第4章 逆变电路.

Ud V2
id
V3 R iR + uR V4
V1
uR
0
V 1 .4 Ud
p
V2 . 3
-
V1 . 4
2p
iR
0
i V 1. 4
U / d R
Ud
wt
wt
id
0
Ud iV 2 .3
Ud / R
wt
4.1.1 单相电压型逆变电路
1) 全桥逆变电路——阻感负载
id b V 1
VD1 R V3 L
u0 )
4.1 电压型逆变电路
4.1.1 单相电压型逆变电路 4.1.2 三相电压型逆变电路
4.1.1 单相电压型逆变电路
1) 全桥逆变电路——电阻负载
共四个桥臂。 两对桥臂栅极信号在一周期内 各半周正偏、半周反偏，两者 互补，交替导通180°。 逆变:Ud(直流)——uR(交流) 电阻负载电压电流波形相同。 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。
4.1.1 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。
a)
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。
4.1.1 单相电压型逆变电路
3)带中心抽头变压器的逆变电路
O
t
u AB
O t
并联谐振式逆变电路工作波形
4.2.2 单相电流型逆变电路
uG1,4 O uG2,3 O
iT O io O i VT1,4 Id i VT 2,3 tg t t t
2) 工作分析
t1
Id t 2 t3
t4 td tb
t5
t6
t7
t
uo
O
t
uVT2,3
O t t
一个周期内有两个导通阶段和 两个换流阶段。
4.2.1 换流方式分类
1) 器件换流—利用全控器件的自关断能力进行换流。
2) 电网换流—电网提供换流电压的换流方式。
3) 负载换流-负载电流的相位超前于电压时，由负载提 供换流电压。
4) 强迫换流—设置附加的换流电路
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。
0
V1 . 4
U
d
V2 . 3
p
V1 . 4
2p
wt
VD3
iO
Ud
uO
V2
VD2
V4
i0 c) 0 id
d
iV 1 . 4 iD 1 . 4
iD 2 . 3 iV 2 .3 iD 1 .4
wt
VD4
)0
wt
全控器件V通时，io和 uo同方向，直流侧向负载提供 能量； 二极管VD通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反 馈。VD称为反馈二极管。 VD又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。
第4章 逆变电路 • 引言
2）根据逆变器的主电路结构不同可分为半桥逆变器、全 桥逆变器、二电平逆变器、多电平逆变器。 3）根据逆变器所用的电力电子器件及其关断（换流）方 式的不同可分为自关断（用全控型开关器件，如IGBT、 功率MOSFET、MCT和IGCT等）、强迫关断（换流）、 电网换流逆变器（有源逆变器）、负载换流逆变器。 4）根据逆变器的电压和频率的控制方法的不同可分为 PWM（脉冲宽度调制）逆变器，PAM（脉冲幅值调制） 逆变器，方波或阶梯波（用阶梯波调幅或用数台逆变器 通过变压器实现串并联的移相调压）逆变器。
4.1.1 单相电压型逆变电路
uG1 uG2
O O O O
a)
t
t
uG3 uG4

t t
u0
O t 1 t2
io
t3
uo
b)
i0
t
4.1.1 单相电压型逆变电路
2）半桥逆变电路
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。
4.1.1 单相电压型逆变电路
1) 全桥逆变电路——阻感负载
id
V3
VD1
u0 b)0
VD 3
V 1. 4
U
d
V2 . 3
p
V1 .4
2p
wt
V 1
R io
L
Ud
uo
V2
VD 2
V 4
VD 4
i0 iV 1 . 4 c) 0 iD 1 . 4 id
d
iD 2 . 3 iV 2 .3 iD 1 . 4
0
wt
uCO
0
uCA
wt
a)
相电压波形
0
wt
b)
线电压波形
U BO
U BC
2U 1 1 1 d sin wt sin 5wt sin 7wt sin 11wt p 5 7 11 2U 1 1 1 d sin wt - sin 5wt - sin 7wt sin 11wt p 5 7 11
4.1.2 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
三相电压型桥式逆变电路
4.1.2 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。
2 3
0
3 4 180 °
4 5
5 6
360 °
u
ห้องสมุดไป่ตู้
AB
6 1 U d
1 2
2 3
3 4
4 5
5 6
U 2
d
60 °120 °
240 ° 300 °
wt
0
- U u BO 0 u CO 0 U 2 d u BC 0
d
wt
U
2
d
wt
u
wt
CA 0
wt
w t
a ） 相电压波形
b ) 线电压波形
逆变器采用120º 导通方式时，由于同一桥臂中上下两管有60º 的导通间 隙，对换流的安全有利，但管子的利用率较低。 若电机采用星型接法，则始终有一相绕组断开，在换流时该相绕组中 会引起较高的感应电势，应采用过电压保护措施。
180o和120o方式比较
180o方式特点：
