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第第5 5章章:逆变电路逆变电路 l一、一、逆变器的性能与分类逆变器的性能与分类 l二、电力器件的换流方式与逆变电路的二、电力器件的换流方式与逆变电路的 工作原理工作原理 l三、电压型逆变电路三、电压型逆变电路l四、电流型逆变电路四、电流型逆变电路 l 一、逆变器的性能与分类一、逆变器的性能与分类 1 1）定义：）定义：如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直如果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，流电逆变成同频率的交流电反送到电网去，2 2）应用：）应用：它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的它用于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。串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。l1 1）定义：）定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到l负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交l流电供给负载，流电供给负载，l2 2）应用：）应用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源l等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。1 1、有源逆变、有源逆变:2 2、无源逆变：、无源逆变：逆变电路的分类逆变电路的分类 电压型：电压型：电压型逆变器的输人端并接有大电容，输入电压型逆变器的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。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：电流型：电流型逆变器的输入端串接有大电感，输入电流型逆变器的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。电流输出。（1 1）、根据输入直流电源特点分类）、根据输入直流电源特点分类 半桥式逆变电路；半桥式逆变电路；全桥式逆变电路；全桥式逆变电路；推换式逆变电路；推换式逆变电路；其他形式：如单管晶体管逆变电路。其他形式：如单管晶体管逆变电路。（2 2）、根据电路的结构特点分类）、根据电路的结构特点分类 负载换流型逆变电路；负载换流型逆变电路；脉冲换流型逆变电路；脉冲换流型逆变电路；自换流型逆变电路。自换流型逆变电路。逆变电路的分类逆变电路的分类（3 3）、根据换流方式分类）、根据换流方式分类（4 4）、根据负载特点分类）、根据负载特点分类非谐振式逆变电路非谐振式逆变电路谐振式逆变电路谐振式逆变电路逆变电路用途逆变电路用途l 1 1、可以做成变频变压电源（、可以做成变频变压电源（VVVFVVVF），主要用于交），主要用于交流电动机调速。流电动机调速。2 2、可以做成恒频恒压电源（、可以做成恒频恒压电源（CVCFCVCF），其典型代表为），其典型代表为不间断电源（不间断电源（UPSUPS）、航空机载电源、机车照明，通信等）、航空机载电源、机车照明，通信等辅助电源也要用辅助电源也要用CVCFCVCF电源。电源。3 3、可以做成感应加热电源，例如中频电源，、可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电源等。高频电源等。逆变器的用途十分广泛：逆变器的用途十分广泛：第第5 5章章:逆变电路逆变电路 l一、一、逆变器的性能与分类逆变器的性能与分类 l二、电力器件的换流方式与逆变电路的二、电力器件的换流方式与逆变电路的 工作原理工作原理 l三、电压型逆变电路三、电压型逆变电路l四、电流型逆变电路四、电流型逆变电路 l 电力器件的换流方式电力器件的换流方式l 在图在图5.2.15.2.1中，中，T T1 1、T T2 2表示由两个电力表示由两个电力半导体器件组成的导电臂，当半导体器件组成的导电臂，当T T1 1关断，关断，T T2 2导导通时，电流流过通时，电流流过T T2 2；当当T T2 2关断，关断，T T1 1导通时，导通时，电流电流i i从从T T2 2转移到转移到T T1 1。