电力电子技术王兆安第4章

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1、第四章 逆变电路,逆变与整流相对应，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 本章讲述无源逆变,4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路（单相，三相） 4.3 电流型逆变电路,重在电路结构，工作原理,学习内容：,4.1.1 逆变电路的基本工作原理,4.1 换流方式,S1-S4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uo为正,S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负,4.1.1 逆变电路的基本工作原理,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，负载电流io和uo的波形相同，相位 相同. 阻感负

2、载时，io相位滞后于uo，波形也不同.,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：,4.1.1 逆变电路的基本工作原理,电流从一条支路转移到另一条支路称为换流。,器件换流（IGBT,GTO,GTR,BJT,MOSFET) 电网换流 负载换流（负载满足的条件？） 强迫换流（直接耦合式，电感耦合式）,4.1.2 换流的基本方式,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

3、而略呈容性. 为改善负载功率因数使其略呈容性,而接入的直流侧串入大电感Ld,id基本没有脉动.,负载换流逆变电路,工作过程:,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，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦,t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uo,t1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,t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成,强迫换流逆变电路-(电容换流）,直接耦合式强迫换流 （电压换流）

4、,电感耦合式强迫换流 （电流换流),4.2 电压型逆变电路,4.2.1单相电压型逆变电路 （1） 半桥逆变电路,*导电方式：V1，V2信号互补，各导通180,工作原理： （1）t1t2 电源电压经V1对负载供电，电流指数规律上升。负载电压为1/2ud. （2）t2t3 电感经VD2续流，电流指数规律下降。负载电压为-1/2ud.,（3） t3t4 电源经V2对负载供电，电流指数规律反向上升。负载电压为-1/2ud. （4） t4t5 电感经VD1续流，电流指数规律反向下降，负载电压为1/2ud.,因为是阻感负载，成感性，电流滞后电压，滞后角=arctanL/R.,单向半桥电压逆变电路优缺点总结

5、： 优点：所用器件少。 缺点：u0幅值小，只有电源电压的一半，并且输入端接两个电容，还需保证 C1=C2,不能精确满足。,思考：电路中的二极管主要起什么作用？ 答：当负载为感性或阻感性时，二极管为负载向直流电源反馈能量提供通道（即续流过程），故这些二极管被称之为反馈二极管。,为了解决这一矛盾，在单向半桥的基础上提出了单向全桥电压型逆变电路。,单相半桥一般应用在小功率电路中。,4.2 电压型逆变电路,4.2.1单相电压型逆变电路 （2） 全桥逆变电路,由四个臂构成，输入端并有一个电容。负载接在上下两组臂之间。,*导电方式一： V1,V4同时通断 V2,V3同时通断 V1,V4与V2,V3信号互补

6、，各导电180,工作原理：与单向半桥电路工作原理相同，只不过全桥中是两个臂同时工作，半桥中一个臂单独工作。全桥输出电压，电流波形与半桥完全一样，但幅值均为半桥的两倍。,*思考1：在全桥中，续流过程如何完成？, VD2,VD3同时续流。 VD1,VD4同时续流。,思考2：在导电方式一下工作，如果要改变输出电压的有效值（即幅值），应该采取什么样的方式？,只能靠改变输入直流电压的大小来改变输出电压的有效值。可以通过整流电路，斩波电路来实现。,若不采用整流和斩波，能否直接进行调制呢？为此提出了导电方式二： 移相导电方式。,导电方式二（移相导电）： V1,V2信号互补；V3,V4信号互补；V3信号比V1

7、信号落后（ 0180）,所谓移相：即改变的大小。,单相全桥电压型逆变电路特性总结： （1）全桥逆变是单相中应用最广泛的逆变电路。 （2）全桥逆变输出电压的幅值即为电源电压，比半桥增长一倍，一般应用在较大功率的场合。 （3）在移相导电方式下，通过改变移相导电方式中的角，可改变输出电压的有效值。,4.2 电压型逆变电路,4.2.1单相电压型逆变电路 （3） 推挽式-带中心抽头变压器,变压器的变比为1：1：1，负载相同时，其输出波形和全桥逆变一样。 应用在输入与输出需要隔离的场合。,4.2 电压型逆变电路,4.2.2 三相电压型逆变电路,三相电压型逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成。 其负载可以是

8、三角形或星形，这里我们以星形负载为例进行介绍。,180导电方式 （1）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相差120 （2）任一瞬间有三个桥臂同时导通 （3）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,工作原理：以输出电压波形为主（包括 输出线电压，输出相电压）,三相逆变输出波形,三相桥电压型逆变电路总结：,（1）输出线电压是矩形波，相电压是阶梯波。 （2）各相输出电压在相位上相差1200，电流波形根据负载情况的不同而不同。 （3）在导电上，为防止同一相的两个器件同时开通而导致电源短路，应遵循“先断后通”的原则，即要关断的器件在彻底关断之后再给需开通的器件开通

