1、逆 變 電 路主要內(nèi)容：換流方式，電壓型逆變電路，電流型逆變電路，多重逆變電路和多電平逆變電路。重點：換流方式，電壓型逆變電路。難點：電壓型逆變電路，電流型逆變電路?；疽螅赫莆論Q流方式，掌握電壓型逆變電路，理解電流型逆變電路，了解多重逆變電路和多電平 逆變電路。逆變概念：逆變一一直流電變成交流電，與整流相對應(yīng)。本章無源逆變逆變電路的應(yīng)用：蓄電池、干電池、太陽能電池等直流電源向交流負(fù)載供電時，需要逆變電路。交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。本章僅講述逆變電路基本內(nèi)容，第6章PWM控制技術(shù)和第8章組合變流電路中，有關(guān)逆變電路的內(nèi)容 會進(jìn)一步展開

2、1換流方式（1）逆變電路的基本工作原理單相橋式逆變電路為例：S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負(fù)載電壓uo 為正S1； S1、S4斷開，S2、S3閉合時，uo為負(fù)，把直流電變成了交流電。改變兩組開關(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電阻負(fù)載時，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時，io滯后于u。，波形也不同（圖 5-1b）。J前：S、S4通，uo和io均為正。匚時刻斷開S、S，合上S、S，u變負(fù)，但i不能立刻反向。11423 ooio從電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感能量向電

3、源反饋，io逐漸減小，t2時刻降為 零，之后io才反向并增大（2）換流方式分類換流電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱換相。開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使其開通。關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(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零后施加一定時間反壓，才能 關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。本章?lián)Q流及換流方式問題最為全面集中，因此在本章講述1、器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流(Device Commutation)。2、電網(wǎng)換流由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流(Line Commutation)。可控整流電路、交流調(diào)壓電路和采用相控方 式的交交

4、變頻電路，不需器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加元件。3、負(fù)載換流由負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)載換流(Load Commutation)。負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓的場合，都可 實現(xiàn)負(fù)載換流。負(fù)載為電容性負(fù)載時，負(fù)載為同步電動機(jī)時，可實現(xiàn)負(fù)載換流。圖5-2負(fù)載換流電路及其工作波形基本的負(fù)載換流逆變電路：采用晶閘管，負(fù)載：電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。電容為改 善負(fù)載功率因數(shù)使其略呈容性而接入，直流側(cè)串入大電感Ld，id基本沒有脈動。工作過程：4個臂的切換僅使電流路徑改變，負(fù)載電流基本呈矩形波。負(fù)載工作在對基波電流接近并聯(lián)諧振的狀 態(tài)，對基波阻抗很大，對諧波阻

5、抗很小，uo波形接近正弦。t前：VT、VT通，VT/ VT斷，u、i均為正，VT、VT電壓即為u11423o o23ot1時：觸發(fā)VT2、VT3使其開通，uo加到VT4、VT1上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從VT、VT4換到 VT3、VT2。t1必須在uo過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成。4、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)迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流(Forced Commutation)。通常利用附加電容上儲存的能量來實現(xiàn)，也稱為電容換流。直接耦合式強(qiáng)迫換流一一由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓。VT通態(tài)時，先給電容C充電。合上S就可 使晶閘管被施加反壓而關(guān)斷

6、。圖5-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式強(qiáng)迫換流一一通過換流電路內(nèi)電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流。兩種電感耦合式強(qiáng)迫換流：圖5-4a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷。圖5-4b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內(nèi)關(guān)斷。圖5-4電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流也叫電壓換流(圖5-3)。先使晶閘管電流減為零，然后通過 反并聯(lián)二極管使其加反壓的換流叫電流換流(圖5-4)。器件換流一一適用于全控型器件。其余三種方式一一針對晶閘管。器件換流和強(qiáng)迫換流一一屬于自換流。電網(wǎng)換流和負(fù)載換流屬于外部換流。當(dāng)電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱悖?/p>

7、則稱為熄滅。2電壓型逆變電路逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路， 電流型逆變電路或電流源型逆變電路。圖5-1電路的具體實現(xiàn)。圖5-5電壓型逆變電路舉例(全橋逆變電路)電壓型逆變電路的特點直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同阻感負(fù)載時需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極 管(1)單相電壓型逆變電路1、半橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)：見圖5-6。工作原理：V1和V2柵極信號各半周正偏、半周反偏，互補(bǔ)。uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2, io波形隨負(fù)載而異， 感性負(fù)載時，圖5-