图图5.2.1 桥臂的换流桥臂的换流 电力半导体器件可以用切断或接通电流电力半导体器件可以用切断或接通电流的开关表示。的开关表示。l 定义：电流从一个臂向另一个臂转移的定义：电流从一个臂向另一个臂转移的过程称为换流（或换相）。过程称为换流（或换相）。（1 1）器器件件换换流流：利利用用电电力力电电子子器器件件自自身身所所有有的的关关断断能能力进行换流称为器件换流。力进行换流称为器件换流。（2 2）电电网网换换流流：由由电电网网提提供供换换流流电电压压使使电电力力电电子子器器件件关关断断，实实现现电电流流从从一一个个臂臂向向另另一一个个臂臂转转移移称称为为电电网网换换流。流。（3 3）负负载载换换流流：由由负负载载提提供供换换流流电电压压，使使电电力力电电子子器器件件关关断断，实实现现电电流流从从一一个个臂臂向向另另一一个个臂臂转转移移称称为为负负载载换换流流。凡凡是是负负载载电电流流的的相相位位超超前前电电压压的的场场合合，都都可可以以实现负载换流。实现负载换流。电力器件的换流方式电力器件的换流方式一般来说，换流方式可分为以下四种：一般来说，换流方式可分为以下四种：l 在晶闸管在晶闸管T T处于导通状态时处于导通状态时,预预先给电容先给电容C C按图中所示极性充电。如按图中所示极性充电。如果合上开关果合上开关 S S，就可以使晶闸管就可以使晶闸管T T被被加反压而关断。加反压而关断。图图5 5.2.2 脉冲电压脉冲电压 换流原理图换流原理图 电力器件的换流方式电力器件的换流方式 脉冲电压换流原理：脉冲电压换流原理：（4 4）脉冲换流：）脉冲换流：设置附加的换流电路，由换流电路设置附加的换流电路，由换流电路内的电容提供换流电压，控制电力电子内的电容提供换流电压，控制电力电子器件实现电流从一个臂向另一个臂转移器件实现电流从一个臂向另一个臂转移称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或电容换流。电容换流。l 脉冲换流有脉冲换流有脉冲电压换流脉冲电压换流和和脉冲电流换流脉冲电流换流。晶闸管晶闸管T T处于导通状态时，预先处于导通状态时，预先给电容给电容C C按图中所示的极性充电。按图中所示的极性充电。图图(a)a)中，如果闭合开关中，如果闭合开关S S，LCLC振荡电流流过晶闸管，直到其正向振荡电流流过晶闸管，直到其正向电流为零后，再流过二极管电流为零后，再流过二极管D D。图图(b)b)中，接通开关中，接通开关S S后，后，LCLC振振荡电流先和负载电流叠加流过晶闸荡电流先和负载电流叠加流过晶闸管管T T，经半个振荡周期经半个振荡周期t=t=后，振荡后，振荡电流反向流过电流反向流过T T，直到直到T T正向电流减正向电流减至零以后再流过二极管至零以后再流过二极管D D。图图5 5.2.3 脉冲电脉冲电流流 换流原理图换流原理图 电力器件的换流方式电力器件的换流方式 脉冲电流换流原理脉冲电流换流原理:这两种情况，都在晶闸管的正向电这两种情况，都在晶闸管的正向电流为零和二极管开始流过电流时晶闸管流为零和二极管开始流过电流时晶闸管关断，二极管上的管压降就是加在晶闸关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。管上的反向电压。逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理l Ud为为输输入入直直流流电电压压，R为为逆逆变变器器的输出负载。的输出负载。l 当当开开关关T1、T4闭闭合合，T2、T3断断开开时，逆变器输出电压时，逆变器输出电压u0=Ud；l 当当开开关关T1、T4断断开开，T2、T3闭闭合合时，输出电压时，输出电压 u0=Ud;l 当当以以频频率率fS交交替替切切换换开开关关T1、T4和和T2、T3时时，则则在在电电阻阻R上上获获得得如如图图5.2.4(b)所所示示的的交交变变电电压压波波形形，其其周周期期Ts=1/fS，这这样样，就就将将直直流流电电压压E变变成成了了交交流流电电压压uo。uo含含有有各各次次谐谐波波，如如果果想想得得到到正正弦弦波波电电压压，则则可可通通过过滤滤波波器滤波获得。器滤波获得。