第四章无源逆变电路.ppt

1、第四章 无源逆变电路,讲授教师：段志梅 联系方式： 答疑时间：每周一晚7：009：00 答疑地点：任美福楼225,第四章 无源逆变电路,无源逆变电路将直流电转变为频率、幅值固定或可变的交流电并直接供给负载。 变频电路改变交流电频率的电路。分为交-交变频电路和交-直-交变频电路 交-直-交变频电路由交-直变换电路和直-交变换电路两部分组成，后一部分属于无源逆变电路，是交-直-交变频电路的核心。 应用交流传动的变频调速 感应加热功率超声应用 列车照明脉冲电镀电源 高频直流焊机高频电子镇流器 快速充电机,4.1 概述,4.1.1 逆变器的分类 按相数分：单相逆变器：适用于小功率领域三相逆变器：适用于

2、中大功率领域 根据输入直流电源分：电压型逆变器：输入电源为恒压源，即直流电源端有大容量滤波 电容器，在逆变过程中，直流侧电压基本不变。电流型逆变器：输入电源为恒流源，即直流电源端有大容量滤波 电抗器，在逆变过程中，直流侧电流基本不变。 根据电路结构特点分：半桥式、全桥式、推挽式。,4.1.1 逆变器的分类,根据使用器件的换流方式分：负载谐振式换流逆变器：利用负载回路中电阻、电感和电容所形 成的谐振电路特性来保证电力开关器件的可靠关断，主要有并联谐振 式和串联谐振式换流方式逆变器。强迫换流逆变器：采用专门的换流回路使半控型器件可靠换流。全控开关器件换流逆变器：利用开关器件换流可以省去复杂的换 流

3、电路，从而使电路简化，装置的体积小、重量轻。逆变器的输出电压或电一般为方波或矩形波，只有经过PWM控 制，才能输出等效于正弦波的PWM脉冲波形。,4.1.2 换流方式,换流电路从一个支路向另一个支路转移的过程。也称换相。当电流不 是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为 零，则称为熄灭。 换流方式 （1）器件换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流。IGBT、 MOSFET、GTO、GTR。硬开关换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流软开关换流：利用电容或电抗器造成电压或电流的谐振条件，在电压或电流过零时关断器件，减少器件的开关换流。 （2）电网换流：由电网提供换流电压。不

4、需要器件具有门极可关断能 力，只要对欲关断的元件施加一定时间的负极性电网电压即可。相控整流电路和变频器中的交-交变频属于电网换流方式。,4.1.2 换流方式,（3）负载换流：由负载谐振提供换流电压。当负载电流的相位超前于 负载电压，即负载为容性负载时，可以实现半控器件的负载换流。基本的负载换流逆变电路： 四个桥臂均由晶闸管组成； 负载为电阻电感串联后再和 电容并联，附加电容的目的 是使整个负载电路工作在接 近并联谐振而略呈容性的状 态，并改变负载功率因素。直流侧串联一个很大的电感Ld，因此认为id基本没有脉动，四个桥 臂开关的切换仅使电流流通路径改变，所以负载电流基本呈矩形波。 因为负载工作在

5、对基波电流接近并联谐振状态，故对基波阻抗很大而 对谐波阻抗很小，因此负载电压波形接近于正弦波,4.1.2 换流方式,（4）强迫换流：设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反 向电压或电流。常利用附加电容上所储存的能量来实现，又称为电容 换流。 强迫换流分类直接耦合式：由换流电路内电容直接提供换流电压电感耦合式：通过换流电路内电容和电感的耦合来提供换流电压。,直接耦合式强迫换流 电感耦合式强迫换流,4.1.2 换流方式,直接耦合强迫换流（a）：（a） （b） （c）在晶闸管VT处于通态时预先给电容器按图所示的极性充电，当闭 合开关S时，就可使晶闸管施加反压而关断，这种给晶闸管施加反压而 使

6、其关断的方式又称为电压换流。 电感耦合式强迫换流（b）晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断。接通开关S后，LC振 荡电流将反向流过晶闸管VT，与VT的负载电流相抵减，直到流过VT 的合成正向电流减至零后，再经过二极管VD导通，二极管的压降给晶 闸管加上反压，使其关断。 （c）晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断。接通开关S后，LC振 荡电流将正向流过晶闸管VT，与VT原有的负载电流相叠加，经过半个 振荡周期后，振荡电流反向流过晶闸管VT，直到VT的合成正向电流减 至零后再流过二极管VD导通，二极管的压降给晶闸管加上反压，使其 关断。这种先使晶闸管电流减至零，再通过并联二极管施加反压的方 式又称为电

