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5-1,第5章 逆变电路,引言 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 本章小节,5-2,第5章 逆变电路 引言,逆变的概念 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。 逆变与变频 变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。 主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 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。,本章讲述无源逆变,5-3,5.1 换流方式,5.1.1 逆变电路的基本工作原理 5.1.2 换流方式分类,5-4,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理,5.1.1 逆变电路的基本工作原理,图5-1 逆变电路及其波形举例,S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,5-5,逆变电路,第5章,以上讨论的仅仅是逆变器的主电路，要构成一个完整的逆变器除了主电路之外还要有其它附加电路，其基本结构如下图所示，除逆变主电路外还包括：,5-6,逆变电路,第5章,5-7,5.1.1 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。,5-8,5.1.1 逆变电路的基本工作原理,逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。,图5-1 逆变电路及其波形举例,电阻负载时，负载电流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。,AC 变 DC 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,DC 变 AC 逆变电路及其波形举例,逆变与整流的比较,5.1,5-10,5.1.2 换流方式分类,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。,开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 关断： 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。,本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在本章集中讲述。,5-11,5.1.2 换流方式分类,1) 器件换流（Device Commutation） 利用全控型器件的自关断能力进行换流。 在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。 2) 电网换流（Line Commutation） 电网提供换流电压的换流方式。 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。 3) 负载换流（Load Commutation） 4) 强迫换流（Forced Commutation）,5-12,5.1.2 换流方式分类,图5-2 负载换流 电路及其工作波形,由负载提供换流电压的换流方式。 负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。 如图是基本的负载换流电路，4个桥臂均由晶闸管组成。 整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。 直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动。 uo接近正弦波。 注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。,5-13,4)强迫换流（Forced Commutation）,5.1.2 换流方式分类,设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。 分类,5-14,5.1.2 换流方式分类,直接耦合式强迫换流 当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关断。 也叫电压换流。,图5-3直接耦合式强迫换流原理图,5-15,5.1.2 换流方式分类,换流方式总结： 器件换流适用于全控型器件。 其余三种方式针对晶闸管。 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。 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。,5-16,5.2 电压型逆变电路,1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同,5-17,5.2 电压型逆变电路,2）电压型逆变电路的特点,图5-5 电压型全桥逆变电路,(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 (2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。 (3)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。,5-18,5.2 电压型逆变电路,5.2.1 单相电压型逆变电路,5-19,5.2.1 单相电压型逆变电路,1）半桥逆变电路,u,图56 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,工作原理 V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。 V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，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,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。,5-20,5.2.1 单相电压型逆变电路,优点：电路简单，使用器件少。 缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且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。,5-21,5.2.1 单相电压型逆变电路,2) 全桥逆变电路,共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180°。 输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。 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。,2全桥逆变电路,图5-5 全桥逆变电路,单相逆变电路中应用最多,单相电压型逆变电路,5.2.1,两个半桥电路的组合,a,b,5-23,5.2.1 单相电压型逆变电路,阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压移相调压。,V3的基极信号比V1落后q （0 q 180 °）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°q。输出电压是正负各为q的脉冲。 改变q就可调节输出电压。,图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式,阻感负载时还可采用移相调压：,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,V3的基极信号只比V1落后q ( 0 q 180°),V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°-q,uo成为正负各为q 的脉冲，改变q 即可调节输出 电压有效值,单相电压型逆变电路,5.2.1,5-25,5.2.2 三相电压型逆变电路,三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路 应用最广的是三相桥式逆变电路,图5-9 三相电压型桥式逆变电路,5-26,5.2.2 三相电压型逆变电路,基本工作方式180°导电方式,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差120 °。 任一瞬间有三个桥臂同时导通。 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。,图5-9 三相电压型桥式逆变电路,5-27,V1V6触发控制信号的波形,5-28,5-29,5-30,5-31,5.2.2 三相电压型逆变电路,波形分析,负载各相到电源中点N'的电压：U相，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2。 负载线电压 负载相电压,图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形,5-32,5.2.2 三相电压型逆变电路,负载中点和电源中点间电压 (5-6) 负载三相对称时有 uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7),图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形,5-33,负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。 一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。 综上所述，三相桥式逆变电路中各开关元件每隔60°导通一个，导通180°后关断，各元件导通顺序为V1V2V3V4V5V6。 一个周期中逆变器输出线电压为矩形波，相电压为六阶梯波的交流电。 改变元件导通与关断的频率，就能改变输出交流电频率，改变直流侧电压，就能调节交流输出电压幅值。,5-34,在上述180°导电方式逆变器中，为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取“先断后通”的方法。 即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间。 死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就可以越短。 这一“先断后通”的方法对于工作在上下桥臂通断互补方式下的其他电路也是适用的。显然，前述的单相半桥和全桥逆变电路也应该采取这一方法。,5-35,电流型逆变电路主要特点 (1) 直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源。,5.3 电流型逆变电路,直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。,图5-11 电流型三相桥式逆变电路,(2) 交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。 (3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。 换流方式有负载换流、强迫换流。,5-36,5.3 电流型逆变电路,5.3.1 单相电流型逆变电路,5-37,电流型逆变电路和电压型逆变电路的不同,前面所列举的各种电压型逆变电路都采用全控型器件，换流方式为器件换流。 采用半控型器件的电压型逆变电路已很少应用。 而电流型逆变电路采用半控型器件的电路仍应用较多； 电流型逆变电路就其换流方式而言，有的采用负载换流，有的采用强迫换流。,5-38,5.3.1 单相电流型逆变电路,1) 电路原理,图512 单相桥式电流型 （并联谐振式）逆变电路,由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。 工作方式为负载换相。 电容C和L 、R构成并联谐振电路。 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。,5-39,5.3.1 单相电流型逆变电路,图513并联谐振式逆变 电路工作波形,2) 工作分析,一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段。,t1t2：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。 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。,5-40,5.3.1 单相电流型逆变电路,t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。 t4t2= tg 称为换流时间。 保证晶闸管的可靠关断 晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tb。 tb= t5- t4应大于晶闸管的关断时间tq。 。,io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点。,图513并联谐振式逆变 电路工作波形,5-41,有关电流型逆变电路的无功功率,在uAB为正的部分，直流侧电流同uAB方向相同，直流电源向负载送出能量； 在uAB为负的部分，直流侧电流同uAB方向相反，直流电源从负载吸收能量，即补偿电容C的能量向直流电源反馈，由于电容上储存的是无功能量，因而电容C回馈给电源的也是无功能量。 直流侧的Ld起到缓冲这种无功能量的作用（当uAB为负时，其极性同直流电源串联，势必增大Id，导致电感储能增大，这样电容C中的无功能量转移到Ld中。对电感来说，为了阻碍Id变化，两端产生感应电动势形成假想的反向电流从而向电源回馈能量）。,5-42,第5章 逆变电路 小结,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 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。,5-43,第5章 逆变电路 小结,逆变电路分类方法 可按输出相数、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。 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流电路。,5-44,第5章 逆变电路 小结,与其它章的关系 本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整。 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，学完下一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。,