图图5 5.2.4 单相桥式逆变单相桥式逆变 电路工作原理电路工作原理 1 1、主要功能、主要功能:图图5.2.4(a)中主电路开关中主电路开关T1T4，它实际是各种半导体开关器件的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一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管快速晶闸管、可关可关断晶闸管（断晶闸管（GTO）、功率晶体管（功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（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。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 2、工作原理：、工作原理：第第5 5章章:逆变电路逆变电路 l一、一、逆变器的性能与分类逆变器的性能与分类 l二、电力器件的换流方式与逆变电路的二、电力器件的换流方式与逆变电路的 工作原理工作原理 l三、电压型逆变电路三、电压型逆变电路l四、电流型逆变电路四、电流型逆变电路 l 1 1 1 1、电压型单相半桥逆变电路、电压型单相半桥逆变电路、电压型单相半桥逆变电路、电压型单相半桥逆变电路 它由两个导电臂构成，它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件每个导电臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成。和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容的足够大的电容C1和和C2，且且满足满足C1=C2。设感性负载连接设感性负载连接在在A、0两点间。两点间。T1和和T2之间存在死区时之间存在死区时间，以避免上、下直通，在间，以避免上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱死区时间内两晶闸管均无驱动信号。动信号。图图5 5.3.1 电压型半桥逆变电路电压型半桥逆变电路 及其电压电流波形及其电压电流波形 电压型逆变电路电压型逆变电路半桥逆变半桥逆变电路结构及波形：电路结构及波形：输出输出电压有效值电压有效值为为:由傅里叶分析，输出由傅里叶分析，输出电压瞬电压瞬时值时值为为:其中，其中，为输出电压角频率。为输出电压角频率。当当 n=1时其时其基波分量的有效值基波分量的有效值为为:1 1 1 1、电压型单相半桥逆变电路、电压型单相半桥逆变电路、电压型单相半桥逆变电路、电压型单相半桥逆变电路 (5.3.1)(5.3.2)(5.3.3)图图5 5.3.1 电压型半桥逆变电压型半桥逆变电路及其电压电流波形电路及其电压电流波形 在一个周期内，电力晶体管在一个周期内，电力晶体管T1和和T2的的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。补。若负载为阻感负载，设若负载为阻感负载，设t2时刻以前，时刻以前，T1有驱动信号导通，有驱动信号导通，T2截止，则截止，则 u0=Ud/2。t2时刻关断的时刻关断的T1，同时给同时给T2发出导通信发出导通信号。由于感性负载中的电流号。由于感性负载中的电流i。不能立即改不能立即改变方向，于是变方向，于是D2导通续流，导通续流，u0=Ud/2。t3时刻时刻i。降至零，降至零，D2截止，截止，T2导通，导通，i。开始反向增大，此时仍然有开始反向增大，此时仍然有u0=Ud/2。在在t4时刻关断时刻关断T2，同时给同时给T1发出导通信发出导通信号，由于感性负载中的电流号，由于感性负载中的电流i。不能立即改不能立即改变方向，变方向，D1先导通续流，此时仍然有先导通续流，此时仍然有u0=Ud/2；t5时刻时刻 i。降至零，降至零，T1导通，导通，u0=Ud/2；图图5 5.3.1 电压型半桥逆变电压型半桥逆变电路及其电压电流波形电路及其电压电流波形（1 1）电压型逆变电路）电压型逆变电路半桥逆变电路半桥逆变电路工作原理：工作原理：1 1 1 1、电压型单相半桥逆变电路、电压型单相半桥逆变电路、电压型单相半桥逆变电路、电压型单相半桥逆变电路 缓冲电感反馈的无功能量缓冲电感反馈的无功能量1 1、电压型单相半桥逆变电路、电压型单相半桥逆变电路缺点：缺点：1）交流电压幅值仅为）交流电压幅值仅为Ud/2；2）直流侧需分压电容器；）直流侧需分压电容器；3 3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接接LC滤波器，输出滤波器滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输滤除逆变器输出电压中的高次谐波。出电压中的高次谐波。