1、.,4-1,第4章 逆變電路,4.1 換流方式 4.2 電壓型逆變電路 4.3 電流型逆變電路,.,4-2,第4章 逆變電路,逆變的概念 逆變與整流相對應，直流電變成交流電。 交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。 交流側(cè)接負載，為無源逆變。 主要應用 各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等對交流的轉(zhuǎn)換。 交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。,本章講述無源逆變,.,4-3,逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種： 1）直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路； 2）直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路； 本章應掌握內(nèi)容 4.1 換流方式 4.2 電壓型逆變

2、電路 4.3 電流型逆變電路 。,第4章 逆變電路,.,4-4,4.1 換流方式,4.1.1 逆變電路的基本工作原理 4.1.2 換流方式分類,返回,.,4-5,以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理,4.1.1 逆變電路的基本工作原理,圖4-1 逆變電路及其波形舉例,S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。,返回,.,4-6,4.1.1 逆變電路的基本工作原理,逆變電路最基本的工作原理 改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。,圖4-1 逆變電路及其波形舉例,電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同。,阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同。,返回,

3、.,4-7,換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。 換流的基本方式。 1）器件換流（IGBT,GTO,GTR, MOSFET) 2）電網(wǎng)換流 3）負載換流（負載滿足的條件？） 4）強迫換流（直接耦合式，電感耦合式）,4.1.2 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，也稱為換相。,返回,.,4-8,4.1.2 換流方式分類,1) 器件換流 利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。 器件IGBT 、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。 2) 電網(wǎng)換流 電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。 將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。 3) 負載換流

4、 由負載提供換流電壓，當負載為電容性負載時，可實現(xiàn)負載換流。,返回,.,4-9,思考： 1.此電路是電壓型逆變還是電流型逆變電路？ 2.如何理解負載電流波形是矩形波？ 3.如何理解電壓波形近似為正弦波？（負載特點） 4. 換流過程如何實現(xiàn)？ 4.如何保證順利可靠換流？,4.1.2 換流方式分類,負載換流電路及其工作波形,返回,.,4-10,4.1.2 換流方式分類,直接耦合式強迫換流 當晶閘管VT處于通態(tài)時，預先給電容充電。當S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。 也叫電壓換流。,圖4-3直接耦合式強迫換流原理圖,4)強迫換流,返回,.,4-11,4.1.2 換流方式分類,換流方式總結(jié)： 器件換

5、流適用于全控型器件。 其余三種方式針對晶閘管。 器件換流和強迫換流屬于自換流。 電網(wǎng)換流和負載換流屬于外部換流。 當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?，則稱為熄滅。,返回,.,4-12,4.2 電壓型逆變電路,4.2.1 單相電壓型逆變電路 4.2.2 三相電壓型逆變電路,返回,單相半橋電壓型逆變電路； 單相全橋電壓型逆變電路； 帶中心抽頭變壓器逆變電路。,三相全橋電壓型逆變電路。,.,4-13,（1） 半橋逆變電路, 導電方式：V1，V2驅(qū)動信號互補，各導通180,4.2.1 單相電壓型逆變電路,圖46 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形,返回,.,4-14,

6、工作原理： （1）t1t2 電源電壓經(jīng)V1對負載供電，電流指數(shù)規(guī)律 上升。負載電壓為1/2ud. （2）t2t3 電感經(jīng)VD2續(xù)流，電流指數(shù)規(guī)律下降。負載電壓為-1/2ud.,（3） t3t4 電源經(jīng)V2對負載供電，電流指數(shù)規(guī)律反向上升。負載電壓為-1/2ud. （4） t4t4 電感經(jīng)VD1續(xù)流，電流指數(shù)規(guī)律反向下降，負載電壓為1/2ud.,因為是阻感負載，呈感性，電流滯后電壓，滯后角=arctanL/R.,單向半橋電壓逆變電路優(yōu)缺點總結(jié)： 優(yōu)點：所用器件少。 缺點：u0幅值小，只有電源電壓的一半，并且輸入端接兩個電容，還需保證 C1=C2,不能精確滿足。,思考：電路中的二極管主要起什么作用

7、？ 答：當負載為感性或阻感性時，二極管為負載向直流電源反饋能量提供通道（即續(xù)流過程），故這些二極管被稱之為反饋二極管。,為了解決這一矛盾，在單向半橋的基礎上提出了單向全橋電壓型逆變電路。,單相半橋一般應用在小功率電路中。 功率較大時怎么辦？,4.2.1 單相電壓型逆變電路,圖46 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形,返回,.,4-15,（2） 全橋逆變電路,由四個臂構(gòu)成，輸入端并有一個電容。負載接在上下兩組臂之間。,4.2.1 單相電壓型逆變電路,圖4-7 單相全橋電壓型逆變電路,返回,.,4-16,導電方式一：V1,V4同時通斷；V2,V3同時通斷。V1,V4與V2,V3信號互補，各導電18

