1、2022-5-241電力電子技術電力電子技術電子教案電子教案第第5章章 逆變電路逆變電路 引言 5.1 5.1 換流方式換流方式 5.1.1 5.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理 5.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類5.2 5.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 5.2.1 5.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 5.2.2 5.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路 5.3 5.3 電流型逆變電路電流型逆變電路 5.3.1 5.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路 5.3.2 5.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路5.4 5.4

2、 多重逆變電路和多電平逆變電路多重逆變電路和多電平逆變電路 5.4.1 5.4.1 多重逆變電路多重逆變電路 5.4.2 5.4.2 多電平逆變電路多電平逆變電路本章小結第第5章章 逆變電路逆變電路PE N E C2022-5-243引言引言逆變概念 逆變與整流相對應，直流電變成交流電，交流側接電網，為有源逆變交流側接負載，為無源逆變本章講述無源逆變逆變與變頻逆變與變頻變頻電路：交交變頻和交直交變頻兩種交直交變頻由交直變換和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變 PE N E C2022-5-244引言引言 逆變電路的應用逆變電路的應用 蓄電池、干電池、太陽能電池等直流電源向交流負載供電時，需要

3、逆變電路 交流電機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路 本章內容本章內容 5.1節換流方式 5.2節電壓型逆變電路 5.3節電流型逆變電路 5.4節逆變電路的多重化和多電平逆變電路。 本章僅講述逆變電路基本內容，第6章PWM控制技術和第8章組合變流電路中，有關逆變電路的內容會進一步展開 PE N E C2022-5-2455.1 5.1 換流方式換流方式 5.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理 單相橋式逆變電路為例S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正圖5-1 逆變電路及

4、其波形舉例負載a)b)圖5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2 PE N E C2022-5-2465.1.1 5.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理 S1、S4斷開，S2、S3閉合時，uo為負，把直流電變成了交流電 改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率 電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同 阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同（圖5-1b）t1前：S1、S4通，uo和io均為正t1時刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負，但io不能立刻反向io從電源負極流出，經S2、負載和S3流回正極，負載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2

5、時刻降為零，之后io才反向并增大 PE N E C2022-5-2475.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類 換流換流電流從一個支路向另一個支路轉移的過程，也稱換相換相開通：適當的門極驅動信號就可使其開通關斷：全控型器件可通過門極關斷半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關斷一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反壓，才能關斷研究換流方式主要是研究如何使器件關斷 本章換流及換流方式問題最為全面集中,因此在本章講述 PE N E C2022-5-2485.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類 1. 器件換流器件換流 利用全控型器件的自關斷能力進行換流（Device Commutat

6、ion） 2. 電網換流電網換流 由電網提供換流電壓稱為電網換流電網換流（Line Commutation） 可控整流電路、交流調壓電路和采用相控方式的交交變頻電路 不需器件具有門極可關斷能力，也不需要為換流附加元件 3. 負載換流負載換流 由負載提供換流電壓稱為負載換流負載換流（Load Commutation） 負載電流相位超前于負載電壓的場合，都可實現負載換流 負載為電容性負載時，負載為同步電動機時，可實現負載換流 PE N E C2022-5-2495.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類 基本的負載換流逆變電路：基本的負載換流逆變電路：采用晶閘管負載：電阻電感串聯后再和電容并

7、聯，工作在接近并聯諧振狀態而略呈容性 電容為改善負載功率因數使其略呈容性而接入 直流側串入大電感Ld， id基本沒有脈動ttttRLCOOOOiit1b)a)圖5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4圖5-2 負載換流電路及其工作波形 PE N E C2022-5-24105.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類 工作過程（工作過程（工作波形圖工作波形圖5-2b）4個臂的切換僅使電流路徑改變，負載電流基本呈矩形波負載工作在對基波電流接近并聯諧振的狀態，對基波阻抗很大，對諧波阻抗很小，uo波形接近正弦t1前：

8、VT1、VT4通，VT2、VT3斷，uo、io均為正，VT2、VT3電壓即為uot1時：觸發VT2、VT3使其開通，uo加到VT4、VT1上使其承受反壓而關斷，電流從VT1、VT4換到VT3、VT2t1必須在uo過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成 PE N E C2022-5-24115.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類4. 強迫換流強迫換流 設置附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強迫換流強迫換流（Forced Commutation）通常利用附加電容上儲存的能量來實現，也稱為電容換流電容換流 直接耦合式強迫換流直接耦合式強迫換流由換流電

