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1、大家好！,王秀芹 2号楼206自动化教研室,唐钢职工培训,2/47,逆变,把直流电变成交流电,有源逆变,交流侧接有电源,逆变电路,无源逆变,交流侧直接和负载连接,一般指无源逆变电路,无源逆变电路,3/47,逆变电路应用广泛，在各种直流电源电池向交流负载供电时，就需要逆变电路。 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其电路的核心部分都是逆变电路。,无源逆变电路是将直流电转换为频率、幅值固定或可变的交流电并直接供给负载的逆变电路。所谓“无源”是指逆变电路输出与电网的交流电无关。,无源逆变电路,第一节 概述第二节 电压型逆变电路 第三节 电流型逆变电路 第四节 谐振型逆变电路
2、本章小结,无源逆变电路,5/47,引言,逆变的概念 与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变，本章主要讲述无源逆变。逆变与变频 变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 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。逆变电路的主要应用 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。,6/47,1.1 逆变电路的基本工作原理 1.2 换流方式分类,第一节 概述,无源逆变电路,7/47,变频电路按其能量变换的情况，可分为交一交变频器和交一直一交变
3、频器两种。前者是直接将工频交流电源变为所需频率的交流电源，故也称为直接变频；后者则是先把工频交流电整流为直流电，然后再由直流电逆变为所需频率的交流电。在交一直一交变频器中，用于把直流电逆变成交流电的装置称为逆变器，由于逆变的交流电不反送到交流电网，而是直接供给负载使用，因此也称为无源逆变。,1.1 逆变电路的基本工作原理,1、无源逆变的工作原理,8/47,当VTl和VT4触发导通(VT2、VT 3关断)时，直流电源通过VTl和VT4向负载供电，负载上电流的方向如图316a所示。当VT2 VT3触发导通(VTl、VT4关断)时，直流电源通过VT2和VT3向负载供电，电流反向流过负载，如图316b
4、所示。按一定的频率，不断地轮流切换两组晶闸管，便将电源的直流电逆变成负载上的交流电，负载上的电压波形如图316c所示。若改变两组晶闸管的切换频率，便可改变交流电的频率。,图316无源逆变的工作原理,9/47,逆变器正常工作的关键在于换相，即按时把导通的晶闸管关断，并使电流换到规定的晶闸管上去。由于逆变器中的。晶闸管工作在直流电中，不会自行关断，因此通常采用在阳极与阴极之间施加一定时间反向电压的方法，以使晶闸管由导通转为关断。晶闸管逆变器常用的换相方法有以下两种。,10/47,（1)负载谐振式换相：即利用负载回路的谐振特性来实现晶闸管换相。当负载电路中的电阻、电感和电容形成振荡时，其振荡电流具有
5、自动过零的特性，只要负载电流超前电压的时间大于晶闸管的关断时间，就能使晶闸管自然关断，从而实现电流换相。,目前，我国生产的晶闸管中频电源等装置常采用这种换相方法。,11/47,（2)强迫换相(脉冲换相)：在电路中设置电感、电容等元件，构成换相回路。换相前换相电容预先储存一定的电能，换相时触发另一只晶闸管导通，形成一个电容放电回路。利用换相电容的放电，使换相回路产生一个脉冲，迫使原先导通的晶闸管承受反向脉冲电压而关断。,(3) 逆变器根据其直流电源的滤波方式可分为电压型和电流型两种。,12/47,1.2 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，也称为换相。 研究换流方式主要是研
6、究如何使器件关断。,13/47,1.器件换流,利用全控型器件采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的自关断能力进行换流 硬开关、软开关换流,2.电网换流,相控整流电路三相交流调压电路 电网换流交交变频电路只要把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断，不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件。但不适用于没有交流电网的无源逆变电路,由电网提供换流电压,1.2 换流方式分类,14/47,负载电流相位超前于负载电压的场合 实现负载换流负载为电容性负载时,由负载谐振提供换流电压,4个桥臂均由晶闸管组成负载是电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状
7、态而略呈容性 改善负载功率因数。直流侧串入大电感Ld，工作过程中可认为 id基本没有脉动,3. 负载换流,1.2 换流方式分类,15/47,4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接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大而对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦波,4.1.2 换流方式分类,16/47,t1时刻前：VT1、VT4为通态，VT2、VT3为断态，uo、io均为正，VT2、VT3上施加的电压即为uo t1时刻触发VT2、VT3使其开通，uo通过VT2、VT3分别加到VT4、VT1上使其承受反向电压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2 触发VT2、VT3时刻
8、， t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成,1.2 换流方式分类,17/47,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,直接耦合式强迫换流,由换流电路内电容直接提供换流电压,晶闸管VT通态时，预先给电容C按图中所示极性充电。合上开关S，就可使晶闸管被施加反向电压而关断电压换流,4. 强迫换流（电容换流）,1.2 换流方式分类,18/47,电感耦合式强迫换流,通过换流电路内电容和电感的耦合提供换流电压或换流电流,图a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断图b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断,1.2 换流方式分类,19/47,图a中，接通S后，LC