8、0（對比半橋思考） 。,圖4-7-1單相全橋電壓型逆變電路波形,4.2.1 單相電壓型逆變電路,圖4-7 單相全橋電壓型逆變電路,返回,工作原理：與單向半橋電路工作原理相同，只不過全橋中是兩個臂同時工作，半橋中一個臂單獨工作。全橋輸出電壓，電流波形與半橋完全一樣，但幅值均為半橋的兩倍。,.,4-17,單相電壓全橋輸出電壓uo定量分析 圖4-7-1對應uo展開成傅里葉級數(shù) 基波幅值 基波有效值,4.2.1 單相電壓型逆變電路,返回,.,4-18,思考：如果要改變輸出電壓的有效值（或幅值），可采取哪些方案？,1、可控整流調(diào)壓方案； 2、斬波調(diào)壓方案；,4.2.1 單相電壓型逆變電路,返回,逆變器導

9、電方式一 （180導電方式）,逆變器導電方式二 移相導電方式（移相調(diào)壓）,3、逆變器自身控制方案。,答：,.,4-19, 導電方式二（移相導電）：V1,V2信號互補；V3,V4信號互補；V3信號比V1信號落后（ 0180）,所謂移相：即改變的大小。,4.2.1 單相電壓型逆變電路,圖4-7-2 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式,返回,.,4-20,單相電壓全橋輸出電壓uo定量分析 圖4-7-2 對應uo展開成傅里葉級數(shù) 基波幅值 基波有效值,4.2.1 單相電壓型逆變電路,返回,.,4-21,4.2.1 單相電壓型逆變電路,3） 帶中心抽頭變壓器的逆變電路,圖4-8 帶中心抽頭變壓器的逆變電路,

10、在Ud和負載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1情況下，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。 必須有一個變壓器 。,交替驅(qū)動兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負載加上矩形波交流電壓。 兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。,返回,.,4-22,4.2.2 三相電壓型逆變電路,三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路 應用最廣的是三相橋式逆變電路,圖4-9 三相電壓型橋式逆變電路,返回,.,4-23,4.2.2 三相電壓型逆變電路,基本工作方式（180導電方式）,每橋臂導電180，同一相上下兩臂交

11、替導電，各相開始導電的角度差120 。 任一瞬間有三個橋臂同時導通。 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流。,返回,.,4-24,波形分析,負載各相到電源中點N的電壓：U相，V1通，uUN=Ud/2，V4通，uUN=-Ud/2,負載線電壓,負載相電壓,負載中點和電源中點間電壓,4.2.2 三相電壓型逆變電路,返回,三相負載對稱，值為零,.,4-25,三相橋電壓型逆變電路輸出線電壓傅里葉級數(shù)表達式：,4.2.2 三相電壓型逆變電路,返回,式（4-8）,輸出線電壓有效值：,線電壓基波幅值：,線電壓基波有效值：,.,4-26,4.2.2 三相電壓型逆變電路,返回,三相橋電壓型逆變電路

12、輸出相電壓傅里葉級數(shù)表達式：,式（4-12）,輸出相壓有效值：,相電壓基波幅值：,相電壓基波有效值：,.,27,4.2.2 三相電壓型逆變電路,0.4520090（V）,0.637200127.4(V), 1.1200=220（V）, 0.78200=156（V）,例：三相橋式電壓型逆變電路，180導電方式，Ud=200V。試求輸出相電壓的基波幅值UUN1m和有效值UUN1、輸出線電壓的基波幅值UUV1m和有效值UUV1、輸出線電壓中7次諧波的有效值UUV7。 解:,.,4-28,三相橋電壓型逆變電路總結(jié)：,（1）三相橋電壓型逆變電路應用在大功率場合。 （2）各相輸出電壓在相位上相差1200，

13、電流波形根據(jù)負載情況的不同而不同。 （3）在導電上，為防止同一相的兩個器件同時開通而導致電源短路，應遵循“先斷后通”的原則:即要關(guān)斷的器件在徹底關(guān)斷之后再給需開通的器件開通信號，因此，要留一定的時間裕量（實際在單相中也應如此） 。,4.2.2 三相電壓型逆變電路,返回,.,4-29,電流型逆變,直流側(cè)輸入電源為電流源,電流型逆變電路的特性： （1）直流側(cè)串大電感，相當于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動。 （2）因為是恒流，輸出電流波形是矩形波，輸出電壓波形與負載有關(guān)系。 （3）電路中不必加反饋二極管。 （4）電感起到緩沖無功能量的作用。,4.3 電流型逆變電路,返回,電流型逆變電路中，采用半控型器