8、6b，V1或V2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量，VD或VD2通時，io和uo 反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋，VD】、VD2稱為反饋二極管，還使io連續(xù)，又稱續(xù)流二極管。圖5-6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形優(yōu)點：簡單，使用器件少缺點：交流電壓幅值Ud/2,直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡，用于幾kw以下的小功率逆 變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。2、全橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)及工作情況：圖5-5,兩個半橋電路的組合。1和4 一對，2和3另一對，成對橋臂同時導(dǎo)通，交替各導(dǎo)通180。u o波形同圖5-6b。半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。io

9、波形和圖5-6b中的i相同，幅值增加一倍，單相 逆變電路中應(yīng)用最多的。輸出電壓定量分析u* =竺 sin+ - sin + -sin +Auo成傅里葉級數(shù)西I 35J(5-1)殘=冬1.四基波幅值西(5-2)基波有效值荷(5-3)uo為正負(fù)各180o時，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實現(xiàn)。移相調(diào)壓方式(圖5-7)?？刹捎靡葡喾绞秸{(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱為移相調(diào)壓。各柵極信號為180o正偏，180o反偏，且 V1和V2互補(bǔ)，V3和V4互補(bǔ)關(guān)系不變。V3的基極信號只比V1落后q ( 0q uwn波形。負(fù)載已知時，可由uun波形求出七波形，一相上下兩橋 臂間的換流過程和半橋電路相似，橋臂1、3

10、、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60(5-6)(5-7)定量分析:uuv展開成傅里葉級數(shù)式中，卅=6*1，k為自然數(shù)f =昌t = 0.816U,輸出線電壓有效值站基波幅值UVlm.冬 uuv展開成傅里葉級數(shù)式中，卅=6*1，k為自然數(shù)f =昌t = 0.816U,輸出線電壓有效值站基波幅值UVlm.冬 1.1%基波有效值b、負(fù)載相電壓uun展開成傅里葉級數(shù)得:式中，凹=段1，k為自然數(shù)負(fù)載相電壓有效值申(5-8)(5-9)(5-10)(5-11)(5-12)(5-13)上m = =0.63717, 基波幅值西(5-14)基波有效值(5-15)防止同一相上下兩橋臂開關(guān)器件直通，采

11、取“先斷后通”的方法。3電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路一一電流型逆變電路。一般在直流側(cè)串聯(lián)大電感，電流脈動很小，可近 似看成直流電流源。實例之一：圖5-11電流型三相橋式逆變電路。交流側(cè)電容用于吸收換流時負(fù)載電感中存貯的能量。圖5-11電流型三相橋式逆變電路電流型逆變電路主要特點：直流側(cè)串大電感，相當(dāng)于電流源。交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。(1)單相電流型逆變電路圖5-12單相橋式電流型(并聯(lián)諧振式)逆變電路4橋臂，每

12、橋臂晶閘管各串一個電抗器Lt限制晶閘管開通時的di/dt。1、4和2、3以10002500Hz的 中頻輪流導(dǎo)通，可得到中頻交流電。采用負(fù)載換相方式，要求負(fù)載電流超前于電壓。負(fù)載一般是電磁感應(yīng)線圈，加熱線圈內(nèi)的鋼料，RL串聯(lián)為其等效電路。因功率因數(shù)很低，故并聯(lián)C。C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振式逆變電路。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。因基波頻率接近負(fù)載電路 諧振頻率，故負(fù)載對基波呈高阻抗，對諧波呈低阻抗，諧波在負(fù)載上產(chǎn)生的壓降很小，因此負(fù)載電壓波形 接近正弦波。工作波形分析：一周期內(nèi)，兩個穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個換流階段。t1-t2： VT1和VT

13、4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，ijId，t2時刻前在C上建立了左正右負(fù)的電壓。t2-t4： t2時觸發(fā)VT2和VT3開通，進(jìn)入換流階段。Lt使VTVT4不能立刻關(guān)斷，電流有一個減小過 程。VT2、VT3電流有一個增大過程。4個晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電。t2 時刻后，LTVT、VT3、LT3 到 C；另一個經(jīng) LT2、VT2、VT4、LT4 到 C。t=t4 時，VTVT4 電流減至零 而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。匕一t舟t稱為換流時間。i在t時刻，即i 時刻過零，t時刻大體位于t和 4 2go 3VT1 VT232t4的中點。保證晶閘管的可靠關(guān)斷(圖5-13)：晶閘管需一段時間才能恢復(fù)