7、流换流。,4.2 电压型逆变电路,电压型逆变电路主要特点 （1）直流侧为电压源，一般并联有大电容，相当于电压源。直流侧电 压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。 （2）由于直流电压源的嵌位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并 且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况 的不同而不同。 （3）由于生产实践中大多数负载为阻感负载，因而需要提供无功功 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，逆变桥各桥臂都并联了反馈二极管。 电压型逆变电路类型：单相半桥型、单向全桥型、三相半桥型、三相全桥型。,4.2.1 单相半桥型逆变电路,电路原理开关器件V1

8、、V2与 两个足够大的输入电容 C构成半桥式逆变电路， 负载连接在相互串联大 电容的中点和两个桥臂连接点之间。电容C相对于逆变频率足够大，所 以电容上的电压基本维持不变。V1、V2的栅极控制信号在一个周期内各有半周期正偏和半周期反 偏，且两者互补。输出电压为矩形波，其幅值为Um=Ud/2，输出电流 波形随负载的变化而变化。,4.2.1 单相半桥型逆变电路,工作原理t2时刻以前V1为通 态，V2为断态。 t2时刻 给V1关断信号，给V2开 通信号，此时V1关断， 但V2中并不会立即有电流流过。由于io不能立即改变方向，所以只能 通过L-R-C（下）-VD2所组成的回路续流。在t3时刻，io降为零

9、，此 时VD2截止，V2导通，io改变方向。t3至t4段io反方向逐渐增加，并在 t4时刻达到最大值。在t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号后，V2关 断并形成R-L- VD1 -C （上）所组成的回路续流，至t5时刻V1开通。,4.2.1 单相半桥型逆变电路,二极管的作用二极管VD1、VD2称为续流二极管或反馈二极管，有两个作用：（1）为感性负载滞后的负载电流提供反馈到直流电源的通路（2）防止电感产生的反压损坏开关器件 半桥逆变电路的特点电路简单，使用器件少。输出电压小，需要控制两个电容电压的均衡。适用于小功率的逆变电路。,4.2.2 单相全桥型逆变电路,电路原理桥臂V1和V4一对，桥臂V

10、2和V3一对，成对的两个桥臂同时导通 两对交替导通180。VD1、VD2、VD3、VD4均为续流二极管，作 用与半桥逆变电路中续流二极管相同。 工作原理开关对V1、V4导通时，a点电位Ua=Ud，b点电位Ub=0，输出电 压为Ud，负载电流io由a流向b；开关对V2、V3导通时，a点电位Ua=0，b点电位Ub=Ud，输出电 压为-Ud，负载电流io由b流向a；电路的输出波形和半桥的输出波形相同，也是矩形波，其幅值比 半桥情况下高一倍。电路负载和半桥相同，io波形也和半桥时相同，其 幅值也比半桥情况下高一倍。,a b,4.2.2 单相全桥型逆变电路,基本数量关系将输出的矩形波电压展开成傅里叶级数

11、得：其中基波分量的幅值和有效值分别为：上述公式同样适用于半桥逆变电路，但式中的Ud换成Ud/2。上述输出的交流电压uo为正负电压各为180的脉冲波形，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。,4.2.2 单相全桥型逆变电路,移相调压当负载为阻感负载时，可以通过 移相调压的方法来调节逆变电路的输 出电压。移相调压的实质是调节输出 电压脉冲的宽度。如图所示，各IGBT的栅极信号 仍然为正负半波各为180的方波， 并且V1、V2栅极信号互补，V3、 V4栅极信号互补，但V3的信号比 V1落后（0 180）。,a b,4.2.2 单相全桥型逆变电路,工作原理设在t1时刻前V1和V4导

12、通，输出电 压为Ud， t1时刻V3和V4栅极控制信号相 反，V4截止，由于io不能突变，V3不能立 即导通，所以通过VD3导通续流。在回路 R-L-VD3-V1中由基尔霍夫电压定理可知 输出电压为零。t2时刻，V1和V2栅极控制信号相反， V1截止， V2不能立即导通，VD2和VD3 一起构成电流通道，输出电压为-Ud。到负 载电流过零并开始反向时， VD2和VD3截 止，同时V2和V3开通，输出电压仍为-Ud。t3时刻， V3和V4栅极控制信号再次反 向，V3截止，V4不能立即导通，电路通过 VD4导通续流。同理输出电压为零，以后的 过程和前面类似。所以，改变就可以调节 输出电压。,4.2

