单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1第四章 无源逆变电路o讲授教师：段志梅o联系方式：o答疑时间：每周一晚7：009：00o答疑地点：任美福楼225第四章 无源逆变电路o 无源逆变电路 将直流电转变为频率、幅值固定或可变的交流电并直接供给负载o变频电路 改变交流电频率的电路分为交-交变频电路和交-直-交变频电路p交-直-交变频电路由交-直变换电路和直-交变换电路两部分组成，后一部分属于无源逆变电路，是交-直-交变频电路的核心p应用 交流传动的变频调速 感应加热 功率超声应用 列车照明 脉冲电镀电源 高频直流焊机 高频电子镇流器 快速充电机4.1 概述4.1.1 逆变器的分类o按相数分： 单相逆变器：适用于小功率领域 三相逆变器：适用于中大功率领域o根据输入直流电源分： 电压型逆变器：输入电源为恒压源，即直流电源端有大容量滤波 电容器，在逆变过程中，直流侧电压基本不变 电流型逆变器：输入电源为恒流源，即直流电源端有大容量滤波 电抗器，在逆变过程中，直流侧电流基本不变o根据电路结构特点分： 半桥式、全桥式、推挽式4.1.2 换流方式o换流 电路从一个支路向另一个支路转移的过程。
也称换相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o换流方式（1）器件换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流IGBT、MOSFET、GTO、GTR 硬开关换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流 软开关换流：利用电容或电抗器造成电压或电流的谐振条件，在 电压或电流过零时关断器件，减少器件的开关换流2）电网换流：由电网提供换流电压不需要器件具有门极可关断能力，只要对欲关断的元件施加一定时间的负极性电网电压即可 相控整流电路和变频器中的交-交变频属于电网换流方式4.1.2 换流方式（3）负载换流：由负载谐振提供换流电压当负载电流的相位超前于负载电压，即负载为容性负载时，可以实现半控器件的负载换流 基本的负载换流逆变电路：四个桥臂均由晶闸管组成；负载为电阻电感串联后再和电容并联，附加电容的目的是使整个负载电路工作在接近并联谐振而略呈容性的状态，并改变负载功率因素 直流侧串联一个很大的电感Ld，因此认为id基本没有脉动，四个桥臂开关的切换仅使电流流通路径改变，所以负载电流基本呈矩形波因为负载工作在对基波电流接近并联谐振状态，故对基波阻抗很大而对谐波阻抗很小，因此负载电压波形接近于正弦波4.1.2 换流方式（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电流。
常利用附加电容上所储存的能量来实现，又称为电容换流o强迫换流分类 直接耦合式：由换流电路内电容直接提供换流电压 电感耦合式：通过换流电路内电容和电感的耦合来提供换流电压直接耦合式强迫换流 电感耦合式强迫换流4.1.2 换流方式o直接耦合强迫换流（a）：（a） （b） （c） 在晶闸管VT处于通态时预先给电容器按图所示的极性充电，当闭合开关S时，就可使晶闸管施加反压而关断，这种给晶闸管施加反压而使其关断的方式又称为电压换流o电感耦合式强迫换流 （b）晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断接通开关S后，LC振荡电流将反向流过晶闸管VT，与VT的负载电流相抵减，直到流过VT的合成正向电流减至零后，再经过二极管VD导通，二极管的压降给晶闸管加上反压，使其关断 （c）晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断接通开关S后，LC振荡电流将正向流过晶闸管VT，与VT原有的负载电流相叠加，经过半个振荡周期后，振荡电流反向流过晶闸管VT，直到VT的合成正向电流减至零后再流过二极管VD导通，二极管的压降给晶闸管加上反压，使其关断这种先使晶闸管电流减至零，再通过并联二极管施加反压的方式又称为电流换流4.2 电压型逆变电路o电压型逆变电路主要特点（1）直流侧为电压源，一般并联有大电容，相当于电压源。
