1、.第5章 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(diǎn)：換流方式，電壓型逆變電路。難點(diǎn)：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(shí)，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1換

2、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(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正S1；S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，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(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滯后于uo，波形也不同（圖5-1b）。t1前：S1、S4通，uo和io均為正。t1時(shí)刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負(fù)，但io不能立刻反向。io從電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋，

3、io逐漸減小，t2時(shí)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(gè)支路向另一個(gè)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(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。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）?？煽卣麟娐贰⒔涣髡{(diào)壓電路和采用相控方式的交交變頻電路，不需

4、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(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，負(fù)載為同步電動機(jī)時(shí)，可實(shí)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(gè)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，對諧波阻抗很小，uo波形

5、接近正弦。t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3斷，uo、io均為正，VT2、VT3電壓即為uot1時(shí)：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VT1、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(shí)現(xiàn)，也稱為電容換流。直接耦合式強(qiáng)迫換流由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓。VT通態(tài)時(shí)，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。圖5-3 直接耦合式強(qiáng)迫

6、換流原理圖電感耦合式強(qiáng)迫換流通過換流電路內(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(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷。圖5-4b中晶閘管在LC振蕩第二個(gè)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(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。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)榱悖瑒t稱為熄滅。2電壓型逆變電路逆變電路按其

7、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(shí)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(diǎn)(1) 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動(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(shí)，圖5-6b，V1或V2通時(shí)，

8、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，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(diǎn)：簡單，使用器件少缺點(diǎn)：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(gè)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(gè)半橋電路的組合。1和4一對，2和3另一對，成對橋臂同時(shí)導(dǎo)通，交替各導(dǎo)通180。uo波形同圖5-6b。半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。io波形和圖5-6b中的io相

9、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uo成傅里葉級數(shù) (5-1)基波幅值 (5-2)基波有效值 (5-3)uo為正負(fù)各180時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實(shí)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180正偏，180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 180)，V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180-q，uo成為正負(fù)各為q 的脈沖，改變q 即可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。圖5-7 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式3、帶中心抽頭變壓器的逆變電路交替驅(qū)動兩個(gè)IGB

10、T，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功能量的反饋通道，Ud和負(fù)載相同，變壓器匝比為1:1:1時(shí)，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。圖5-8 帶中心抽頭變壓器的逆變電路與全橋電路的比較，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(gè)變壓器。（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可看成由三個(gè)半橋逆變電路組成。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

11、換流。圖5-9 三相電壓型橋式逆變電路波形分析：圖5-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形負(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 (5-4)負(fù)載相電壓 (5-5)負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓 (5-6)負(fù)載三相對稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7)利用式(5-5)和(5-7)可繪出uUN、uVN、uWN波形。負(fù)載已知時(shí)，可由uUN波形求出iU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、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動的，電壓

12、型逆變電路的一個(gè)特點(diǎn)。定量分析：a、輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù) (5-8)式中， ，k為自然數(shù)輸出線電壓有效值 (5-9)基波幅值 (5-10)基波有效值 (5-11)b、負(fù)載相電壓uUN展開成傅里葉級數(shù)得： (5-12)式中， ，k為自然數(shù) 負(fù)載相電壓有效值 (5-13)基波幅值 (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(shí)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(shí)負(fù)載電感中存貯的能量。圖5-

13、11 電流型三相橋式逆變電路電流型逆變電路主要特點(diǎn)：(1) 直流側(cè)串大電感，相當(dāng)于電流源。(2) 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。(3) 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，每橋臂晶閘管各串一個(gè)電抗器LT限制晶閘管開通時(shí)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，

14、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(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，i=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開通，進(jìn)入換流階段。LT使VT1、VT4不能立刻關(guān)斷，電流有一個(gè)減小過程。VT2、VT3電流有一個(gè)增大過程。4個(gè)晶閘管全

15、部導(dǎo)通，負(fù)載電壓經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電。t2時(shí)刻后，LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一個(gè)經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4到C。t=t4時(shí)，VT1、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4t2= tg 稱為換流時(shí)間。io在t3時(shí)刻，即iVT1=iVT2時(shí)刻過零，t3時(shí)刻大體位于t2和t4的中點(diǎn)。保證晶閘管的可靠關(guān)斷（圖5-13）：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t，t= t5- t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。為保證可靠換流應(yīng)在uo過零前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)

16、間 為 (5-17)表示為電角度 (5-18)為電路工作角頻率；、分別是t、t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) (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)實(shí)際工作過程中，感應(yīng)線圈參數(shù)隨時(shí)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(lì)方式。固定工作頻率的控制方式稱為他勵(lì)方式。自勵(lì)方式存在起動問題，解決方法：一是先用他勵(lì)方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵(lì)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

17、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(gè)臂一周期內(nèi)導(dǎo)電120。每時(shí)刻上下橋臂組各有一個(gè)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的矩形波。輸出電流和三相橋整流帶大電感負(fù)載時(shí)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。輸出交流電流的基波有效值 (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

18、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C1C6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(shí)，C13就是C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容。設(shè)ClC6的電容量均為C，則Cl33C2。從VT1向VT3換流的過程：換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負(fù)。換流過程

19、可分為恒流放電和二極管換流兩個(gè)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(shí)刻觸發(fā)VT3導(dǎo)通，VT1被施以反壓而關(guān)斷。Id從VT1換到VT3，C13通過VD1、U相負(fù)載、W相負(fù)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。uC13下降到零之前，VT1承受反壓，反壓時(shí)間大于tq就能保證關(guān)斷。b、二極管換流階段t2時(shí)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iU=Id-iV，VD1和VD3同時(shí)通，進(jìn)入二極管換流階段。隨著C13電壓增高，充電電流漸小，iV漸大，t3時(shí)刻iU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(shí)，uC13、iU、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UC0，C3和C5是串聯(lián)后再