13、.3 三相电压型逆变电路,电路原理电路的直流侧有一个大电容， 为理解方便画作串联的两个电容 器，并标出了假想的中点N。 开关元件每隔60按标号1，2， 3，4，5，6的次序赋予导通信号， 导电角度为180。 工作原理当桥臂1导通（V1或VD1导通）时， ，当桥臂4导通 （V4或VD4导通）时， 。所以， 的波形是幅值为 Ud/2的矩形波。同理可知 、 的波形也是幅值为Ud/2的矩形 波，相位依次相差120。,4.2.3 三相电压型逆变电路,、 、 的波形如图所示： 负载的线电压为：d图。负载的相电压：设负载中点N与直流电源假想中点N之 间的电压为 ，则负载各相的相电压分别为：设负载为三相对称负

14、载，有 得 （e）图,4.2.3 三相电压型逆变电路,的波形也是矩形波，其频率为 的三倍。幅值为其1/3，即Ud/6。利用式： 求得负载相电压的波形，图（f），uVN、Uwn 的波形和uUN相同，相位相差120。 负载参数已知，可以由uUN的波形求出U相 电流iu。负载的阻抗角 不同， iu波形的形状 和相位都不同，（g）图为 时的波形。 叠加iU、iV、iw波形可以得到直流侧电流id的波 形图（h）。可以看出，电流id每隔60脉动 一次，由于直流电压基本没有脉动，因此逆变器 从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，且脉动 情况和id脉动情况基本一致。,4.2.3 三相电压型逆变电路,基本数量关系

15、uAB展开成傅里叶级数得：式中： 为自然数。输出线电压的有效值为： 其中，输出线电压基波分量的幅值为：输出线电压基波分量有效值为：将相电压uAN展开成傅里叶级数可得： 为自然数。负载相电压有效值为： 其中基波幅值和有效值分别为：,4.3 电流型逆变电路,电流型逆变电路直流侧电源为电流源的电路。主要特点：（1）直流侧为电流源，一般串联有大电感，相当于电压源。直流侧 电流基本无脉动，直流回路呈现高阻态。（2）电路中开关器件的作用是改变直流电流的流通路径，交流侧输 出电流波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波 形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。（3）当交流侧负载为阻感负载，需要提供

16、无功功率，直流侧电感起 缓冲无功能量的作用。有由于反馈无功能量时直流电流并不反向，因 此不必像电压型逆变电路那样给开关器件反并联一个续流二极管。 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路较多应用在晶闸管中 频逆变电源中，采用负载换流方式，要求负载电流略超前于负载电压 即负载略呈容性。由于实际负载一般为感性负载，因此需要并联一个 补偿电容器C，,4.3.1 三相电流型逆变电路,电路原理采用反向阻断型GTO。交流侧电容是 为了吸收换流时负载电感中存储的能量而 设置的。三相电流型桥式逆变电路采用120 导电方式，即每个臂一周期内导电120， 按16的顺序每隔60依次导通，这样每个时刻上下桥臂各有一个臂

17、 导通，换流时，在上桥臂组或下桥臂组的组内依次换流，称为横向换 流 工作波形电流波形和负载性质无关，是正负脉冲宽度各为120的矩形波。,4.3.1 三相电流型逆变电路,如图所示，给出逆变电路的三相交流电流波波 形和线电压uUV的波形。由图看出，输出电流波形和三相桥式可控 整流电路在阻感负载下交流输入电流波波形形 状相同。因此，他们的谐波分析表达式也相同。 输出线电压波形和负载性质有关，图给出的波 形大体为正弦波，但叠加了一些脉冲，这是由 于逆变器换流过程而引起的。输出交流电流的基波有效值IU1和直流电流 Id的关系为：,4.3.2 电压型变换器和电流型变换器的比较,滤波环节：大电容、电源阻抗小

