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1、第第4 4章章 逆变电路逆变电路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9/14/20241电力电子技术引引 言言n逆变概念逆变概念逆变与整流相对应，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。n逆变与变频逆变与变频变频电路：交交变频和交直交变频两种；交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。n工业应用交流电源工业应用交流电源变频变压电源VVVF，即变频器。通常用于交流电动机调速；恒频恒压电源CVCF，典型代表是UPS，以及其它的各种电源；感应加热用交流电源，要求频率可以在一定范围内变
2、化。9/14/20242电力电子技术n逆变电路的应用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。n本章内容本章内容4.1节换流方式；4.2节电压型逆变电路；4.3节电流型逆变电路；4.4节逆变电路的多重化和多电平逆变电路。n本章仅讲述逆变电路基本内容，有关逆变电路的内容会进一步展开。9/14/20243电力电子技术4.1 4.1 换流方式换流方式 4.1.1 4.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理n单相相桥式逆式逆变电路路为例例S1S4是桥式电路的4个臂，
3、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，uo为负。把直流电变成了交流电。图4-1逆变电路及其波形举例9/14/20244电力电子技术n改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率；n电阻负载时，负载电流i io和uo的波形相同，相位也相同；n阻感负载时，i io相位滞后于uo，波形也不同（图4-1b）t1前：S1、S4通，uo和i io均为正；t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但i io不能立刻反向；i 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，i io逐渐减小，t2时刻降为
4、零，之后i io才反向并增大。9/14/20245电力电子技术4.1.2 4.1.2 换流方式分类换流方式分类换流换流：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相换相。n开通方式：开通方式：适当的门极驱动信号就可使其开通。n关断方式：关断方式：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。1、器件换流：、器件换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流（DeviceCommutation）2、电网换流：、电网换流：由电网提供换流电压称为电网换流电网换流（LineCommutation
5、）；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：、负载换流：由负载提供换流电压称为负载换流负载换流（LoadCommutation）；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。9/14/20246电力电子技术n基本的负载换流逆变电路：基本的负载换流逆变电路：采用晶闸管作为主功率器件；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Ld，直流侧i id基本没有脉动。图4-2负载
6、换流电路及其工作波形9/14/20247电力电子技术n工作过程（工作过程（工作波形图工作波形图4-2b）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，即将uo波形中的谐波成分滤除，而使之接近正弦波（基波）；t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、i io均为正，VT2、VT3承受正向电压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。注意：由于有Ld的作用，不会造成短路；t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。9/
7、14/20248电力电子技术4、强迫换流、强迫换流n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强迫换流 （ForcedCommutation）。通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流电容换流。n直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流 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4-3直接耦合式强迫换流原理图9/14/20249电力电子技术 电感耦合式强迫换流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：n图4-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周
8、期内关断；n图4-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断。请同学们分析为什么反向电流从VT流过，而不是通过VD？原因是：此时VT上的压降和C上的电压顺向串联，而流过VD，需要克服二极管的正向压降，所以从VT流过，而不是通过VD。图4-4电感耦合式强迫换流原理图9/14/202410电力电子技术n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4-3）；n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4-4）；n器件换流适用于全控型器件；n其余三种方式针对晶闸管；n器件换流和强迫换流属于自换流；n电网换流和负载换流外部换流；n当电流不是从一个支路向另一个支路转移，
9、而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭熄灭。9/14/202411电力电子技术4.2 电压型逆变电路n逆变电路按其直流电源性质不同分逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：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。n电压型逆变电路的特点：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。图4-5电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）是图4-1电路的具体实现9/14/202412电力电子技术4.2.1 4.2