9、路內電容提供換流電壓VT通態時，先給電容C充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關斷SVT負載+-圖5-3圖5-3 直接耦合式強迫換流原理圖 PE N E C2022-5-24125.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類 電感耦合式強迫換流電感耦合式強迫換流：通過換流電路內電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流 兩種電感耦合式強迫換流：圖5-4a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內關斷圖5-4b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內關斷CL+VDSCVT負載+LSVT負載VDb)a)圖5-4圖5-4 電感耦合式強迫換流原理圖給晶閘管加上反向電壓而使其關斷的換流也叫電壓換流電壓換流（圖5-3）先使晶閘

10、管電流減為零，然后通過反并聯二極管使其加 反壓的換流叫電流換流電流換流 PE N E C2022-5-24135.1.2 5.1.2 換流方式分類換流方式分類器件換流適用于全控型器件其余三種方式針對晶閘管器件換流和強迫換流屬于自換流電網換流和負載換流外部換流當電流不是從一個支路向另一個支路轉移，而是在支路內部終止流通而變為零，則稱為熄滅熄滅 PE N E C2022-5-24145.2 5.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 逆變電路按其直流電源性質不同分為兩種逆變電路按其直流電源性質不同分為兩種電壓型電壓型逆變電路或電壓源型電壓源型逆變電路電流型電流型逆變電路或電流源型電流源型逆變電路 電壓型

11、逆變電路的特點電壓型逆變電路的特點 (1) 直流側為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動 (2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同 (3) 阻感負載時需提供無功。為了給交流側向直流側反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯反饋二極管+-CRL圖5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio圖5-5 電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路）圖5-1電路的具體實現 PE N E C2022-5-24155.2.1 5.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路1半橋逆變電路半橋逆變電路電路結構 工作原理工作原理V1和V2柵極信號在一周期內各半周正偏、半周反偏，互補uo為矩形波，

12、幅值為Um=Ud/2+-RLa)ttOOONb)圖5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2圖5-6 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形 PE N E C2022-5-24165.2.1 5.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路io波形隨負載而異，感性負載時，(圖5-6b)V1或V2通時，io和uo同方向，直流側向負載提供能量VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側反饋VD1、VD2稱為反饋二極管反饋二極管,還使io連續，又稱續流二極管續流二極管 特點特點優點優點：簡單，使用器件少缺

13、點缺點：交流電壓幅值Ud/2，直流側需兩電容器串聯，要控制兩者電壓均衡用于幾kW以下的小功率逆變電源 單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合 PE N E C2022-5-24175.2.1 5.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路2全橋逆變電路全橋逆變電路 電路結構及工作情況(圖5-5)，兩個半橋電路的組合1和4一對，2和3另一對，成對橋臂同時導通，兩對交替各導通180uo波形同圖5-6b半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Udio波形和圖5-6b中的io相同，幅值增加一倍單相逆變電路中應用最多的 PE N E C2022-5-2418 輸出電壓定量分析輸出電壓定量分析 u

14、o成傅里葉級數 基波幅值 (5-2) 基波有效值 (5-3) uo為正負各180時，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實現tttUu5sin513sin31sin4doddo1m27. 14UUUdd1o9 . 022UUU(5-1)5.2.1 5.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 PE N E C2022-5-24195.2.1 5.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 移相調壓（移相調壓（圖圖5-7） 可采用移相方式調節逆變電路的輸出電壓，稱為移相調壓移相調壓 各柵極信號為180正偏，180反偏，且V1和V2互補，V3和V4互補關系不變 V3的基極信號只比V1落后q q

15、 ( 0 0q q 0時，V12和VD1導通iU0時，V41和VD4導通 PE N E C2022-5-24555.4.2 5.4.2 多電平逆變電路多電平逆變電路線電壓的電平線電壓的電平相電壓相減得到線電壓兩電平逆變電路的輸出線電壓有Ud和0三種電平三電平逆變電路的輸出線電壓有Ud、Ud/2和0五種電平三電平逆變電路輸出電壓諧波可大大少于兩電平逆變電路三電平逆變電路另一突出優點：每個主開關器件承受電壓為直流側電壓的一半 PE N E C2022-5-2456本章小結講述基本的逆變電路的結構及其工作原理講述基本的逆變電路的結構及其工作原理 四大類基本變流電路中，AC/DC和DC/AC兩類電路更