9、信号，因此，要留一定的时间裕量。（实际在单相中也应如此） （4）三相桥电压型逆变电路应用在大功率场合。,电压型逆变电路总结,通过对单相，三相电压逆变电路的学习，对于电压型逆变电路特性可归纳如下：,（1）直流侧并有电容，相当于一个电压源，提供恒定的输入电压，直流电压基本无脉动。,（2）输出电压波形均为矩形波，与负载无关，而电流波形和相位因负载阻抗角不同而不同。（矩形波，或近似为正弦波）,（3）负载为感性时，需要提供无功功率，直流侧电容起到缓冲无功能量的作用，为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各臂都要并联一个反馈二极管。,（4）直流侧向交流侧传送的功率是脉动的（输出电压无脉动，但电流有脉动），

10、且其脉动与负载电流脉动一致。,（5）一般在负载端会接上滤波器，滤去电压波形中的谐波分量，保留基波分量，使输出电压的波形接近标准的正弦波。,4.3 电流型逆变电路,*电流型逆变,直流侧输入电源为电流源,电流型逆变电路的特性： （1）直流侧串大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动。 （2）因为是恒流，输出电流波形是矩形波，输出电压波形与负载有关系。 （3）电路中不必加反馈二极管。（为什么？） （4）电感起到缓冲无功能量的作用。,4.3.1 单相电流型逆变电路,（1）电路结构, 4个桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器LT，用来限制晶闸管开通时的di/dt,采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负

11、载电压（呈容性）。,C和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路（但最终负载仍略显容性，准确应称之为容性小失谐负载）,并联谐振回路对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，谐波在负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦波。,（2）工作原理：,基本导电方式：1，4同时通断，2，3同时通断。,t1-t2：VT1和VT4稳定导通阶段， i=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。,t2t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段。,LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程 VT2、VT3电流有一个增大过程,t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束 t4t

12、2= t 称为换流时间,4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电 LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C,电压波形近似为正弦波，且滞后电流一个角度，与负载系数有关。,思考：如何保证晶闸管的可靠关断？,电流减小为零，晶闸管不能立刻关断，还需一段时间才能恢复正向阻断能力，也就是说电流为零后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tb，这样晶闸管才能真正可靠关断。,所以为使晶闸管可靠关断，tb= t5- t4应大于晶闸管的关断时间tq,并且为保证可靠换流应在uo过零前td= t5- t2时刻触发VT2、VT3 两个重要参数： 触发引前时间 :

13、t=t+ t io超前于uo的时间 : t = t / 2 + t,即为功率因数角。,4.3.2 三相电流型逆变电路（桥式）,（1）采用全控型器件GTO,基本工作方式是1200导电方式：每个臂一周期内导电1200，每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，为横向换流。,三相电流型逆变输出特性（全控型器件）：,输出相电流波形和负载性质无关，为正负各120的矩形波，线电流为阶梯波。 输出线电压波形和负载性质有关，若有电感，因电感的作用，每次换相时会产生电压冲击。,（2）串联二极管式晶闸管逆变电路,主要用于中大功率交流电动机调速系统。,电流型三相桥式逆变电路，输出波形与全控型器件时一样。,各桥臂的晶闸管和二极

14、管串联使用。, 120导电工作方式,强迫换流方式，电容C1C6为换流电容。,（串联二极管式晶闸管逆变电路）,重点分析：换流过程（因电容C，强迫换流）,电容器充电规律：对共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零 等效换流电容概念：分析从VT1向VT3换流时，C13就是C3与C5串联后再与C1并联的等效电容.,*以VT1向VT3换流的过程为例：,（2）t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断,（1）假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负,（1） （2） （3） （4）,Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负

15、载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段,（3）t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。则二极管VD3导通，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段。产生环流。此环流使VD1电流减小，使VD3电流增大。,随着C13电压增高，iV渐大，VD1电流越来越小，假设在t3时刻变为零，则VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。,（4） VT2、VT3稳定导通阶段,波形分析：,恒流放电阶段,二极管换流阶段,（1） （2） （3） （4）,第4章 逆变电路 小结,（1）换流方式，换流原理。 （2）电压型逆变电路： 单相：工作原理，波形分析，重点掌握单相全桥, 尤其移

16、相导电方式。 三相：重点掌握输出电压波形。 （3）电流型逆变电路： 单相：重点掌握工作原理及如何防止逆变失败问题。 三相：SCR带二极管换流过程的理解。,课外思考,针对P144图5-16，不采用等效电容的方式，分析C1,C3,C5的电压变化曲线，并解释变化过程。,1.把直流电变成交流电的电路称为_，当交流侧有电源时称为_，当交流侧无电源时称为_。 2.电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，从大的方面，换流可以分为两类，即外部换流和_，进一步划分，前者又包括_和_两种换流方式，后者包括_和_两种换流方式。 3.适用于全控型器件的换流方式是_，由换流电路内电容直接提供换流电压的换流方式称为_。 4.逆变电路可以根据直流侧电源性质不同分类，当直流侧是电压源时，