10、.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路1、半桥逆变电路、半桥逆变电路n电路结构电路结构图4-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形9/14/202413电力电子技术n工作原理工作原理V1和V2栅极信号在一周期内各半开通、半周关断，形成互补。uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2；i io波形随负载而异，如感性负载时见(图4-6b)；V1或V2通时，i io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，i io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈；VD1、VD2称为反馈二极管,还使i io连续，又称续流二极管。n特点特点优点：简单，使用器件少；缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串
11、联，要控制两者电压均衡；用于几kW以下的小功率逆变电源。n单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。9/14/202414电力电子技术2、全桥逆变电路、全桥逆变电路n电路结构及工作情况电路结构及工作情况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，两对交替各导通180；uo波形同图5-6b半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud；i io波形和图5-6b中的i io相同，幅值增加一倍；单相逆变电路中应用最多的；n输出电压定量分析输出电压定量分析uo成傅里叶级数： 基波幅值：基波幅值：基波有效值：基波有效值：当uo为正负各180时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现
12、。9/14/202415电力电子技术n移相调压移相调压可采用移相方式调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；但V3的基极信号只比V1落后(00时，V12和VD1导通；i iU0时，V41和VD4导通。n线电压的电平线电压的电平相电压相减得到线电压；两电平逆变电路的输出线电压有Ud和0三种电平；三电平逆变电路的输出线电压有Ud、Ud/2和0五种电平；三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路；三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半。9/14/202435电力电子技术本 章 小 结n讲
13、述基本的逆变电路的结构及其工作原理讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电路更为基本、更为重要。n换流方式换流方式分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种；晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。n逆变电路分类方法逆变电路分类方法可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类；本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类；电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深刻的认识；负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路；电容滤波的整流电路可看成为电压型整
14、流电路。n与其他章的关系与其他章的关系本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整；第7章的PWM控制技术在逆变电路中应用最多，绝大部分逆变电路都是PWM控制的，学完第7章才能对逆变电路有一个较为完整的认识；逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二都结合构成间接交流变流电路；此外，间接直流变流电路大量用于开关电源，其中的核心电路仍是逆变电路。9/14/202436电力电子技术10.2 10.2 变频器和交流调速系统变频器和交流调速系统n直流调速传动系统的缺点直流调速传动系统的缺点受使用环境条件制约。受使用环境条件制约。需要定期维护。需要定期维护。最高速度和容量受限制。最高速度和容量受限制。n交流
15、调速传动系统的优点交流调速传动系统的优点 克服了直流调速传动系统的缺点。克服了直流调速传动系统的缺点。交流电动机结构简单，可靠性高。交流电动机结构简单，可靠性高。节能。节能。高精度，快速响应。高精度，快速响应。n交流电机的控制技术较为复杂，对所需的电力电子变换器交流电机的控制技术较为复杂，对所需的电力电子变换器要求也较高，但随着电力电子技术和控制技术的发展，交要求也较高，但随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统得到了迅速的发展，其应用已在逐步取代传统流调速系统得到了迅速的发展，其应用已在逐步取代传统的直流传动系统。的直流传动系统。9/14/202437电力电子技术10.2.1 10.2
16、.1 交直交变频器交直交变频器n交直交变频器交直交变频器（Variable Voltage Variable Frequency，简称，简称VVVF电源电源 ）是由）是由AC/DC、DC/AC两类基本的变流电路组合形两类基本的变流电路组合形成，又称为间接交流变流电路，最主要的优点是输出频率不再成，又称为间接交流变流电路，最主要的优点是输出频率不再受输入电源频率的制约。受输入电源频率的制约。n几种电压型间接交流变流电路几种电压型间接交流变流电路不能再生反馈电力的电压型间接交流变流电路不能再生反馈电力的电压型间接交流变流电路带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路带有泵升电压限制电路的电压型间
