电力电子技术-第4章逆变电路讲解

※为了解决这一矛盾，在单向半桥的基础上提出 了单向全桥电压型逆变电路。
4.2.1单相电压型逆变电路
2、 全桥逆变电路
（1）电路图
由四个桥臂构成， 桥臂1,4作为一对， 2,3作为另一对，两 对交替各导通 180°。
输入端并有一个电 容。负载接在上下 两组桥臂之间。
（2）工作过程
u o
U m
O
t
-U m
VT1上使其承受反向电压而关断， 电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。
注意：触发VT2、VT3时刻 t1必 须在uo过零前并留有足够裕量，才
能使换流顺利完成。
•4.强迫换流 (1) 直接耦合式强迫换流
由换流电路内电容直接提供换流电压
给晶闸管加上反向 电压而使其关断的 换流
电压换流
(2)电感耦合式强迫换流
因此研究换流方式主要 是研究如何使器件关断
4.1.2 换流方式分类
①器件换流（IGBT,GTO,GTR,BJT,MOSFET) ②电网换流（有交流电网） ③负载换流（负载满足的条件？） ④强迫换流（直接耦合式，电感耦合式）
1. 器件换流
利用全控型器件的自关断能力进行换流
•在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控 型器件的电路中，其换流方式即为器件换流。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
第四章 逆变电路
学习内容： 4.1 换流方式
4.2 电压型逆变电路（单相，三相） 4.3 电流型逆变电路
※重在电路结构，工作原理
4.1 换流方式
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
S1-S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及 辅助电路组成。
uo
S1 io 负载 S3
Ud
S2
uo S4
io
t1 t2
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 个反并联二极管组成。 •在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
（2）工作原理：
基本导电方式：1，4同时 通断，2，3同时通断。
和流V而段换能有一为后与稳iC负负并放LL到ｏTtttV阶结 流LV关24=T电上一个tT立4L正 负电=~定 的－电C14联载2TtTT个3、-Tt电I4段束 时使断压建到t4个增刻1d弦 载流时32的电导 电2t：晶、V，开、2：流。间V，=波C立减大放容关T波 系一，通 压闸tVt通VTV2；22减换形了时t过小电电、T时管个， 数断V1阶 。TγT，、另1V回压至3左近触T流1称全过程、刻且有角，段电和进TV1一路经部正似发V为零、阶程前4滞关度，电T流V、入个T同两导右4VT在。，3不流有L换通经时个、T4T42，
2. 电网换流
由电网提供换流电压
只要把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可
使其关断，不需要器件具有门极可关断能力，也不
需要为换流附加任何元件。
•可控整流电路 •三相交流调压电路
电网换流
•采用相控方式的交交变频电路
但不适用于没有交流电网的无源逆变电路
3. 负载换流
由负载提供换流电压
适用场合：负载电流相 位超前于负载电压
+
Ud 2
U d U d 2
-
V 1
i o
R
L
u o
V 2
a)
VD 1
VD 2
uo Um
O
t
-Um
io
O
t3 t1 t 2
t4
t5 t6
t
ON
V1
V2
V1
V2
VD 1 VD 2 VD 1 VD 2 b)
+
Ud 2
U d U d 2
V 1
i o
R
L
u o
V 2
• V1或V2通时，负载电流io
VD 1
和电压uo同方向，直流侧向
负载提供能量。
VD 2
• VD1或VD2通时，io和uo反
-
a)
向，负载电感中贮藏的能量
uo Um
向直流侧反馈。
O
t
-Um
io
O
t3 t1 t 2
t4
t5 t6
t
ON
V1
V2
V1
V2
VD 1 VD 2 VD 1 VD 2 b)
• 输出电压 uo 为矩形波，幅
值为 Um=Ud/2。 • 输出电流 io 波形随负载情
思考1：
如果是纯电阻负载，采用移相调压方法，输 出交流电压、电流的情况有什么变化？
• 思考2：
移相调压方式是否适用于半桥逆变电路？
+
Ud 2
U d U d 2
-
V 1
i o
R
L
u o
V 2
a)
VD 1
VD 2
uo Um
O
t
-Um
io
O
t3 t1 t 2
t4
t5 t6
t
ON
V1
V2
V1
V2
VD 1 VD 2 VD 1 VD 2 b)
结论：阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同.