18、和大电感。 输出波形：电压为矩形波或阶梯波，电流波形含有高次谐波并对 负载变化反映迅速；电流为矩形波或阶梯波，电压波形取决于负载， 对于电动机负载，其波形接近于正弦波。 四象限运行：电压型不易进行四象限运行，电流型可以。 负载：电压型适于带多台电机齐速运行；电流型适于单机拖动。 尤其适于加减速频繁、需经常反转的场合。 功率因素：电压型如采用可控整流，其功率因素与电流型差不 多；如采用不可控整流，其功率因素比电流型好。由于采用不可靠整 流会失去四象限运行功能，电流型一般采用可控整流。 动态性能及稳定性：电压型并有大电容，电流控制和保护较难； 电流型可用电流内环控制，快速响应，动态性能好，低频时有

19、转矩脉 动现象。,4.4 谐振型逆变电路,谐振型逆变电路负载与换流电容器构成RLC电路且满足谐振条件。 根据结构分类：串联式谐振逆变并联式谐振逆变 主要特点：（1）逆变电路输出波形为方波电压或方波电流。（2）将逆变频率调谐在负载谐振频率附近，可获得正弦的输出电 流或电压，无需通过低通滤波器来消除低次谐波。（3）因为利用负载的谐振特点，电路中的元件要承受较大的峰值 电流或电压。由于可以利用负载谐振特性换流，可以实现软开关换流。,4.4.1 电压型串联谐振式逆变电路,负载换流串联式逆变器对功率因素较低的感性负载都采用串联 电容的方式进行功率因素补偿。 电路原理：（单相桥式电路）R、L为负载等效电阻

20、与电感，C为补偿电容，VD1VD4为续流 二极管。 工作原理谐振时，电流谐振角频率 ，电感和电容阻抗互相 抵消，即电路阻抗为纯阻性质。根据逆变器的触发频率 与谐振频率的关系，负载电路可以有断续、临界和连续三种情况。 （1） ，此时谐振过程电流断续，各管的导通情况和电路内电流、 电压的主要波形如下图。,4.4.1 电压型串联谐振式逆变电路,当t=0时，触发VT1、VT2，电流从电源的正端VT1RL CVT2电源的负端流通。负载电路由于 ，总是工作在振 荡状态，因此负载电流io按正弦规律变化，到t1时刻电流降到零，但在 电容上已经充有极性为左正右负的电压，而且由于电感L足够大，因而 电容器上的电压

21、uc必定高于电源电压Ud。从而致使电流在t1t2区间经 电容C的左端LRVD1电源正端Cd电源负端VD2电容 C的右端流通，形成io的负半波。 t2t3区间，VT1VT4都不导通， 负载电流断续；在t3时刻触发VT3VT4，重复另一个周期的振荡过 程，电流方向与上述相反。,4.4.1 电压型串联谐振式逆变电路,晶闸管及负载两端的电压：t0t1区间，VT1、VT2流通，其上仅为管压降，负载两端电压uo 为直流端电压与两个管压降之差；t1t2区间，VD1、VD2流通，其上仅为管压降，负载两端电压uo 为直流端电压与两个管压降之和；t2t3区间，所有晶闸管和二极管都截止，VT1VT4上的电压由 各元

22、件的漏电流及装置的绝缘电阻决定。t3t4区间，VT3、VT4流通，其上电压为管压降，VT1、VT2 两 端电压略低于直流端电压。t4t5区间，VD3、VD4流通， VT3、VT4 承受反压，VT1、VT2 两端电压略高于直流端电压，两者之差为VD3、VD4的正向管压降；t5t6区间，所有两端的电压又变为一个浮动值。,4.4.1 电压型串联谐振式逆变电路,逆变器的传输功率：由图可以看出：只有在t0t1和t3t4两段时间内，负载电流和负载电压同相，能 量从电源送至负载；在t1t2和t4t5两段时间内，负载电流和负载电压反相，负载将 能量返回电源；在t2t3和t5t6两段时间内，负载电流为零，电源和负载间无能 量传输；在一个周期内，电源向负载传输的能量为三部分的代数和，其值 不太大。负载功率小的原因是这种工作状态是断续工作，就像时钟摆 动，向左推动一下，停下来，在向右推一下，又停下来，振幅是很小 的。要想增大功率输出，必须提高频率，使电流连续。,4.4.1 电压型串联谐振式逆变电路,（2） ，为了提高输出功率，必须充分利用电力半导体器件 的能力，消灭电流断续区间，尽量缩减能量回馈电源的时间，换言之 ，提高晶闸管的触发频率，使它的触发频率高于负载电路的固有振荡 频率，即 ，这种情况下，前一振荡周期还未结束，后一振荡周 期就已经开始。,