17、接交流变流电路利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路整流和逆变均为整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路控制的电压型间接交流变流电路n几种电流型间接交流变流电路几种电流型间接交流变流电路采用可控整流的电流型间接交流变流电路采用可控整流的电流型间接交流变流电路整流和逆变均为整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路控制的电流型间接交流变流电路9/14/202438电力电子技术10.2.2 10.2.2 交流电机变频调速的控制方式交流电机变频调速的控制方式n笼型异步电动机的定子频率控制方式笼型异步电动机的定子频率控制方式
18、恒压频比（恒压频比（V/f）控制）控制转差率控制转差率控制矢量控制矢量控制直接转矩控制直接转矩控制n恒压频比（恒压频比（V/f）控制）控制目的是为了维持气隙磁通为额定值；目的是为了维持气隙磁通为额定值；用于转速开环的交流调速系统；用于转速开环的交流调速系统；适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合。适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合。9/14/202439电力电子技术图图10-14 采用恒压频比控制的变频调速系统框图采用恒压频比控制的变频调速系统框图 9/14/202440电力电子技术n转差频率控制转差频率控制 为转速闭环的控制方式，可提高调速系统的动态性能。为转
19、速闭环的控制方式，可提高调速系统的动态性能。从异步电机稳态模型可以证明，当稳态气隙磁通恒定时，电从异步电机稳态模型可以证明，当稳态气隙磁通恒定时，电磁转矩近似与转差角频率磁转矩近似与转差角频率 s成正比，因此，控制成正比，因此，控制 s就相当于就相当于控制转矩，采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率控制转矩，采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率 1= r+ s ，则，则 1随实际转速随实际转速 r增加或减小，得到平滑而稳定的增加或减小，得到平滑而稳定的调速，保证了较高的调速范围和动态性能。调速，保证了较高的调速范围和动态性能。这种方法是基于这种方法是基于电机稳态模型电机稳态模型的，仍然不能得
20、到理想的动态的，仍然不能得到理想的动态性能。性能。9/14/202441电力电子技术n矢量控制矢量控制异步电动机的数学模型是异步电动机的数学模型是高阶高阶、非线性非线性、强耦合强耦合的的多变量系多变量系统统。矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的动态数学模动态数学模型型，将定子电流分解为励磁分量和与此垂直的转矩分量，参，将定子电流分解为励磁分量和与此垂直的转矩分量，参照直流调速系统的控制方法，分别独立地对两个电流分量进照直流调速系统的控制方法，分别独立地对两个电流分量进行控制，类似直流调速系统中的双闭环控制方式。行控制，类似直流调速系统中的双闭环控
21、制方式。该方式需要该方式需要实现转速和磁链的解耦实现转速和磁链的解耦，控制系统较为复杂。，控制系统较为复杂。 n直接转矩控制直接转矩控制直接转矩控制方法同样是基于电机的直接转矩控制方法同样是基于电机的动态模型动态模型，其控制闭环，其控制闭环中的内环，直接采用了转矩反馈，并采用中的内环，直接采用了转矩反馈，并采用砰砰砰控制砰控制，可以，可以得到转矩的快速动态响应，并且控制相对要简单许多。得到转矩的快速动态响应，并且控制相对要简单许多。9/14/202442电力电子技术图4-1逆变电路及其波形举例 9/14/202443电力电子技术图4-2负载换流电路及其工作波形 9/14/202444电力电子技
22、术图4-3直接耦合式强迫换流原理图 9/14/202445电力电子技术图4-4电感耦合式强迫换流原理图 9/14/202446电力电子技术图4-5电压型逆变电路举例（全桥逆变电路） 9/14/202447电力电子技术图4-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 9/14/202448电力电子技术图4-7单相全桥逆变电路的移相调压方式 9/14/202449电力电子技术图4-8带中心抽头变压器的逆变电路 *ABOab+9/14/202450电力电子技术图4-9三相电压型桥式逆变电路 9/14/202451电力电子技术图4-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形9/14/202452电力电子技术图4-
23、11电流型三相桥式逆变电路 9/14/202453电力电子技术图4-12单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路 9/14/202454电力电子技术图4-13并联谐振式逆变电路工作波形9/14/202455电力电子技术图4-14电流型三相桥式逆变电路的输出波形 9/14/202456电力电子技术图4-15串联二极管式晶闸管逆变电路 9/14/202457电力电子技术图4-16换流过程各阶段的电流路径 9/14/202458电力电子技术图4-17串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形 9/14/202459电力电子技术图4-18无换相器电动机的基本电路 9/14/202460电力电子技术图4-19无换
24、相器电动机电路工作波形9/14/202461电力电子技术图4-20二重单相逆变电路 9/14/202462电力电子技术图4-21二重逆变电路的工作波形 9/14/202463电力电子技术图4-22三相电压型二重逆变电路 9/14/202464电力电子技术图4-23二次侧基波电压合成相量图 9/14/202465电力电子技术图4-24三相电压型二重逆变电路波形图9/14/202466电力电子技术图4-25三电平逆变电路 9/14/202467电力电子技术图图10-7 不能再生反馈的电不能再生反馈的电压型间接交流变流电路压型间接交流变流电路 图图10-8 带有泵升电压限制电路的带有泵升电压限制电路
25、的电压型间接交流变流电路电压型间接交流变流电路 图图10-9 利用可控变流器实现再生反利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路馈的电压型间接交流变流电路 图图10-10 整流和逆变均为整流和逆变均为PWM控控制的电压型间接交流变流电路制的电压型间接交流变流电路 9/14/202468电力电子技术图图10-11 采用可控整流的电流采用可控整流的电流型间接交流变流电路型间接交流变流电路 图图10-12 电流型交电流型交直直交交PWM变频电路变频电路 9/14/202469电力电子技术图图10-13 整流和逆变均为整流和逆变均为PWM控控制的电流型间接交流变流电路制的电流型间接交流变流电路 9/14/202470电力电子技术
