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1、第四章,逆变电路,本章主要内容,4.1换流方式 4.2电压型逆变电路 4.3电流型逆变电路 4.4多重逆变电路和多电平逆变电路,概述,逆变概念与整流相对应，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 逆变与变频 变频电路：交交变频和交直交变频 交直交变频:交直变换(整流)和直交变换(逆变)两部分 逆变电路的主要应用 各种直流电源向交流供电，如蓄电池、干电池、太阳能电池 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等核心部分 换流变流电路在工作中不断从一个支路向另一个支路的转移,4.1换流方式,1. 逆变电路的基本工作原理,以单相桥式逆变电路为例 S1S4是桥式电路的
2、4个臂 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 电阻负载时，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,阻感负载,4.1换流方式,1. 逆变电路的基本工作原理,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,4.1换流方式,1. 逆变电路的基本工作原理,换流过程 t1时刻前，S1、S4导通， uo和io为正 t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3 ， uo立刻变负。但电感使io极性不能突变而维持原方向，即由负极经S2、S3流回正极，电感释放能量，io逐渐减小，到t2时刻为零并反向增大
3、,4.1换流方式,2. 换流方式分类,换流方式主要是如何使器件关断 换流方式 器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流，如IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的换流 电网换流电网提供换流电压的换流方式，即将负的电网电压施加在欲关断的VT上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，不适用于没有交流电网的无源逆变电路，更多用于整流和有源逆变,4.1换流方式,2. 换流方式分类,负载换流：由负载提供换流电压的换流方式 适用于负载电流相位超前于电压的场合，如电容性负载和同步电动机 负载换流逆变电路：4个VT构成桥臂；负载为阻感和电容并联；工作在接近并联谐振状态而略呈容性；直
4、流侧串大电感，id基本没有脉动，即io为矩形波 负载对基波阻抗大而对谐波阻抗小，所以uo接近正弦波 t1时刻触发VT2、VT3导通，uo加到VT1、VT4上使其关断。为使换流顺利完成，t1时刻前，uo过零前需有足够裕量,4.1换流方式,2. 换流方式分类,强迫换流：设置附加的换流电路，给欲关断的VT强迫施加反压或反电流的换流方式。通常利用附加电容所储存能量来实现，则也称为电容换流 分类：直接耦合式强迫换流和电感耦合式强迫换流 直接耦合式强迫换流(电压换流)：由换流电路内电容直接提供换流电压 当VT导通时，预先给电容充电，合上S，可使VT被施加反压而关断,直接耦合式强迫换流,4.1换流方式,2.
5、 换流方式分类,电感耦合式强迫换流(电流换流) ：通过换流电路内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,VT在LC振荡第一个半周期内关断。即接通S，LC电流反向流过VT，与原负载电流相减直到VT正向合成电流至0，再通过VD续流,VT在LC振荡第二个半周期内关断。即接通S，LC电流正向流过VT，与原负载电流叠加经过半个振荡周期，反向流过VT，直到VT合成正向电流减至0，再通过VD,两种情况VT都是在正向电流减至0且VD开始流过电流时关断，VD的管压降就是加在VT上的反向电压,4.1换流方式,2. 换流方式分类,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
6、VT而言 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 熄灭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零,4.2电压型逆变电路,4.2电压型逆变电路,电压型逆变电路特点 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,4.2电压型逆变电路,单相电压型逆变电路 三相电压型逆变电路,4.2电压型逆变电路,1. 单相电压型逆变电路半桥逆变电路,电路结构 由两个桥臂组成，每个桥臂为一个可控器件
7、和一个反并联VD 直流侧有两个串联的大电容，两个电容的联结点为直流电源的中点 阻感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 V1和V2栅极信号在一个周期内各半周正偏，半周反偏，二者互补 输出电压uo为矩形波，其幅值为Um=Ud/2,4.2电压型逆变电路,1. 单相电压型逆变电路半桥逆变电路,工作原理 t2时刻前，V1为通态，V2为断态 t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，V1关断，但感性负载中的电流io不能立即改变方向，VD2续流 t3时刻io降零时，VD2截止，V2开通，io开始反向 导通与续流 V1或V2通时，io和uo同向，直流侧向负载提供能量 VD1或VD2通时，io和
8、uo反向，L中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管(又使io连续，又称续流二极管),4.2电压型逆变电路,1. 单相电压型逆变电路半桥逆变电路,注意 V1、V2不能同时导通 优点 电路简单，使用器件少 缺点 输出交流电压幅值为Ud/2，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 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合,4.2电压型逆变电路,1. 单相电压型逆变电路全桥逆变电路,电路结构、原理及特点 由四个桥臂构成，等价于两个半桥电路组合 两对桥臂交替导通180输出为正负180,uo和io波形与半桥电路形状相同，但幅值加倍 半桥电路导通和
