1、第 4章 : 无源逆变电路 4.1 逆变器的性能指标与分类 4.2 逆变电路的工作原理 4.3 电压型逆变电路 4.4 电流型逆变电路 4.5负载换流式逆变电路 4.1逆变器的性能指标与分类 1）定义： 将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去。 2）应用： 直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。 1）定义： 逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载 2）应用： 它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。 1、有源逆
2、变 : 2、无源逆变 ： 4.1.1逆变器的性能指标 （ 1）谐波系数 HF：谐波分量有效值同基波分量有致值之比。 （ 2）总谐波系数：总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度。 （ 5）电磁干扰（ EMI）和电磁兼容性（ EMC） （ 3）逆变效率 （ 4）单位重量的输出功率 :衡量逆变器输出率密度的指标。 4.1.2 逆变电路的分类 电压型： 输人端并接有大电容，输入直流电源为恒压源，逆变器将直流电压变换成交流电压。 电流型： 输入端串接有大电感，输入直流电源为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出。 （ 1）、根据输入直流电源特点分类 半桥式逆变电路； 全桥式逆变电路；
3、推换式逆变电路； 其他形式：如单管晶体管逆变电路。 （ 2）、根据电路的结构特点分类 4.1.2逆变电路的分类 （ 3）、根据换流方式分类 （ 4）、根据负载特点分类 非谐振式逆变电路 谐振式逆变电路 负载换流型逆变电路； 脉冲换流型逆变电路； 自换流型逆变电路。 4.1.3 逆变电路用途 1、可以做成变频变压电源（ VVVF），主要用于交流电动机调速。 2、可以做成恒频恒压电源（ CVCF），其典型代表为 不间断电源（ UPS）、航空机载电源、机车照明，通信等 辅助电源也要用 CVCF电源。 3、可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电源等。 逆变器的用途十分广泛： 返回 4.2 逆变电路
4、的工作原理 开关 T1、 T4闭合 ， T2、 T3断开： u0=Ud； 开关 T1、 T4断开 ， T2、 T3闭合： u0=Ud ; 当以频率 fS交替切换开关 T1、 T4和T2、 T3时 ， 则在电阻 R上获 得如图4.2.4(b)所示的交变电压波形 ， 其周期Ts=1/fS， 这样 ， 就将直流电压 E变成了交流电压 uo。 uo含有各次谐波 ， 如果想得到正弦波电压 ， 则可通过滤波器滤波获得 。 图 4.2.1 单相桥式逆变电路工作原理 1、主要功能 : 图 4.2.1(a)中主电路开关 T1T4，它实际是各种半导体开关器件的 一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、
5、可关 断晶闸管（ GTO）、功率晶体管（ GTR）、功率场效应晶体管 （ MOSFET）、绝缘栅晶体管（ IGBT）。 将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。 2、工作原理 ： 返回 它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全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 C1和 C2，且满足 C1=C2。设感性负载连接在 A、0两点间。 T1和 T2之间存在死区时间，以避免上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱动信号。 1.电压型逆变电路 半桥逆变电路结构及波形： 4.3.1 电压型单相半桥逆变电路 4.3 电压型逆变电路 动画 输出 电压有效值 为 : 由傅里
6、叶分析，输出 电压瞬时值 为 : 其中， 为输出电压角频率。 当 n=1时其 基波分量的有效值 为 : 221 22/0dT dSOUdtUTUS tnnUundo s i n2,5,3,1ddO UUU 45.0221 (4.3.1) (4.3.2) (4.3.3) sf 2在一个周期内，电力晶体管 T1和 T2的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。 若负载为阻感负载，设 t2时刻以前， T1有驱动信号导通， T2截止，则 u0=Ud/2。 t2时刻关断的 T1，同时给 T2发出导通信号。由于感性负载中的电流 i。不能立即改变方向，于是 D2导通续流， u0= Ud /2 。 t3时刻
7、i。降至零， D2截止， T2导通， i。开始反向增大，此时仍然有 u0= Ud /2 。 在 t4时刻关断 T2，同时给 T1发出导通信号，由于感性负载中的电流 i。不能立即改变方向， D1先导通续流，此时仍然有 u0=Ud /2 ； t5时刻 i。降至零， T1导通， u0=Ud /2 ； 图 4.3.1 电压型半桥逆变电路及其电压电流波形 2、 工作原理： 缓 冲 电 感 反 馈 的 无 功 能 量 缺点： 1）交流电压幅值仅为 Ud/2； 2）直流侧需分压电容器； 3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要 接 LC滤波器，输出滤波器 LC滤除逆变器输 出电压中的高次谐波。 优点： 简