14、正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VT、VT4承受一段反壓時間扣tp= t5-t應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時間t。為保證可靠換流應(yīng)在u過零前td= t - t時刻觸發(fā)VT、VT。4qo5 223td為觸發(fā)引前時間、一&+（5-16）io超前于Uo的時間為（5-17）P =心? +基=導(dǎo)9表示為電角度 （5-18）為電路工作角頻率；Y、P分別是tY、*對應(yīng)的電角度）圖5-13并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形數(shù)量分析：忽略換流過程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級數(shù)L = sin-sin 3c + -sin5t2rf +A(5-19)基波電流有效值(5-20)西35J(5-19)基波電流有效值(5-20)負(fù)載電壓

15、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）U = = 1.114如御匚口渺（5-21）實際工作過程中，感應(yīng)線圈參數(shù)隨時間變化，必須使工作頻率適應(yīng)負(fù)載的變化而自動調(diào)整，這種控制 方式稱為自勵方式。固定工作頻率的控制方式稱為他勵方式。自勵方式存在起動問題，解決方法：一是先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵方式。另一種方法是附加預(yù)充電起動電路。（2）三相電流型逆變電路電流型三相橋式逆變電路（圖5-11，采用全控型器件）?；竟ぷ鞣绞绞?20導(dǎo)電方式每個臂一周期內(nèi)導(dǎo)電120。每時刻上下橋臂組各有一個臂導(dǎo)通，橫 向換流。波形分析：輸出電流波形和負(fù)載性質(zhì)無關(guān)，正負(fù)脈沖各120的矩形

16、波。輸出電流和三相橋整流帶大電感負(fù)載時的 交流電流波形相同，諧波分析表達(dá)式也相同。輸出線電壓波形和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，大體為正弦波。% =亟孔=口炎孔輸出交流電流的基波有效值西（5-22）串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路如圖5-15所示。這種電路因各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用而得名，主要用于中大功率交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。電流型三相橋式逆變電路：電路仍為前述的120。導(dǎo)電工作方式，輸出波形和圖5-14的波形大體相 同。各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用，各橋臂之間換流采用強(qiáng)迫換流方式，連接于各臂之間的電容q C6即為換流電容。換流過程分析（圖5-16）電容器充電規(guī)律：圖5-14電流型三相橋式逆變電路的輸出波形圖

17、5-15串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路對共陽極晶閘管，與導(dǎo)通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負(fù)。不與導(dǎo)通晶閘管相連的電容器電壓 為零。共陰極晶閘管與共陽極晶閘管情況類似，只是電容器電壓極性相反。等效換流電容：例如分析從VT1向VT3換流時，C13就是C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容。設(shè) CC6的電容量均為C，則Ci3=3C/2。從二向vt3換流的過程：換流前VT和VT2通，C13電壓UC0左正右負(fù)。換流過程可分為恒流放電和二極管換流兩個階段。圖5-16換流過程各階段的電流路徑a、恒流放電階段t1時刻觸發(fā)VT3導(dǎo)通，VT1被施以反壓而關(guān)斷。七從VT換到VT3，C13通過VD、U相負(fù)載、W相負(fù)

18、載、VD、VT、直流電源和VT,放電，放電電流恒為1湛故稱恒流放電階段。Um下降到零之前，VT,承受223dC131反壓，反壓時間大于tq就能保證關(guān)斷。b、二極管換流階段t2時刻uc13降到零，之后C13反向充電。忽略負(fù)載電阻壓降，則二極管VD3導(dǎo)通，電流為iv，VD1電流 為i =T-i，VD和VR同時通，進(jìn)入二極管換流階段。隨著 J電壓增高，充電電流漸小，i、,漸大，L時刻 U d V 1313V3iU減到零，iV=Id，VD1承受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段結(jié)束。t3以后，VT2、VT3穩(wěn)定導(dǎo)通階段波形分析：電感負(fù)載時，UC13、七、iV及UC1、UC3、波形 如圖5-17所示。圖中給出了各換流電容電壓uc1、 UC3和UC5的波形。UC1的波形和UC13完全相同，在 換流過程中，從UC0降為一UC0，C3和C5是串聯(lián)后 再和c1并聯(lián)的，電壓變化的幅度是c1的一半。換 流過程中，UC3從零變到-UC0，UC5