14、件的電路仍應用較多,換流方式有負載換流、強迫換流。,.,4-30,4.3 電流型逆變電路,4.3.1 單相電流型逆變電路 4.3.2 三相電流型逆變電路,返回,.,4-31, 4個橋臂，每橋臂晶閘管各串聯(lián)一個電抗器LT，用來限制晶閘管開通時的di/dt。,采用負載換相方式，要求負載電流略超前于負載電壓（呈容性），并聯(lián)電容同時有提高功率因數(shù)的作用。,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（但最終負載仍略顯容性，準確應稱之為容性小失諧負載）。,輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。,并聯(lián)諧振回路對基波呈高阻抗，對諧波呈低阻抗，諧波在負載上產(chǎn)生的壓降很

15、小，因此負載電壓波形接近正弦波。,4.3.1 單相電流型逆變電路,圖412 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路,1) 電路原理,返回,.,4-32,基本導電方式：1，4同時通斷，2，3同時通斷。,4.3.1 單相電流型逆變電路,2) 工作分析,返回,.,4-33,為保證可靠換流，應在負載電壓 過零前 時間去觸發(fā)VT2、 VT3， 稱觸發(fā)引前時間：,思考： (1)怎樣確保晶閘管可靠關(guān)斷？ (2）觸發(fā)引前時間是指什么時間？ （3）觸發(fā)引前時間考慮哪些因素？,電流減小為零，晶閘管還需一段時間才能恢復正向阻斷能力，也就是說電流為零后還要使VT1、VT4承受一段反壓時間tb，這樣晶閘管才能真正可靠關(guān)斷

16、。,如果不能滿足上要求，則會導致逆變失敗。,4.3.1 單相電流型逆變電路,返回,3),.,4-34,單相橋式電流型逆變電路輸出電流io定量分析 圖4-13對應io近似展開成傅里葉級數(shù) 基波幅值 基波有效值,返回,4.3.1 單相電流型逆變電路,4),.,4-35,1）采用全控型器件GTO電路,基本工作方式是1200導電方式（每個臂一周期內(nèi)導電1200）。,4.3.2 三相電流型逆變電路,圖4-11 電流型三相橋式逆變電路,返回,每時刻上下橋臂組各有一個臂導通，為橫向換流。,.,4-36,.,4-37,三相電流型逆變輸出特性（全控型器件）：,輸出相電流波形和負載性質(zhì)無關(guān)，為正負各120的矩形波

17、。 輸出線電壓波形和負載性質(zhì)有關(guān)，大體為正弦波，因電感的作用，每次換相時會產(chǎn)生電壓沖擊。 因直流輸入電感值很大才能構(gòu)成一個電流源，因此電感的重量體積都很大，這是電流型逆變器使用不廣泛的一個重要原因。,4.3.2 三相電流型逆變電路,返回,.,4-38,2）串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路,主要用于中大功率交流電動機調(diào)速系統(tǒng)。,電流型三相橋式逆變電路，輸出波形與全控型器件時一樣。,各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用。, 120導電工作方式,強迫換流方式，電容C1C6為換流電容。,4.3.2 三相電流型逆變電路,圖4-14 串聯(lián)二極管式 晶閘管逆變電路,返回,.,4-39,分析流過程（強迫換流）：,電容器充

18、電規(guī)律：對共陽極晶閘管，它與導通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負，不與導通晶閘管相連的電容器電壓為零 等效換流電容概念：分析從VT1向VT3換流時，C13就是C3與C4串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容，,4.3.2 三相電流型逆變電路,返回,.,4-40,以VT1向VT3換流的過程為例：,（2）t1時刻觸發(fā)VT3導通，VT1被施以反壓而關(guān)斷,（1）假設換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負,（1） （2） （3） （4）,Id從VT1換到VT3，C13通過VD1、U相負載、W相負載、VD2、VT2、直流電源和VT3放電，放電電流恒為Id，故稱恒流放電階段,（3）t2時刻uC13降到零，之后C13反向充電。則二極管VD3導通，VD1和VD3同時通，進入二極管換流階段。產(chǎn)生環(huán)流。此環(huán)流使VD1電流減小，使VD3電流增大。,隨著C13電壓增高，iV漸大，VD1電流越來越小，假設在t3時刻變?yōu)榱?，則VD1承受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段結(jié)束。,（4） VT2、VT3穩(wěn)定導通階段,4.3.2 三相電流型逆變電路,返回,.,4-41,波形分析：,恒流放電階段,二極管換流階段,4.3.2 三相電流型逆變電路,圖4-17 串聯(lián)二極管晶閘管逆變電路換流過程波形,返回,.,4-42,掌握： （1）換流方式，換流原理。 （2）電壓型逆變