8、单，使用器件少； 应用： 用于几 kW以下的小功率逆变电源； 4.3.2 电压型单相全桥逆变电路 全控型开关器件 T1和 T4构成一对桥臂 ，T2和 T3构成一对桥臂 , T1和 T4同时通 、 断；T2和 T3同时通 、 断 。 T1(T)4与 T2(T3)的驱动信号互补 ， 即 T1和 T4有驱动信号时 ， T2和 T3无驱动信号 ， 反之亦然 ， 两对桥臂各交替导通180 。 1、电路工作过程： 输出方波电压瞬时值： 输出方波电压有效值： 基波分量的有效值： 图 4.3.2 电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图 (4.3.6) ddO UUU 9.0241 dTdsO UdtUTUs
9、 22/01tnnUundo s i n4,5,3,1 (4.3.4) (4.3.5) 同单相半桥逆变电路相比 ， 在相同负载的情况下 ， 其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍 。 1）纯电阻负载时 0 t Ts 4， Ts2t3T s4期间， D1、 D4导通起负载电流续流作用，在此期间 T1T4均不导通。 图 4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图 2）电感负载时 22somod TILdtdiLU dsom ULTI4由 可得负载电流峰值为： (4.3.7) 0t期间 ， T1和 T4有驱动信号 ，由于电流 i0为负值 ， T1和 T4不导通 ， D1、D4
10、导通起负载电流续流作用 ， u0=+Ud。 t期间 ， i0为正值 ， T1和 T4才导通 。 t+期间 ， T2和 T3有驱动信号 ， 由于电流 i0为负值 ， T2、 T3不导通 ， D2、 D3导通起负载电流续流作用 ， u0= Ud 。 +t2期间 ， T2和 T3才导通 。 3）阻感负载 RL时 图 4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图 图 4.3.2(e)所示是 RL负载时直流电源输 入电流的波形。图 4.3.2(f)所示是 RL负载时 直流电源输入电流的波形。 4.3.3 电压型三相桥式逆变电路 电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为 180 导电型，即每个桥臂
11、的导电角为 180 ，同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各相开始导电的时间依次相差 120 。 在一个周期内， 6个开关管触发导通的次序为 T1T 2 T 3 T 4 T 5T 6 ，依次相隔 60 ，任一时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为 T1T2T3， T2T3T4， T3T4T5，T4T5T6， T5T6T1， T6T1T2，每种组合工作 60 。 图 4.3.3 电压型三相桥式逆变电路 1、工作过程： 将一个工作周期分成 6个区域 。 在 00, ug20, ug30，则有 T1， T2， T3导通， dcadbcabUuUuu 0dcNdbNdaNUuUuUu323131
12、2、各相负载相电压和线电压波形： 根据同样的思路可得其余 5个时域的值 线 电 压 相 电 压 图 4.3.4 电压型三相桥式逆变电路及其工作波形 式中 Ud为逆变器输入直流电压。 3、负载相电压和线电压幅值分析： 利用博里叶分析，其 相电压的瞬时值 为： tttttUu dBN 13s i n13 111s i n1117s i n715s i n51s i n2dmBNUU 21 相电压基波幅值 (4.3.8) (4.3.9) 由上式可知 ， 负载相电压中无 3次谐波 ， 只含更高阶奇次谐波 ， n次谐波幅值为基波幅值的 1/n。 其 线电压的瞬时值 为： tttttUu dBC 13s
13、i n13 111s i n1117s i n715s i n51s i n32线电压基波幅值 dmBCUU 21 (4.3.11) (4.3.10) 由上式可知 ， 负载 线 电压中无 3次谐波 ， 只含更高阶奇次谐波 ， n次谐波幅值为基波幅值的 1/n。 表 4.3.1三相桥式逆变电路的工作状态表 返回 4.4.1 电流型单相桥式逆变电路 当 T1、 T4导通 ， T2、 T3关断时 ，I0=Id ；反之 ， I0=-Id 。 当以频率 f交替切换开关管 T1、 T4和T2、 T3时 ， 则在负载上获得如图 4.4.1（ b） 所示的电流波形 。 输出电流波形为矩形波 ， 与电路负载性质
14、无关 ， 而输出电压波形由负载性质决定 。 主电路开关管采用自关断器件时 ，如果其反向不能承受高电压 ， 则需在各开关器件支路 串入二极管 。 图 4.4.1 电流型单相桥式 逆变电路及电流波形 1、电路工作过程： 防反相高压 恒流大电感 4.4 电流型逆变电路 其中基波幅值 I01m和基波有效值 I01 分别为 (4.4.1) (4.4.2) (4.4.3) )5s i n513s i n31( s i n4 tttIi do ddm III 27.1401 dd III 9.02401 将图 4.4.1（ b） 所示的电流波形 i0展开成傅氏级数 ,有 2、电流波形参数计算： 图 4.4.