纵向换流。 上下桥臂防直通，要求控制精确。 输出相电压为梯形波,线电压为矩形波。
120o方式特点：
横向换流。 有利于安全换流。 电压型逆变电路，输出线电压为梯形波。 若电机采用星型接法，在换流时会引起较高的感应电 势，应采用过电压保护措施。
小
须在电源则侧设置反并 联逆变器 较慢
大
方便，主电路不需要 附加设备 快
4.2.1 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。
uVT1,4
O
uAB
O
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。VT1、VT1、 VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。
t
4.2.2 单相电流型逆变电路
电压源和电流源逆变器主要特点比较
逆变器类型 电压源 比较项目
直流回路滤波环节 电容器 (无功功率缓冲环节) 输出电压波形 矩形波 电流源
电抗器 决定于负载，对电机 负载近似为正弦波
输出电流波形
开关器件
决定于负载的功率因数， 矩形波 由较大的谐波分量 全控器件反并联二极管 大部分为晶闸管
输出阻抗
回馈制动 调速动态响应
4.2 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。
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。
图4-11 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。
1) 全桥逆变电路——阻感负载
• 阻感负载时，还可采用移相 得方式来调节输出电压－移 相调压。 V3的基极信号比V1落后 （0＜ ＜180 °）。V3、 V4的栅极信号分别比V2、 V1的前移180°－。输出 电压是正负各为的脉冲。 改变就可调节输出电压。 在纯电阻负载时，采用移相调 压方法得到相同的结果，只是 VD不再续流，Ud=0时，负载上 没有电流。
电网换流和负载换流——属于外部换流。 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。
4.2.2 单相电流型逆变电路
1) 电路原理
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。
第4章 逆变电路 • 引言
1）逆变电路的分类 —— 根据直流侧电源性质 的不同
直流侧是电压源
电压型逆变电路——又称为电压源
型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI
直流侧是电流源
电流型逆变电路——又称为电流源
型逆变电路 Current Source Type Inverter-VSTI
u G1,4
u G2,3 O
4.1 电压型逆变电路
2）电压型逆变电路的特点
(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。
图5-5 电压型全桥逆变电路
2 U d 2 p 2 2U d p U BO 1 4 2 U d 0.471U d 2p 3 3 3 3 3 4 2 p 2 U d 0.816U d U BC Ud 2 p 3 3
第4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。 本章讲述无源逆变
• 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。
交替驱动两个IGBT，经变压 器耦合给负载加上矩形波交 流电压。 两个二极管的作用也是提供 无功能量的反馈通道。 Ud和负载参数相同，变压器 匝比为1：1：1时，uo和io与 全桥逆变电路完全相同。
与全桥电路的比较：
比全桥电路少用一半开关器件。 器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍。 必须有一个变压器 。
4.1.2 三相电压型逆变电路
基本工作方式——180°导电方式
0 120 60 180 240 300 360 120 60 180 240 300 360
u AO
1 U 3 d
uAB
0
2 U 3 d
U d
0
2 U 3 d
wt
0
-Ud
uBC
wt
uBO
0
wt
单相桥式电流型 （并联谐振式）逆变电路
4.2.2 单相电流型逆变电路
u G1,4
u G2,3 O
iT
O io O
i VT
1,4
i VT
Id tg
2,3
t t t
t1
Id
t2 t3
t4 td tb
t5
t6
t7
t
uo
O
t
u VT 2,3
O t
u VT 1,4
输出电流波形接近矩 形波，电压波形接近 正弦波。
wt
)0
wt
4U d 1 1 1 (sin wt sin 3wt sin 5wt sin(2n - 1)wt ) p 3 5 2n - 1 4U U o1m d 1.27U d p 2 2U d U o1 0.9U d p uo
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。
4.1.2 三相电压型逆变电路
基本工作方式——120°导电方式
每桥臂导电120°，同一组3个开关交替导电，各相开 始导电的角度差120 °。 任一瞬间有2个桥臂同时导通。
每次换流都是在同一组之间进行，也称为横向换流。
4.1.2 三相电压型逆变电路
基本工作方式——120°导电方式
触发管号 u AO 6 1 1 2 触发管号