直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗2）由于直流电压源的嵌位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同3）由于生产实践中大多数负载为阻感负载，因而需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各桥臂都并联了反馈二极管o电压型逆变电路类型： 单相半桥型、单向全桥型、三相半桥型、三相全桥型4.2.1 单相半桥型逆变电路o电路原理 开关器件V1、V2与两个足够大的输入电容C构成半桥式逆变电路，负载连接在相互串联大电容的中点和两个桥臂连接点之间电容C相对于逆变频率足够大，所以电容上的电压基本维持不变 V1、V2的栅极控制信号在一个周期内各有半周期正偏和半周期反偏，且两者互补输出电压为矩形波，其幅值为Um=Ud/2，输出电流波形随负载的变化而变化4.2.1 单相半桥型逆变电路o工作原理 t2时刻以前V1为通态，V2为断态 t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，此时V1关断，但V2中并不会立即有电流流过由于io不能立即改变方向，所以只能通过L-R-C（下）-VD2所组成的回路续流。
在t3时刻，io降为零，此时VD2截止，V2导通，io改变方向t3至t4段io反方向逐渐增加，并在t4时刻达到最大值在t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号后，V2关断并形成R-L- VD1 -C （上）所组成的回路续流，至t5时刻V1开通4.2.1 单相半桥型逆变电路o二极管的作用 二极管VD1、VD2称为续流二极管或反馈二极管，有两个作用： （1）为感性负载滞后的负载电流提供反馈到直流电源的通路 （2）防止电感产生的反压损坏开关器件o半桥逆变电路的特点 电路简单，使用器件少 输出电压小，需要控制两个电容电压的均衡 适用于小功率的逆变电路4.2.2 单相全桥型逆变电路o电路原理 桥臂V1和V4一对，桥臂V2和V3一对，成对的两个桥臂同时导通两对交替导通180VD1、VD2、VD3、VD4均为续流二极管，作用与半桥逆变电路中续流二极管相同o工作原理 开关对V1、V4导通时，a点电位Ua=Ud，b点电位Ub=0，输出电压为Ud，负载电流io由a流向b； 开关对V2、V3导通时，a点电位Ua=0，b点电位Ub=Ud，输出电压为-Ud，负载电流io由b流向a； 电路的输出波形和半桥的输出波形相同，也是矩形波，其幅值比半桥情况下高一倍。
电路负载和半桥相同，io波形也和半桥时相同，其幅值也比半桥情况下高一倍a b 4.2.2 单相全桥型逆变电路o基本数量关系 将输出的矩形波电压展开成傅里叶级数得： 其中基波分量的幅值和有效值分别为： 上述公式同样适用于半桥逆变电路，但式中的Ud换成Ud/2 上述输出的交流电压uo为正负电压各为180的脉冲波形，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4.2.2 单相全桥型逆变电路o移相调压 当负载为阻感负载时，可以通过移相调压的方法来调节逆变电路的输出电压移相调压的实质是调节输出电压脉冲的宽度 如图所示，各IGBT的栅极信号仍然为正负半波各为180的方波，并且V1、V2栅极信号互补，V3、V4栅极信号互补，但V3的信号比V1落后（0 180）a b 4.2.2 单相全桥型逆变电路o工作原理 设在t1时刻前V1和V4导通，输出电压为Ud， t1时刻V3和V4栅极控制信号相反，V4截止，由于io不能突变，V3不能立即导通，所以通过VD3导通续流在回路R-L-VD3-V1中由基尔霍夫电压定理可知输出电压为零 t2时刻，V1和V2栅极控制信号相反，V1截止， V2不能立即导通，VD2和VD3一起构成电流通道，输出电压为-Ud。
