第4章 逆變電路

第5章逆變電路

5.1換流方式

5.2電壓型逆變電路

5.3電流型逆變電路

5.4多重逆變電路和多電平逆變電路

本章小節(jié)1第5章逆變電路?引言逆變的概念

逆變——與整流相對(duì)應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接負(fù)載，為無(wú)源逆變。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。逆變與變頻變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。主要應(yīng)用本章講述無(wú)源逆變25.1換流方式

5.1.1逆變電路的基本工作原理

5.1.2換流方式分類3以單相橋式逆變電路為例5.1.1逆變電路的基本工作原理圖5-1逆變電路及其波形舉例負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1S1～S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。t245.1.1逆變電路的基本工作原理S1、S4閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正。S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)。55.1.1逆變電路的基本工作原理逆變電路最基本的工作原理

——改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖5-1逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同。65.1.2換流方式分類換流——電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱為換相。開(kāi)通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使器件開(kāi)通。關(guān)斷：全控型器件可通過(guò)門極控制關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷。一般在晶閘管電流過(guò)零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。75.1.2換流方式分類1)器件換流（DeviceCommutation）利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。在采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中。2)電網(wǎng)換流（LineCommutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于無(wú)源逆變電路。3)

負(fù)載換流（LoadCommutation）4)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）85.1.2換流方式分類圖5-2負(fù)載換流電路及其工作波形

由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。負(fù)載對(duì)基波的阻抗大而對(duì)諧波的阻抗小，所以u(píng)o接近正弦波。觸發(fā)VT2、VT3的時(shí)刻t1，必須在uo過(guò)零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。ttttOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT494)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）5.1.2換流方式分類由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓直接耦合式強(qiáng)迫換流通過(guò)換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來(lái)提供換流電壓或換流電流電感耦合式強(qiáng)迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式。通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流。分類105.1.2換流方式分類直接耦合式強(qiáng)迫換流（電壓換流）

當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容充電。當(dāng)S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。

圖5-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖圖5-4電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式強(qiáng)迫換流（電流換流）

先使晶閘管電流減為零，然后通過(guò)反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓。

115.1.2換流方式分類換流方式總結(jié)：器件換流——適用于全控型器件。其余三種方式——針對(duì)晶閘管。器件換流和強(qiáng)迫換流——屬于自換流。電網(wǎng)換流和負(fù)載換流——屬于外部換流。熄滅：當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱恪?25.2電壓型逆變電路1）逆變電路的分類——根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同電壓型逆變電路——又稱為電壓源型逆變電路VoltageSourceInverter-VSI直流側(cè)是電壓源電流型逆變電路——又稱為電流源型逆變電路CurrentSourceInverter-CSI直流側(cè)是電流源135.2電壓型逆變電路2）電壓型逆變電路的特點(diǎn)圖5-5電壓型全橋逆變電路(1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)。(2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。(3)阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功功率，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。145.2電壓型逆變電路

5.2.1單相電壓型逆變電路

5.2.2三相電壓型逆變電路155.2.1單相電壓型逆變電路1）半橋逆變電路u圖5－6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理V1和V2柵極信號(hào)在一周期內(nèi)互補(bǔ)，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2；V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時(shí)，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管,又稱續(xù)流二極管。165.2.1單相電壓型逆變電路優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，使用器件少。缺點(diǎn)：輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應(yīng)用：幾kW以下的中小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合。175.2.1單相電壓型逆變電路2)全橋逆變電路共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通180°。輸出電壓、電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過(guò)改變直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)。185.2.1單相電壓型逆變電路阻感負(fù)載時(shí)，還可采用移相的方式來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓－移相調(diào)壓。a)圖5-7移相調(diào)壓方式tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoV3的柵極信號(hào)比V1落后q

（0＜q

＜180°）。V3、V4的柵極信號(hào)分別比V2、V1的前移180°－q。輸出電壓是正負(fù)各為q的脈沖。改變q，就可調(diào)節(jié)輸出電壓。195.2.1單相電壓型逆變電路3）帶中心抽頭變壓器的逆變電路圖5-8帶中心抽頭變壓器的逆變電路交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。兩個(gè)二極管的作用也是提供無(wú)功能量的反饋通道。20Ud和負(fù)載參數(shù)相同、變壓器匝比為1：1時(shí)，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。與全橋電路的比較：比全橋電路少用一半開(kāi)關(guān)器件。器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高一倍。必須有一個(gè)變壓器。215.2.2三相電壓型逆變電路三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路圖5-9三相電壓型橋式逆變電路225.2.2三相電壓型逆變電路基本工作方式——180°導(dǎo)電方式每橋臂導(dǎo)電180°，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度差120°。任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流。235.2.2三相電壓型逆變電路負(fù)載各相到電源中點(diǎn)N'的電壓：U相，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2。負(fù)載線電壓負(fù)載相電壓圖5-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3245.2.2三相電壓型逆變電路負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓

(5-6)

負(fù)載三相對(duì)稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是

(5-7)負(fù)載已知時(shí)，可由uUN波形求出iU波形。255.2.2三相電壓型逆變電路一相上下兩橋臂間的換流過(guò)程和半橋電路相似。橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60°脈動(dòng)一次，直流電壓基本無(wú)脈動(dòng)，故逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的脈動(dòng)功率。防止同一相上下兩橋臂的開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短路，應(yīng)采取“先斷后通”。265.3電流型逆變電路電流型逆變電路：直流電源為電流源的逆變電路。電流型逆變電路中，采用半控型器件仍較多。換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。圖5-11電流型三相橋式逆變電路27電流型逆變電路主要特點(diǎn)：

(1)

直流側(cè)串大電感，電流基本無(wú)脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源。

(2)

交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。

(3)直流側(cè)電感起緩沖無(wú)功能量的作用，不必給開(kāi)關(guān)器件反并聯(lián)二極管。285.3電流型逆變電路

5.3.1單相電流型逆變電路

5.3.2三相電流型逆變電路

295.3.1單相電流型逆變電路1)電路原理圖5－12單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路由四個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器，用來(lái)限制晶閘管開(kāi)通時(shí)的di/dt。工作方式為負(fù)載換相。電容C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。30tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖5－13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形2)工作分析一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)穩(wěn)定導(dǎo)通階段

和兩個(gè)換流階段。t1~t2：VT1和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，iｏ=Id，t2時(shí)刻前在C上建立了左正右負(fù)的電壓。t2~t4：t2時(shí)觸發(fā)VT2和VT3開(kāi)通，進(jìn)入換流階段。31t=t4時(shí)，VT1、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4－t2=tg

稱為換流時(shí)間。保證晶閘管的可靠關(guān)斷：晶閘管需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時(shí)間tb。tb=t5-t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4圖5－13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形32為保證可靠換流，應(yīng)在uo過(guò)零前td=t5-t2時(shí)刻觸發(fā)VT2、VT3，td為觸發(fā)引前時(shí)間。

(5-16)io超前于uo的時(shí)間

(5-17)表示為電角度(5-18)w為電路工作角頻率；g、b分別是tg、tb對(duì)應(yīng)的電角度。5.3.1單相電流型逆變電路335.3.1單相電流型逆變電路忽略換流過(guò)程，io可近似成矩形波，展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)

(5-19)基波電流有效值

(5-20)負(fù)載電壓有效值Uo和直流電壓Ud的關(guān)系（忽略Ld的損耗，忽略晶閘管壓降）

(5-21)345.3.1單相電流型逆變電路自勵(lì)方式:使工作頻率適應(yīng)負(fù)載的變化而自動(dòng)調(diào)整的控制方式。他勵(lì)方式：固定工作頻率的控