9、续流区间与全桥对应，无功能量交换原理相同 uo为180o脉冲，改变输出交流电压有效值只能靠改变Ud实现 输出矩形波电压uo傅里叶级数,基波幅值Uo1m,基波有效值Uo1,4.2电压型逆变电路,1. 单相电压型逆变电路全桥逆变电路,移相调压 阻感负载时，还可采用移相方式来调节输出电压，即调节输出电压脉冲宽度 V1和V2、V3和V4栅极信号互补，V3比V1落后(0180o)，V3、V4栅极信号分别比V2、V1前移180o-。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，L中的io不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流，uo=0,4.2电压型逆变电
10、路,1. 单相电压型逆变电路全桥逆变电路,工作过程 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 io过零并开始反向，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，uo仍为-Ud t3时刻V3截止，而V4不能立刻导通，VD4导通续流，又uo=0 改变就可调节输出电压 注： 电阻负载移相方法相同，但VD不导通(不续流)，uo为0期间，V均不导通，io=0,对电阻性半桥电路也适用，正反偏宽度各为和360o-， uo也是正负脉冲宽度各为,4.2电压型逆变电路,1. 单相电压型逆变电路带中心抽头变压器电路,结构及工作原理 交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加
11、上矩形波交流电压 两个VD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波形及幅值与全桥电路完全相同 与全桥电路比较 比全桥电路少用一半开关器件 器件承受电压为2Ud，比全桥电路高一倍 必须有一个变压器,4.2电压型逆变电路,2. 三相电压型逆变电路,电路结构 由三个单相逆变电路组合 三相桥式逆变电路 基本工作方式是180o导电 同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差 120o，任一瞬间有三个桥臂同时导通 每次换流都在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流,4.2电压型逆变电路,2. 三相电压型逆变电路,工作波形 对于U相，当桥臂1导通，uUN=Ud/2
12、，当桥臂4导通，uUN=-Ud/2，uUN 是幅值为Ud/2矩形波，V、W和U类似 负载线电压 负载相电压,4.2电压型逆变电路,2. 三相电压型逆变电路,工作波形 中点间电压 三相对称负载，则,uNN为矩形波，频率为uUN的3倍，幅值为其1/3，即Ud/6 uUN、uVN和uWN波形相同，相位依次差120o 负载已知，可由uUN波形求出iU波形,4.2电压型逆变电路,2. 三相电压型逆变电路,工作原理 一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似，如V1、V4 V1由通到断，VD4续流，待负载电流反向，V4导通，VD4导通时间取决于大小 iU上升段，桥臂1导电：iU0,V1导通 iU下降段，桥臂
13、4导电：iU0,VD4导通；iU0,V4导通 桥臂1、3、5电流叠加为直流侧电流id波形，id每隔60o脉动一次,iU,4.2电压型逆变电路,2. 三相电压型逆变电路,输出线电压uUV的傅里叶级数 n=6K1 基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1 输出线电压有效值UUV,4.2电压型逆变电路,2. 三相电压型逆变电路,负载相电压uUN的傅里叶级数 n=6K1 基波幅值UUN1m和基波有效值UUN1 负载相电压有效值UUN 为防止同相上下两桥臂开关器件同时导通引起直流侧电源短路，要采取“先断后通”的方法,4.3电流型逆变电路,电流型逆变电路特点 直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源 交
14、流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位因负载不同而不同 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用，反馈无功能量直流电流不反向，所以开关器件无需反并联二极管,电压型逆变电路中多采用全控器件和器件换流。而电流型多采用半控型器件，换流方式有负载换流、强迫换流,4.3电流型逆变电路,单相电流型逆变电路 三相电流型逆变电路,4.3电流型逆变电路,1. 单相电流型逆变电路,电路结构及原理 由四个桥臂构成，每个桥臂的VT各串联一个电抗器LT，用来限制VT开通时的di/dt 采用负载换相方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性,电容C和L 、R构成
15、并联谐振电路，即该逆变电路也称并联谐振式逆变电路 输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波 负载对基波呈现高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，则负载电压接近正弦波,4.3电流型逆变电路,1. 单相电流型逆变电路,工作波形在一个周期内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段 t1t2：VT1和VT4稳定导通阶段，io=Id，t2前在C上建立了左正右负的电压 t2时，触发VT2和VT3开通，进入换流阶段 换流电抗器LT使得VT1 和VT4不能立刻关断，其电流有减小过程，VT2和VT3电流有增大过程 4个VT全部导通，C电压经两个并联的放电回路同时放电,4.3电流型逆变电路,1. 单相电流
16、型逆变电路,工作波形 放电回路一：经LT1、VT1、VT3、LT3回到C 放电回路二：经LT2、VT2、VT4、LT4回到C t4时，VT1、VT4电流减至0关断，Id全部从VT1、VT4转移到VT2、VT3，换流阶段结束 换流时间t： t=t4-t2 VT需恢复正向阻断能力，t4时刻换流结束后要使VT1、VT4承受一段反压时间t= t5-t4应大于VT关断时间tq,4.3电流型逆变电路,1. 单相电流型逆变电路,工作波形 触发引前时间t ：为保证可靠换流，在uo过零前t=t5- t2时刻触发VT2、VT3 io超前uo的时间t (负载的功率因数角),4.3电流型逆变电路,1. 单相电流型逆变电路,负载电流io的傅里叶级数 基波有效值Io1 负载电压有效值Uo和直流电压Ud关系 一般情况下值较小，近似认为cos(/2)