到负载电流过零并开始反向时， VD2和VD3截止，同时V2和V3开通，输出电压仍为-Ud t3时刻， V3和V4栅极控制信号再次反向，V3截止，V4不能立即导通，电路通过VD4导通续流同理输出电压为零，以后的过程和前面类似所以，改变就可以调节输出电压4.2.3 三相电压型逆变电路o电路原理 电路的直流侧有一个大电容，为理解方便画作串联的两个电容器，并标出了假想的中点N开关元件每隔60按标号1，2，3，4，5，6的次序赋予导通信号，导电角度为180o工作原理 当桥臂1导通（V1或VD1导通）时， ，当桥臂4导通（V4或VD4导通）时， 所以， 的波形是幅值为Ud/2的矩形波同理可知 、 的波形也是幅值为Ud/2的矩形波，相位依次相差1204.2.3 三相电压型逆变电路o 、 、 的波形如图所示：负载的线电压为：d图负载的相电压： 设负载中点N与直流电源假想中点N之间的电压为 ，则负载各相的相电压分别为：设负载为三相对称负载，有得 （e）图 4.2.3 三相电压型逆变电路o 的波形也是矩形波，其频率为的三倍幅值为其1/3，即Ud/6 利用式： 求得负载相电压的波形，图（f），uVN、Uwn的波形和uUN相同，相位相差120。
o负载参数已知，可以由uUN的波形求出U相电流iu负载的阻抗角 不同， iu波形的形状和相位都不同，（g）图为 时的波形叠加iU、iV、iw波形可以得到直流侧电流id的波形图（h）可以看出，电流id每隔60脉动一次，由于直流电压基本没有脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，且脉动情况和id脉动情况基本一致4.2.3 三相电压型逆变电路o基本数量关系 uAB展开成傅里叶级数得： 式中： 为自然数 输出线电压的有效值为： 其中，输出线电压基波分量的幅值为： 输出线电压基波分量有效值为： 将相电压uAN展开成傅里叶级数可得： 为自然数 负载相电压有效值为：其中基波幅值和有效值分别为：4.3 电流型逆变电路o电流型逆变电路 直流侧电源为电流源的电路主要特点： （1）直流侧为电流源，一般串联有大电感，相当于电压源直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻态 （2）电路中开关器件的作用是改变直流电流的流通路径，交流侧输出电流波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关而交流侧输出电压波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同 （3）当交流侧负载为阻感负载，需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。
有由于反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样给开关器件反并联一个续流二极管o电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路较多应用在晶闸管中频逆变电源中，采用负载换流方式，要求负载电流略超前于负载电压即负载略呈容性由于实际负载一般为感性负载，因此需要并联一个补偿电容器C，4.3.1 三相电流型逆变电路o电路原理 采用反向阻断型GTO交流侧电容是为了吸收换流时负载电感中存储的能量而设置的 三相电流型桥式逆变电路采用120导电方式，即每个臂一周期内导电120，按16的顺序每隔60依次导通，这样每个时刻上下桥臂各有一个臂导通，换流时，在上桥臂组或下桥臂组的组内依次换流，称为横向换流o工作波形 电流波形和负载性质无关，是正负脉冲宽度各为120的矩形波4.3.1 三相电流型逆变电路如图所示，给出逆变电路的三相交流电流波波形和线电压uUV的波形 由图看出，输出电流波形和三相桥式可控整流电路在阻感负载下交流输入电流波波形形状相同因此，他们的谐波分析表达式也相同输出线电压波形和负载性质有关，图给出的波形大体为正弦波，但叠加了一些脉冲，这是由于逆变器换流过程而引起的 输出交流电流的基波有效值IU1和直流电流Id的关系为：4.3.2 电压型变换器和电流型变换器的比较o滤波环节：大电容、电源阻抗小和大电感。
o输出波形：电压为矩形波或阶梯波，电流波形含有高次谐波并对负载变化反映迅速；电流为矩形波或阶梯波，电压波形取决于负载，对于电动机负载，其波形接近于正弦波o四象限运行：电压型不易进行四象限运行，电流型可以o负载：电压型适于带多台电机齐速运行；电流型适于单机拖动尤其适于加减速频繁、需经常反转的场合o功率因素：电压型如采用可控整流，其功率因素与电流型差不。