S 1 S 2 S 3 S 4 io u o U d u o io t1t2 S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅 助电路组成。 4 S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。 直流

3、电 交流电 5 逆变电路最基本的工 作原理 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 a) b) t uo io t1t2 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相位滞后 于uo，波形也不同。 6 t1前：S1、S4通，uo和io均为正 t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向 io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能 量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并 增大 过程分析： 7 5.1.2 换流方式分类 l换流电流从一个支路向另一个支路转移的 过程

4、，也称为换相。 开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 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,因此安排在 本章集中讲述。 8 1. 器件换流2. 电网换流 3. 负载换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流 （Device Commutation）（Line Commutation） 由电网提供换流电压称为电网换流 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

5、元件 （Load Commutation） 由负载提供换流电压称为负载换流 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 4. 强迫换流（Forced Commutation） 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,通常利用附加电容上储存的能量来实现， 也称为电容换流 总共有四种换流方式 1. 器件换流 2. 电网换流 3. 负载换流 4. 强迫换流 换流方式分类 9 图5-2 负载换流 电路及其工作波形 由负载提供换流电压的换流方式 。 负载电流的相位超前于负载电压 的场合，

6、都可实现负载换流。 如图是基本的负载换流电路，4个 桥臂均由晶闸管组成。 整个负载工作在接近并联谐振状 态而略呈容性。 直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动。 负载对基波的阻抗大而对谐波的 阻抗小。所以uo接近正弦波。 注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在 uo过零前并留有足够的裕量，才能 使换流顺利完成。 ?t ?t ?t ?t O O O O i i t1 b) a) uo uo io io uVT iVT1iVT4 iVT 2 iVT 3 uVT 1 uVT 4 10 图5-2 负载换流电路 及其工作波形 工作过程: l4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流 基本呈矩形波 l

7、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 lt1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均 为正，VT2、VT3电压即为uo lt1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、 VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4 换到VT3、VT2 lt1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换 流顺利完成 11 4)强迫换流（Forced Commutation） 由换流电路内电容 直接提供换流电压 直接耦合式 强迫换流 通过换流电路内的 电容和电感的耦合 来提供换流电压或 换流电流 电感耦合式 强迫换流 设置附加的换流电路，给

8、欲关断的晶闸管强迫 施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因 此也称为电容换流。 分类 12 直接耦合式强迫换流 当晶闸管VT处于通态 时，预先给电容充电。当S 合上，就可使VT被施加反压 而关断。 也叫电压换流。 图5-3直接耦合式 强迫换流原理图 图5-4 电感耦合式 强迫换流原理图 电感耦合式强迫换流 先使晶闸管电流减为零 ，然后通过反并联二极管使 其加上反向电压。 也叫电流换流。 13 l强迫换流逆变电路 直接耦合式强迫换流 电感耦合式强迫换流 由换流电路内电容提供换流电压 图5-8 直接耦合式强 迫换流原理图 VT通态时，先给电容C充电。合上

9、S 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 或换流电流两种电感耦合式强迫换流： 图5-9a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断 图5-9b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 强迫换流原理图 给晶闸管加上反向电压 而使其关断的换流也叫 电压换流 先使晶闸管电流减为零 ，然后通过反并联二极 管使其加 反压的换流叫 电流换流 14 换流方式总结： 器件换流适用于全控型器件。 其余三种方式针对晶闸管。 器件换流和强迫换流属于自换流。 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，而 是在支路内部终止流通而变为零，称为熄灭

10、。 15 5.2 电压型逆变电路 1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性 质的不同 电压型逆变电路又称为电压源 型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI 直流侧是电压源 电流型逆变电路又称为电流源 型逆变电路 Current Source Type Inverter-VSTI 直流侧是电流源 16 2）电压型逆变电路的特 点 图5-5 电压型全桥逆变电路 (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 无功功率。为了给交流侧 向直流侧反馈的无功能量 提供通道，逆

11、变桥各臂并 联反馈二极管。 17 5.2 电压型逆变电路 5.2.1 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 5.2.2 5.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路 18 5.2.1 单相电压型逆变电路 1）半桥逆变电路 u 图56 单相半桥电压型逆变 电路及其工作波形 a) t t O O ON b) o Um -Um io t1t2 t3t4 t5t6 V1V2V1V2 VD1VD2VD1VD2 工作原理 V1和V2栅极信号在一周期内 各半周正偏、半周反偏，两 者互补，输出电压uo为矩形波 ，幅值为Um=Ud/2。 V1或V2通时，io和uo同方向， 直流侧向负载提供能量；

12、VD1 或VD2通时，io和uo反向，电 感中贮能向直流侧反馈。VD1 、VD2称为反馈二极管,它又 起着使负载电流连续的作用 ，又称续流二极管。 19 l优点：电路简单，使用器件少。 缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流 侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。 应用： 用于几kW以下的小功率逆变电源。 l单相全桥、三相桥式都可看成若干个半 桥逆变电路的组合。 20 2) 全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成两个半 桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180。 输出电压合电流波形与半桥 电路形状相同，幅值高出一 倍。 改变输出交流电压的有效值 只能通过改变直流电压Ud来 实现。 图5-7 单相全

13、桥逆变 电路的移相调压方式 t O t O t O t O t O ? b) uG1 u G2 u G3 uG4 uo io t1t2 t3 io uo 21 阻感负载时，还可采用 移相得方式来调节输出电 压移相调压。 a) 图5-7 单相全桥逆变 电路的移相调压方式 t O t O t O t O t O ? b) uG1 u G2 u G3 uG4 uo io t1t2 t3 io uo V3的基极信号比V1落后q （0 q 180 ）。V3 、V4的栅极信号分别比V2 、V1的前移180q。输 出电压是正负各为q的脉 冲。 改变q就可调节输出电压 。 22 设在t1时刻前V1和V4导通，

14、输出 电压u0为Ud，t1时刻V3和V4栅极信 号反向，V4截止，因而负载电感中 的电流io不能突变，V3不能立刻导 通，VD3导通续流。因为V1和VD3 同时导通，所以输出电压为零。到 t2时刻V1和V2栅极信号反向V1截止 ，而V2不能立刻导通，VD2导通续 流，和VD3构成电流通道，输出电 压为-Ud。到负载电流过零并开始反 向时，VD2和VD3截止，V2和V3开 始导通，uo仍为-Ud。t3时刻V3和 V4栅极信号再次反向，V3截止，而 V4不能立刻导通，VD4导通续流， uo再次为零。 a) 图5-7 单相全桥逆变 电路的移相调压方式 t O t O t O t O t O ? b)

15、 uG1 u G2 u G3 uG4 uo io t1t2 t3 io uo 23 3）带中心抽头变压器的逆变电 路 图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路 Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：时，uo和io波 形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 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。 必须有一个变压器 。 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。 24 5.2.2 三相电压型逆变电路 l三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路 l应用最广的是三相桥式逆变电路 图5-9 三相电压型桥式逆变电路 25 l基本工作方式 180导电方式 图5-10电压型三相桥式逆 变电路的工作波形 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN u UN u UV i U i d u VN u WN u NN U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 每桥臂导电180，同一 相上下两臂交替导电， 各相开始导电的角度差 120 。 任一瞬间有三个桥臂同 时导通。