9、振荡电流将反向流过VT，与VT的负载电流相减，直到VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。二极管的压降给晶闸管加上反压，使其关断,20/47,图b中，接通S后，LC振荡电流先正向流过VT并和VT中原有的负载电流叠加，经过半个振荡周期后，振荡电流反向流过VT，直到VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。二极管的压降给晶闸管加上反压，使其关断,21/47,给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流,电压换流,电流换流,先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加 反向电压的换流,器件换流 只适用于全控型器件电网换流负载换流 针对晶闸管强迫换流,22/47,1.2 换流方式分类,电感耦合式
10、强迫换流原理图,换流方式总结 器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。 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，则称为熄灭。,23/47,1)电压型逆变器，其直流电源由电容滤波，可近似看成恒压源；其输出的交流电压为矩形波，输出的交流电流在电动机负载时近似为正弦波；其抑制浪涌电压能力强，频率可向上或向下调节，效率高，适用于不经常起动、制动和反转的拖动装置。,第二节、电压型逆变电路,24/47,第二节 电压型逆变电路,2.1 单相电压型逆变电路 2.2 三相电压型逆变电路,25/4
11、7,第二节 电压型逆变电路,根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类 电压型逆变电路：直流侧是电压源。 电流型逆变电路：直流侧是电流源。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。 由于直流电压源的钳位作用，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功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。,图4-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）,26/47,2.1 单相电压型逆变电路,图4-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,半桥逆变电路 在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点便成为直流电源的
12、中点，负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。 工作原理 设开关器件V1和V2的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。 输出电压uo为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。 电路带阻感负载，t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，则V1关断，但感性负载中的电流io不能立即改变方向，于是VD2导通续流，当t3时刻io降零时，VD2截止，V2开通，io开始反向，由此得出如图所示的电流波形。,27/47,2.1 单相电压型逆变电路,图4-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流
13、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。优点是简单，使用器件少；其缺点是输出交流电压的幅值Um仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡；因此，半桥电路常用于几kW以下的小功率逆变电源。,28/47,2.1 单相电压型逆变电路,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。 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。 在这种情况下，要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。 Ud的矩形波uo展开成傅里叶级数得,其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为
14、,图4-5 全桥逆变电路,(4-1),(4-2),(4-3),29/47,2.1 单相电压型逆变电路,a),b),图4-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式,移相调压方式 V3的基极信号比V1落后（0180）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180-。输出电压是正负各为的脉冲。 工作过程 t1时刻前V1和V4导通， uo=Ud。 t1时刻V4截止，而因负载电感中的电流io不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流，uo=0。 t2时刻V1截止，而V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，uo=-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，u
15、o仍为-Ud。 t3时刻V3截止，而V4不能立刻导通，VD4导通续流，uo再次为零。 改变就可调节输出电压。,30/47,2.1 单相电压型逆变电路,图4-8 带中心抽头变压器的逆变电路,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。 Ud和负载参数相同，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全相同。 与全桥电路相比较 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。,31/47,2.2 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。三相桥式逆变电路 基本工作方式是180导电方式。 同一相（即同一半桥）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。,