l优点：优点：简单，使用器件少；简单，使用器件少；应用：应用：用于几用于几kW以下的小功率逆变电源；以下的小功率逆变电源；2 2、电压型单相全桥逆变电路、电压型单相全桥逆变电路 全全控控型型开开关关器器件件T1和和T4构构成成一一对对桥桥臂臂，T2和和T3构构成成一一对对桥桥臂臂,T1和和T4同同时时通通、断断；T2和和T3同同时时通通、断断。T1(T)4与与T2(T3)的的驱驱动动信信号号互互补补，即即T1和和T4有有驱驱动动信信号号时时，T2和和T3无无驱驱动动信信号号，反反之之亦亦然然，两两对对桥桥臂臂各各交交替导通替导通180。图图5 5.3.2 电压型单相全桥逆电压型单相全桥逆变变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图（1）电路工作过程：）电路工作过程：2 2、电压型单相全桥逆变电路、电压型单相全桥逆变电路l输出方波电压瞬时值：输出方波电压瞬时值：l输出方波电压有效值：输出方波电压有效值：基波分量的有效值：基波分量的有效值：图图5 5.3.2 电压型单相全桥逆电压型单相全桥逆变变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图(5.3.6)(5.3.4)(5.3.5)同同单单相相半半桥桥逆逆变变电电路路相相比比，在在相相同同负负载载的的情情况况下下，其其输输出出电电压压和和输输出出电电流流的的幅幅值为单相半桥逆变电路的两倍。值为单相半桥逆变电路的两倍。1 1）纯电阻负载时）纯电阻负载时2 2 2 2、电压型单相全桥逆变电路、电压型单相全桥逆变电路、电压型单相全桥逆变电路、电压型单相全桥逆变电路 0tTs4，T Ts s2t3T2t3Ts s4 4期间，期间，D1、D4导通起负载电流续流导通起负载电流续流作用，在此期间作用，在此期间T T1 1 T T4 4均不导通。均不导通。图图5 5.3.2 电压型单相全桥逆电压型单相全桥逆变变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 2 2）电感负载时）电感负载时由由可得负载电流峰值为：可得负载电流峰值为：(5.3.7)2 2、电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 0t期期间间，T1和和T4有有驱驱动动信信号号，由由于于电电流流i0为为负负值值，T1和和T4不不导导通通，D1、D4导导 通通 起起 负负 载载 电电 流流 续续 流流 作作 用用，u0=+Ud。t期期间间，i0为为正正值值，T1和和T4才才导通。导通。t+期期间间，T2和和T3有有驱驱动动信信号号，由由于于电电流流i0为为负负值值，T2、T3不不导导通通，D2、D3导导通通起起负负载载电电流流续续流流作作用用，u0=Ud。+t2期间，期间，T2和和T3才导通。才导通。3 3）阻感负载）阻感负载RLRL时时图图5 5.3.2 电压型单相全桥逆电压型单相全桥逆变变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 图图5.3.2(e)所示是所示是RL负载时直流电源输负载时直流电源输入电流的波形。图入电流的波形。图4.3.2(f)所示是所示是RL负载时负载时直流电源输入电流的波形。直流电源输入电流的波形。3 3、电压型三相桥式逆变电路、电压型三相桥式逆变电路 电压型三相桥式逆变电路的基电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为本工作方式为180180导电型，即每个导电型，即每个桥臂的导电角为桥臂的导电角为180180，同一相上下，同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各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相开始导电的时间依次相差120120。在一个周期内，在一个周期内，6 6个开关管触个开关管触发导通的次序为发导通的次序为T T1 1TT2 2 T T3 3 T T4 4 TT5 5TT6 6，依次相隔依次相隔6060，任一时，任一时刻均有三个管子同时导通，导通的刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为组合顺序为T T1 1T T2 2T T3 3，T T2 2T T3 3T T4 4，T T3 3T T4 4T T5 5，T T4 4T T5 5T T6 6，T T5 5T T6 6T T1 1，T T6 6T T1 1T T2 2，每种组合工每种组合工作作6060。