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1、电力电子技术教案115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
2、流电路中，有关 逆变电路的内容会进一步展开5.1换流方式5.1.1逆变电路的基本工作原理 单相桥式逆变电路为例：S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压ou为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，ou为负，把直流电变成了交流 电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。 图51逆变电路及其波形举例逆变电路116电阻负载时，负载电流oi和ou的波形相同，相位也相同。阻感负载时，oi滞后于ou，波 形也不同（图51b）。1t前：S1、S4通，ou和oi均为正。1t时刻断开S1、S4，合上S2、S3，ou变负，但oi不能立刻反向。o
3、i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，oi逐渐减 小，2t时刻降为零，之后oi才反向并增大5.1.2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（DeviceComutation）。2.电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流（Line
4、Comutation）。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（LoadComutation）。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52负载换流电路及其工作波形 基本的负载换流逆变电路：电力电子技术教案117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dL，di基本没有 脉动。 工作过程：4个臂的切换仅使
5、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接近 并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，ou波形接近正弦。t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，ou、oi均为正，VT2、VT3电压即为ou。t1时：触发VT2、VT3使其开通，ou加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。t1必须在ou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（ForcedComutation）。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
6、迫换流由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。 图53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54a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断。 图54b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断。逆变电路118图54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（图53）。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（图54）。 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
7、。 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，则称 为熄灭。电力电子技术教案1195.2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51电路的具体实现。 图55电压型逆变电路举例（全桥逆变电路） 电压型逆变电路的特点 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同 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5.2.1单相电压型逆变电路1.半桥逆变电路 电路
8、结构：见图56。 工作原理：V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。ou为矩形波，幅值为 2m dUU = ，oi波 形随负载而异，感性负载时，图56b，V1或V2通时，oi和ou同方向，直流侧向负载提供能 量，VD1或VD2通时，oi和ou反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管， 还使oi连续，又称续流二极管。逆变电路120图56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 2dU，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55，两个半桥电路的组合。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。ou波形同图56b。半桥电路的ou，幅值高出一倍m dUU = 。oi波形和图56b中的oi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 4 1 1sin sin3 sin53 5do Uu t t t w w w p = + + +L ou成傅里叶级数，基波幅值 14 1.27dom dUU U p = = 基波有效值1220.9do dUU U p = = ou为正负各180时，要改变输出电压有效值只能改变dU来实现。 移相调压方式（图57）。 可采用移相方式调
10、节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180正偏，180反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变。V3的基极信号只比V1落后q电力电子技术教案121(0 180q o)，V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180q - ，ou成为正负各为q的脉冲， 改变q即可调节输出电压有效值。 图57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，dU和负载相同，变压器匝比为1:1:1时，ou和oi波形及幅值 与全桥逆变电路完全相同。 图58带中心抽头变压器的逆变电路
11、 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2dU，比全桥电 路高一倍。必须有一个变压器。5.2.2三相电压型逆变电路 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，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。逆变电路122图59三相电压型桥式逆变电路 波形分析： 图510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， 2UN du U = ，4通， 2UN du
12、U =- 。电力电子技术教案123负载线电压 UV UN VNVW VN WNWU WN UNu u uu u uu u u = - = - = - 负载相电压 UN UN NVN VN NWN WN Nu u uu u uu u u = - = - = - 负载中点和电源中点间电压 ( ) ( )1 13 3N UNVN WN UNVNWNu u u u u uu = + + - + 负载三相对称时有 0UN VN WNu uu + = ，于是 ( )13N UN VNWNu u u u = + + 利用式和可绘出UNu、VNu、WNu波形。负载已知时，可由UNu波形求出Ui波形，一 相上下
13、两桥臂间的换流过程和半桥电路相似，桥臂1、35的电流相加可得直流侧电流di的 波形，di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UNu展开成傅里叶级数23 1 1 1 1sin sin5 sin7 sin11sin135 7 11 13dUN Uu t t t t t w w w w w p = - - + + -L ( )23 1sin 1sinkd nU t tn w w p = + - 式中， 61nk = ，k为自然数 输出线电压有效值 ( )2201 0.8162UV UV dudt U
14、p w p = = 基波幅值1231.1dUVm dUU p = = 基波有效值逆变电路12411 60.782UVmUV d dU U U p = = = b.负载相电压UVu展开成傅里叶级数得：2 1 1 1 1sin sin5 sin7 sin11sin135 7 11 13dUVUu t t t t t w w w w w p = + + + + +L 2 1sin sind nUt ntn w w p = + 式中， 61nk = ，k为自然数。 负载相电压有效值 ( )2201 0.4712UN UN dudt U p w p = = 基波幅值12 0.637dUNm dU U p = = 基波有效值11 0.452UNmUN dUU U = = 防止同一相上下两桥臂开关器件直通，采取“先断后通”的方法。电力电子技术教案1255.3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