16、為基本、更為重要換流方式換流方式 分為外部換流和自換流兩大類，外部換流包括電網換流和負載換流兩種，自換流包括器件換流和強迫換流兩種 晶閘管時代十分重要，全控型器件時代其重要性有所下降 PE N E C2022-5-2457本章小結逆變電路分類方法逆變電路分類方法可按換流方式、輸出相數、直流電源的性質或用途等分類本章主要采用按直流側電源性質分類的方法，分為電壓型和電流型兩類電壓型和電流型的概念用于其他電路，會對這些電路有更深刻的認識負載為大電感的整流電路可看為電流型整流電路電容濾波的整流電路可看成為電壓型整流電路 PE N E C2022-5-2458本章小結與其他章的關系與其他章的關系 本章對

17、逆變電路的講述是很基本的，還遠不完整 下一章的PWM控制技術在逆變電路中應用最多，絕大部分逆變電路都是PWM控制的，學完下一章才能對逆變電路有一個較為完整的認識 逆變電路的直流電源往往由整流電路而來，二都結合構成間接交流變流電路 此外，間接直流變流電路大量用于開關電源，其中的核心電路仍是逆變電路 將在第8章介紹，學完第8章后，對逆變電路及其應用將有更完整的認識 PE N E C2022-5-2459圖圖5-1 5-1 逆變電路及其波形舉例逆變電路及其波形舉例 負載a)b)圖5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2 返回返回 PE N E C2022-5-2460圖圖5-2 5-2

18、負載換流電路及其工作波形負載換流電路及其工作波形 ttttRLCOOOOiit1b)a)圖5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4 返回返回 PE N E C2022-5-2461圖5-3 直接耦合式強迫換流原理圖 SVT負載+-圖5-3 返回返回 PE N E C2022-5-2462圖5-4 電感耦合式強迫換流原理圖 CL+VDSCVT負載+LSVT負載VDb)a)圖5-4 返回返回 PE N E C2022-5-2463圖5-5 電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路） +-CRL圖5-5UdV1V2V3V4VD1

19、VD2VD3VD4uoio 返回返回 PE N E C2022-5-2464圖5-6 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形 +-RLa)ttOOONb)圖5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2 返回返回 PE N E C2022-5-2465圖5-7 單相全橋逆變電路的移相調壓方式 +-CRLtOtOtOtOtOqa)b)圖5-7UdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo 返回返回 PE N E C2022-5-2466圖5-8 帶中心抽頭變

20、壓器的逆變電路 負載+-圖5-8iouoUdV1V2VD1VD2 返回返回 PE N E C2022-5-2467圖5-9 三相電壓型橋式逆變電路 NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2 返回返回 圖5-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 tOtOtOtOtOtOtOtO圖5-10a)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3 返回返回 PE N E C2022-5-2469圖5-11 電流型三相橋式逆變電路 UVW圖5-11idUdVT1VT2VT3VT4VT5VT6 返

21、回返回 PE N E C2022-5-2470圖5-12 單相橋式電流型（并聯諧振式）逆變電路 ABCRL圖5-12LdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4uoio 返回返回 圖5-13 并聯諧振式逆變電路工作波形 tOtO圖5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotguABttbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4 返回返回 PE N E C2022-5-2472圖5-14 電流型三相橋式逆變電路的輸出波形 tOtOtOtO圖5-14IdiViWuUViU 返回返回 PE N E C2022-5-247

22、3圖5-15 串聯二極管式晶閘管逆變電路 M3UVW+-圖5-15LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6 返回返回 PE N E C2022-5-2474圖5-16 換流過程各階段的電流路徑 - +U VW+ -U VWa)+ -U VWb)- +UVWc)d)圖5-16VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id-iV 返回返回 PE N E C2022-5-2475圖5-17 串聯二極管晶閘管逆變電路換流過程波形 ttOuOi圖5-17UCOuC13uC5uC3-UCOIdiUiVt1t2t3 返回返回 PE N E C2022-5-2476圖5-18 無換相器電