图图5 5.3.3 电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路（1 1）工作过程：）工作过程：3 3 3 3、电压型三相桥式逆变电路、电压型三相桥式逆变电路、电压型三相桥式逆变电路、电压型三相桥式逆变电路 将一个工作周期分成将一个工作周期分成6个区域。个区域。在在00,ug20,ug30，则有则有T1，T2，T3导通，导通，（2 2）各相负载相电压和线电压波形：）各相负载相电压和线电压波形：根据同样的思路可得其余根据同样的思路可得其余5个时域的值个时域的值线线电电压压相相电电压压图图5.3.4 5.3.4 电压型三相桥式逆变电路及其工作波形电压型三相桥式逆变电路及其工作波形式中式中Ud为逆变器输入直流电压。为逆变器输入直流电压。3 3 3 3、电压型三相桥式逆变电路、电压型三相桥式逆变电路、电压型三相桥式逆变电路、电压型三相桥式逆变电路 （3 3）负载相电压和线电压幅值分析：）负载相电压和线电压幅值分析：利用博里叶分析，其利用博里叶分析，其相电压的瞬时值相电压的瞬时值为：为：相电压基波幅值相电压基波幅值 (5.3.8)(5.3.9)由由上上式式可可知知，负负载载相相电电压压中中无无3次次谐谐波波，只只含含更更高高阶阶奇奇次次谐谐波波，n次次谐谐波波幅值为基波幅值的幅值为基波幅值的1/n。其其线电压的瞬时值线电压的瞬时值为：为：线电压基波幅值线电压基波幅值(5.3.11)(5.3.10)由由上上式式可可知知，负负载载线线电电压压中中无无3次次谐谐波波，只只含含更更高高阶阶奇奇次次谐谐波波，n次次谐谐波波幅值为基波幅值的幅值为基波幅值的1/n。3 3、电压型三相桥式逆变电路、电压型三相桥式逆变电路表表5.3.1三相桥式逆变电路的工作状态表三相桥式逆变电路的工作状态表第第5 5章章:逆变电路逆变电路 l一、一、逆变器的性能与分类逆变器的性能与分类 l二、电力器件的换流方式与逆变电路的二、电力器件的换流方式与逆变电路的 工作原理工作原理 l三、电压型逆变电路三、电压型逆变电路l四、电流型逆变电路四、电流型逆变电路 l 1 1、电流型单相桥式逆变电路、电流型单相桥式逆变电路l 当当T1、T4导导通通，T2、T3关关断时，断时，I0=Id；反之，反之，I0=-Id。l 当当以以频频率率f交交替替切切换换开开关关管管T1、T4和和T2、T3时时，则则在在负负载载上上获获得得如如图图 5.4.1（b）所所示示的的电流波形。电流波形。l 输输出出电电流流波波形形为为矩矩形形波波，与与电电路路负负载载性性质质无无关关，而而输输出出电压波形由负载性质决定。电压波形由负载性质决定。l 主主电电路路开开关关管管采采用用自自关关断断器器件件时时，如如果果其其反反向向不不能能承承受受高高电电压压，则则需需在在各各开开关关器器件件支支路路串入二极管串入二极管。图图5 5.4.1 电流型单相桥式电流型单相桥式 逆变电路及电流波形逆变电路及电流波形 l（1）电路工作过程：）电路工作过程：防反相高压防反相高压恒流大电感恒流大电感其中基波幅值其中基波幅值I01m和基波有效值和基波有效值I01分别为分别为(5.4.1)(5.4.2)(5.4.3)1 1、电流型单相桥式逆变电路、电流型单相桥式逆变电路将图将图5 5.4.1（b）所示的电流波形所示的电流波形i0展开成傅氏级数展开成傅氏级数,有有（2）电流波形参数计算：）电流波形参数计算：图图5 5.4.1 电流型单相桥式电流型单相桥式 逆变电路及电流波形逆变电路及电流波形 2 2 2 2、电流型三相桥式逆变电路、电流型三相桥式逆变电路、电流型三相桥式逆变电路、电流型三相桥式逆变电路 导电方式导电方式为为120导通、横向换流方式，导通、横向换流方式，任意瞬间只有两个桥臂导通。任意瞬间只有两个桥臂导通。导通顺序导通顺序为为1T2T3T4T5T6，依依次间隔次间隔60，每个桥臂导通，每个桥臂导通120。这样，。这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。一个臂导通。输出电流波形输出电流波形与负载性质无关。与负载性质无关。输出电压波形输出电压波形由负载的性质决定。由负载的性质决定。图图5 5.4.3 电流型三相桥式逆变电流型三相桥式逆变电路原理图及输出电流波形电路原理图及输出电流波形(5.4.4)（1）工作方式）工作方式:输出电流的基波有效值输出电流的基波有效值I01和直和直流电流流电流Id的关系式为：的关系式为：