4.1.2 换流方式分类
开通时 关断时
换流
换相
无论支路是由全控型还是半控型电力电子 器件组成，只要有适当的门极驱动信号， 就可使其开通。
全控型器件可通过门极的控制使其关断， 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件或采 取其它措施才能使其关断。一般在晶闸管电 流过零后施加一定时间反向电压，才能关断。
io
t1 t2
t
a)
b)
t反感反1时向能向io电刻量并从流断向增电从开电大源一S源负t11条、反极前支S馈流：4路，，出S1转合i，、o逐移上图经S渐45到SS通-221减另、、，小一S负u3，o条，载和t支u和2io时o路变S均刻3称负流为降为，回正为换但正零流i极o，不。，之能负后立载i刻o电才
课程回顾
整流——交流电变成直流电； 所用电力电子器件 ——晶闸管，电力二极管； 应用——为直流用电设备提供电源，
如直流电动机，电镀、电解电源等。
第四章 逆变电路
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
• 应用
第四章 逆变电路
• （2）工作过程
•t2时刻以前V1通，V2断； • t2时刻给V1关断信号，给 V2开通信号，则V1关断，但 感性负载中io不能立即改变 方向，于是VD2导通续流。
• t3时刻io降为零时，VD2截 止，V2开通，io开始反向。 • t4时刻给V2关断信号，给V1 开通信号，V2关断，VD1先 导通续流，t5时刻V才开通。
1.直流侧为电压源，或并联有大电容， 相当于恒压源。内阻抗近为0。 2.交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角 无关。而电流波形和相位因负载不同而不同。
3.阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲 无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功 能量提供通道，各桥臂都并联有反馈（续流）二极管。
负载为电容性负载时 负载为同步电动机时
电路特点：
Ld
4个桥臂均由晶闸管组成；
i
d
VT1
C
E d
iR L
o
VT
u
2
o
负载是电阻电感串联后再和电容 VT3 并联，工作在接近并联谐振状态
VT4 而略呈容性。
直流侧串入大电感Ld，工作过程
中可认为 id基本没有脉动。
工作波形分析：负载电流基本呈矩形波。
L d
不是依靠变流器自身原因，而是借助于外部手段 （电网电压或负载电压）来实现换流的它们属于 外部换流
4.2 电压型逆变电路
电压型逆变电路 （电压源型逆变电路）
电流型逆变电路 （电流源型逆变电路）
直流侧是电压源
L d
i
d
VT 1
C
VT 3
E d
iR L
o
VT
u
2
o
VT 4
直流侧是电流源
电压型逆变电路 的主要特点：
2
o
VT
3
VT
4
4.3 电流型逆变电路
Ld i
d
VT1
C
VT3
电流型逆变
直流侧Ed输入电io源R为L电流源
VT2
uo
VT4
电流型逆变电路的特性：
（1）直流侧串大电感，相当于电流源。直流侧 电流基本无脉动。
（2）因为是恒流，输出电流波形是矩形波，输 出电压波形与负载有关系。
（3）电路中不必加反馈二极管。（为什么？）
VD
VT
S
+C
L
负载
a)
晶闸管在LC振荡第 一个半周期内关断
VD
VT
S
+C
L
负载
b)
晶闸管在LC振荡第 二个半周期内关断
电流换流
先使晶闸管电流减为零，然后通 过反并联二极管使其加反向电压 的换流
总结4种换流方式的特点：
器件换流 只适用于全控型器件
强迫换流
电网换流 主要是针对晶闸管而言的。
负载换流
因为器件或变流器自身的原因而 实现换流,属于自换流
t
a)
b)
图1 单相桥式图逆5变-1电路及其波形
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负
直流 交流
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
阻感负载时电流波形分析：
uo
S1 io 负载 S3
Ud
S2
uo S4
i
d
VT 1
+ C-
VT 3
负载工作在对基波电流接 近并联谐振的状态，对基
E d
iR L
o
波阻抗很大而对谐波阻抗
VT
u
2
o
VT
4
很小，uo波形接近正弦波。
（1）t1时刻前：VT1、VT4为通态， VT2、VT3为断态，uo、io均为正， VT2、VT3上施加的电压即为uo
（2）t1时刻：触发VT2、VT3使其开 通，uo通过VT2、VT3分别加到VT4、
i o
tt
O tt 3 12
4
tt 56
tຫໍສະໝຸດ Baidu
ON
V 14
V 23
V 14
V2
VD VD VD VD
14
23
14
23
b)
固定180°移相方波控制方式
*导电方式一：
V1,V4同时通断；
V2,V3同时通断；
V1,V4与V2,V3信号 互补，各导电180゜。
电压型全桥逆变电路输出电
压uo的*思波考形1和：半在桥全电路桥的中波，形 uo形续状相流同过，程也如是何矩完型波成，？但 幅值※高V出D一2倍,V，D3U同m=时Ud续流。 输※出V电D流1,iVo波D形4同和时半桥续电流路。
单相全桥电压型逆变电路特性总结：
（1）全桥逆变是单相中应用最广泛的逆变电路。
（2）全桥逆变输出电压的幅值即为电源电压，比 半桥增长一倍，一般应用在较大功率的场合。
（3）在移相导电方式下，通过改变移相导电方式
中的ө角，可改变输出电压的有效值。
4.3 电流型逆变电路
L
d
i
d
VT
1
C
E
d
i
R
L
o
VT
u
（4）直流侧电感起到缓冲无功能量的作用。
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
V2,V3同时通断；
V1,V4与V2,V3信 号互补，各导电 180゜。
u o
U m
O
t
-U m
i o
tt
O tt 3
4
tt
t
12
56
ON
V 14
V 23
V
V
14
2
VD VD VD VD
14
23
14
23
b)
思考：在导电方式一下工作，如果要改变输出电压
的有效值（即幅值），应该采取什么样的方式？
只能靠改变输入 直流电压的大小来改 变输出电压的有效值。
的io形状相同，幅值增加一倍
思考2：在导电方式一下工作，如果要改变输出电 压的有效值（即幅值），应该采取什么样的方式？
★只能靠改变输入直 流电压的大小来改变 输出电压的有效值。
能否不改变直流电 压，直接进行调制 呢？为此提出了导 电方式二：
移相导电方式。
课程回顾
• 全桥逆变电路
*导电方式一：
V1,V4同时通断；
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。
况而异。
思考：电路中的二极管主要起什么作用？
答：当负载为感性或阻感性时，二极管为负载 向直流电源反馈能量提供通道（即续流过程）， 故这些二极管被称之为反馈二极管。
单向半桥电压逆变电路优缺点总结：
①优点：所用器件少。
②缺点：u0幅值小，只有电源电压的一半，并且 输入端接两个电容，还需保证 C1=C2,不能精确 满足。