15、1 电流型单相桥式 逆变电路及电流波形 导电方式 为 120 导通、横向换流方式，任意瞬间只有两个桥臂导通。 导通顺序 为 1T 2T 3T 4T 5T 6，依次间隔 60 ，每个桥臂导通 120 。这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。 输出电流波形 与负载性质无关 。 输出电压波形 由负载的性质决定 。 图 4.4.3 电流型三相桥式逆变电路原理图及输出电流波形 (4.4.4) 1、工作方式 : 输出电流的基波有效值 I01和直流电流 Id的关系式为： dd III 78.0601 返回 4.5 负载换流式逆变电路 4.5.1 并联谐振式逆变电路 1、电路结构 2、工作原理
16、3 、电路参数计算 4.5.2 串联谐振式逆变电路 1、电路结构 2、工作原理 返回 4.5.1 并联谐振式逆变电路 负载为中频电炉，实际上是一个感应线圈，图中 L和 R串联为其等效电路。因为负载功率因数很低，故并联补偿电容器 C。 电容 C和电感 L、 电阻 R构成并联谐振电路，所以称这种电路为并联谐振式逆变电路。 本电路采用负载换流，即要求负载电流超前电压，因此， 补偿电容应使负载过补偿，使负载电路工作在容性小失谐情况下 。 图 4.6.1 并联谐振式逆变电路的原理图 、电路结构 : 小电感，限制晶闸 管电流上升率 大滤波电感 并联谐振式逆变电路属 电流型 ，故其交流输出电流波形接近矩形波
17、，其中包含基波和各次谐波。 工作时晶闸管交替触发的频率应接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈现 高阻抗 ，而对谐波呈现 低阻抗 ，谐波在负载电路上几乎不产生压降，因此，负载电压波形为正弦波。又因基波频率稍大于负载谐振频率，负载电路呈容性，io超前电压 uo一定角度，达到自动换流关断晶闸管的目的。 图 4.6.3 并联谐振式逆变电路原理图及其工作波形 、工作原理： 图 4.6.2 并联谐振式逆变电路换流的工作过程 逆变电路换流的工作过程 t2时刻触发 T2， T3 ，电路开始换流。由于 T2， T3导通时，负载两端电压施加到 T1，T4的两端，使 T1， T4承受负压关断。由于每个晶闸管都串有换
18、相电抗器 LT ， 故 T1和 T4在 t2时刻不能立刻关断， T2， T3中的电流也不能立刻增大到稳定值。 在换流期间，四个晶闸管都导通，由于时间短和大电感 Ld的恒流作用，电源不会短路。 当 t=t4时刻， T1、 T4电流减至零而关断，直流侧电流 Id全部从 T1、 T4转移到 T2、 T3 ，换流过程结束。 t4-t2=tr称为换流时间。 T1、 T4中的电流下降到零以后，还需一段时间后才能恢复正向阻断能力，因此换流结束以后，还要使 T1、 T4承受一段反压时间 t 才能保证可靠关断。 t =t5 t4应大于晶闸管关断时间 tq。 图 4.6.3 并联谐振式逆变 电路原理图及其工作波形
19、 为了保证电路可靠换流，必须在输出电压 u0过零前 t时刻触发 T2、T3，称 t为触发引前时间。为了安全起见，必须使 式中 k为大于 1的安全系数，一般取为 23。 负载的功率因数角 由负载电流与电压的相位差决定，从图 3.6.3可知： 其中 为电路的工作频率。 图 4.6.3 并联谐振式逆变 工作波形 （ 4.6.2） （ 4.6.1） qrf kttt )2( tt r 如果忽略换流过程， i0为矩形波。展开成傅氏级数得 tttIi d 5s i n513s i n31s i n40dd III 9.02401 ddi IUP c o s010 IUPo c o s11.1c o s220 ddUUU (4.6.4) (4.6.5) (4.6.7) 其基波 电流有效值 逆变电路的输入功率 Pi为 逆变电路的输出功率 Po为 因为 Po=Pi，于是可求得 负载电压有效值 U0和直流电压 Ud的关系： 负载电流 i0和直流侧电流 Id的关系： (4.6.3 ) (4.6.6) 返回 其直流侧采用不可控整流电路和大电容滤波，从而构成电压型逆变电路。电路为了 续流 ，设置了反并联二极管D1D4。补偿电容 C和负载电感线圈构成串联谐振电路。为了实现负载换流，要求补偿以后的总负载呈 容性 。 图 4.6.4 串联谐振式逆变电路 1、电路结构 4.5.2 串联谐振式逆变电路
