1、電壓型逆變電路工作原理,引言,逆變的概念 與整流相對應(yīng)，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(fù)載，為無源逆變，本章主要講述無源逆變。 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。 逆變電路的主要應(yīng)用 各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。 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。,7.1 換流方式,7.1.1 逆變電路的基本工作原理 7.1.2 換流方式分類,7.1.1 逆變電路的基本工作原理,以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理 S1S4

2、是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。,當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負(fù)載電壓uo為正；當(dāng)開關(guān)S1、S4斷開，S2、S3閉合時，uo為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電。 改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。 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相位滯后于uo，波形也不同。,圖7-1 逆變電路及其波形舉例,7.1.2 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。 研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。 換流方式分為以下幾種 器件換流（Device Commutation） 利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)

3、行換流。 在采用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。 電網(wǎng)換流（Line Commutation） 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，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。,7.1.2 換流方式分類,a),u,圖7-2 負(fù)載換流電路及其工作波形,負(fù)載換流（Load Commutation） 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)載電壓的場合，都可實現(xiàn)負(fù)載換流，如電容性負(fù)載和同步電動機(jī)。 圖7-2a是基本的負(fù)載換流逆變電路，整個負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀

4、態(tài)而略呈容性，直流側(cè)串大電感，工作過程可認(rèn)為id基本沒有脈動。 負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小，所以uo接近正弦波。 注意觸發(fā)VT2、VT3的時刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。,7.1.2 換流方式分類,強迫換流（Forced Commutation） 設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流。 通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電容換流。 分類 直接耦合式強迫換流：由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓。 電感耦合式強迫換流：通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流。 直接耦合式強迫換流 如圖4-3

5、，當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時，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。 也叫電壓換流。,圖7-3 直接耦合式強迫換流原理圖,7.2 電壓型逆變電路,7.2.1 單相電壓型逆變電路 7.2.2 三相電壓型逆變電路,7.2.1 單相電壓型逆變電路,圖7-6 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形,半橋逆變電路 在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的聯(lián)結(jié)點便成為直流電源的中點，負(fù)載聯(lián)接在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)結(jié)點之間。 工作原理 設(shè)開關(guān)器件V1和V2的柵極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補。 輸出電壓uo為矩形波，其幅值為Um=Ud/2。 電路帶阻感負(fù)載，t2時刻

6、給V1關(guān)斷信號，給V2開通信號，則V1關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流io不能立即改變方向，于是VD2導(dǎo)通續(xù)流，當(dāng)t3時刻io降零時，VD2截止，V2開通，io開始反向，由此得出如圖所示的電流波形。,7.2.1 單相電壓型逆變電路,圖7-6 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形,V1或V2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時，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,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。 優(yōu)點是簡單，使用器件少；其缺點是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡；因此

7、，半橋電路常用于幾kW以下的小功率逆變電源。,7.2.1 單相電壓型逆變電路,全橋逆變電路 共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。 兩對橋臂交替導(dǎo)通180。 輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，但幅值高出一倍。 在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)。 Ud的矩形波uo展開成傅里葉級數(shù)得,其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為,圖7-5 全橋逆變電路,7.2.1 單相電壓型逆變電路,a),b),圖7-7 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式,移相調(diào)壓方式 V3的基極信號比V1落后（0 180）。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180-。輸出電壓是

8、正負(fù)各為的脈沖。 工作過程 t1時刻前V1和V4導(dǎo)通， uo=Ud。 t1時刻V4截止，而因負(fù)載電感中的電流io不能突變，V3不能立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流，uo=0。 t2時刻V1截止，而V2不能立刻導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，uo=-Ud。 到負(fù)載電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，V2和V3開始導(dǎo)通，uo仍為-Ud。 t3時刻V3截止，而V4不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，uo再次為零。 改變就可調(diào)節(jié)輸出電壓。,7.2.2 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。 三相橋式逆變電路 基本工作方式是180導(dǎo)電方式。 同一相（即同一半橋）上下兩臂交替導(dǎo)

9、電，各相開始導(dǎo)電的角度差120 ，任一瞬間有三個橋臂同時導(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。,圖7-9 三相電壓型橋式逆變電路,假想中點,7.2.2 三相電壓型逆變電路,圖7-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形,工作波形 對于U相輸出來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時，uUN=Ud/2，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時，uUN=-Ud/2，uUN的波形是幅值為Ud/2的矩形波，V、W兩相的情況和U相類似。 負(fù)載線電壓uUV、uVW、uWU可由下式求出,負(fù)載各相的相電壓分別為,7.2.2 三相電壓型逆變電路,圖7-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形,把上面各式相加并整理可求得,設(shè)負(fù)載為三相對稱

10、負(fù)載，則有uUN+uVN+uWN=0，故可得,負(fù)載參數(shù)已知時，可以由uUN的波形求出U相電流iU的波形，圖7-10g給出的是阻感負(fù)載下 時iU的波形。,把橋臂1、3、5的電流加起來，就可得到直流側(cè)電流id的波形，如圖7-10h所示，可以看出id每隔60脈動一次。,7.2.2 三相電壓型逆變電路,基本的數(shù)量關(guān)系 把輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)得,式中， ，k為自然數(shù)。,輸出線電壓有效值UUV為,其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分別為,7.2.2 三相電壓型逆變電路,把uUN展開成傅里葉級數(shù)得,式中， ，k為自然數(shù)。,負(fù)載相電壓有效值UUN為,其中基波幅值UUN1m和基波有效值UUN1分別為,為了防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源的短路，要采取“先斷后通”的方法。,UUV7 =2 Ud/（3.147 ）=22.3（V）,7.2.2 三相電壓型逆變電路,例