1、第第5章章 逆變電路逆變電路電力電子技術電子教案電力電子技術電子教案Power Electronics Technology第第5章章 逆變電路逆變電路引言引言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

2、 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路5.4 5.4 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引引 言言逆變概念逆變概念 逆變逆變與整流相對應，直流電變成交流電與整流相對應，直流電變成交流電交流側接電網，為有源逆變交流側接電網，為有源逆變交流側接負載，為無源逆變交流側接負載，為無源逆變 本章講述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，后交直交變頻由交直變換和直交變換兩

3、部分組成，后一部分就是逆變一部分就是逆變 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，需要逆變電路供電時，需要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節節換流方式換流方式5.2節節電壓型逆變電路電壓型逆變電路5.3節節電流型逆變電路電流型逆變電路5.4節節逆變電路的多重化和多電平逆變電路。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本章僅講述逆

4、變電路基本內容, 第第6章章PWM控制技術和第控制技術和第8章組合變流電路中，有關逆變電路的內容會進一步展開章組合變流電路中，有關逆變電路的內容會進一步展開5.1 5.1 換流方式換流方式負載a)b)圖5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t25.1.1 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單相橋式逆變電路為例S1S4是橋式電路的是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及個臂，由電力電子器件及輔助電路組成輔助電路組成S1、S4閉合，閉合，S2、S3斷開時，負載電壓斷開時，負載電壓uo為正為正圖5-1 逆變電路及其波形舉例 S1, S4斷開斷開, S2、S3閉合

5、時，閉合時，uo為負，把直流電變成了交流為負，把直流電變成了交流電電 改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率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，負載電流電阻負載時，負載電流io和和uo的波形相同，相位也相同的波形相同，相位也相同阻感負載時，阻感負載時，io相位滯后于相位滯后于uo，波形也不同（波形也不同（圖圖5-1b）t1前：前：S1、S4通，通，uo和和io均為正均為正t1時刻斷開時刻斷開S1、S4，合上合上S2, S3, uo變負變負,但但io不能立刻反向不能立刻反向io從電源負極流出從電源負極流出, 經經S2,負載和負載和S3流回正極流回正極, 負載電感能負載電感能

6、量向電源反饋量向電源反饋, io逐漸減小逐漸減小,t2時刻降為零時刻降為零,之后之后io才反向并才反向并增大增大負載a)b)圖5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2換流換流電流從一個支路向另一個支路轉移的過程，電流從一個支路向另一個支路轉移的過程，也稱換相也稱換相開通：適當的門極驅動信號就可使其開通開通：適當的門極驅動信號就可使其開通關斷：關斷：全控型器件可通過門極關斷全控型器件可通過門極關斷半控型器件晶閘管半控型器件晶閘管,必須利用外部條件才能關斷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，一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反壓，才能關斷才能關斷研究換流方式

7、主要是研究如何使器件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本章換流及換流方式問題最為全面集中,因此在本章因此在本章講述講述5.1.2 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（利用全控型器件的自關斷能力進行換流（Device Commutation）2. 電網換流電網換流由電網提供換流電壓稱為電網換流（由電網提供換流電壓稱為電網換流（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電路不需器件具有門極可關斷能力，也不需

8、要為換流附加元件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（由負載提供換流電壓稱為負載換流（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，可實現負載換流換流 基本的負載換流逆變電路：基本的負載換流逆變電路：采用晶閘管采用晶閘管負載：電阻電感串聯后再和電容并聯，工作負載：電阻電感串聯后再和電容并聯，工作在接近并聯諧振狀態而略呈容性在接近并聯諧振狀態而略呈容性 電

9、容為改善負載功率因數使其略呈容性而接入電容為改善負載功率因數使其略呈容性而接入 直流側串入大電感直流側串入大電感Ld， id基本沒有脈動基本沒有脈動ttttRLCOOOOiit1b)a)圖5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4圖5-2 負載換流電路及其工作波形 工作過程（工作過程（工作波形圖工作波形圖b）4個臂的切換僅使電流路徑改變，負載電流基本呈矩形波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

10、阻抗很小，大，對諧波阻抗很小，uo波形接近正弦波形接近正弦t1前：前：VT1、VT4通，通，VT2、VT3斷，斷，uo、io均為正，均為正，VT2、VT3電壓即為電壓即為uot1時：觸發時：觸發VT2、VT3使其開通，使其開通，uo加到加到VT4、VT1上使其承受上使其承受反壓而關斷，電流從反壓而關斷，電流從VT1、VT4換到換到VT3、VT2t1必須在必須在uo過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成過零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成ttttRLCOOOOiit1b)a)圖5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1u

11、VT4設置附加的換流電路，給欲關斷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向電流的換流方式稱為強迫換流（Forced Commutation）通常利用附加電容上儲存的能通常利用附加電容上儲存的能量來實現，也稱為電容換流量來實現，也稱為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由換流電路內電容提供換流電壓電路內電容提供換流電壓VT通態時，先給電容通態時，先給電容C充電。充電。合上合上S就可使晶閘管被施加反就可使晶閘管被施加反壓而關斷壓而關斷SVT負載+-圖5-3圖5-3 直接耦合式強迫換流原理圖4. 強迫換流強迫換流

12、電感耦合式強迫換流：通過換流電路內電容和電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：兩種電感耦合式強迫換流：圖圖5-4a中晶閘管在中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內關斷振蕩第一個半周期內關斷圖圖5-4b中晶閘管在中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內關斷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給晶閘管加上反向電壓而使其關斷的換電壓而使其關斷的換流也叫電壓換流流也叫電壓換流先使晶閘管電流減先使晶閘管電流減為零，然后通過反并為零，然后通過

13、反并聯二極管使其加聯二極管使其加 反壓反壓的換流叫電流換流的換流叫電流換流 器件換流器件換流適用于全控型器件適用于全控型器件其余三種方式其余三種方式(電網電網,負載負載,強迫強迫)針對晶閘針對晶閘管管器件換流和強迫換流器件換流和強迫換流屬于自換流屬于自換流電網換流和負載換流電網換流和負載換流外部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，則稱為熄滅是在支路內部終止流通而變為零，則稱為熄滅5.2 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逆變電路或

14、電壓源型逆變電路電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路電流型逆變電路或電流源型逆變電路電流型逆變電路或電流源型逆變電路電壓型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，直流直流側為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動側電壓基本無脈動 (2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同阻抗不同而不同 (3) 阻感負載時需提供無功。為了給交流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各臂并聯反饋二極管+-CRL圖5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3V

15、D4uoio圖5-5 電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路）5.2.1 5.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路+-RLa)ttOOONb)圖5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud21半橋逆變電路半橋逆變電路電路結構電路結構工作原理工作原理V1和和V2柵極信號在一周期內各半周正偏、半周反偏，互補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，幅值為為矩形波，幅值為Um=Ud/2io波形隨負載而異，感性負載時波形隨負載而異，感性負載時V1或或V2通時，通時，io和和uo同方向，直流側向負載提

16、供能量同方向，直流側向負載提供能量VD1或或VD2通時，通時，io和和uo反向，電感中貯能向直流側反饋反向，電感中貯能向直流側反饋VD1、VD2稱為反饋二極管稱為反饋二極管,還使還使io連續，又稱續流二極管連續，又稱續流二極管特點特點優點：簡單，使用器件少優點：簡單，使用器件少缺點：交流電壓幅值缺點：交流電壓幅值Ud/2，直流側需兩電容器串聯，要直流側需兩電容器串聯，要控制兩者電壓均衡控制兩者電壓均衡用于幾用于幾kW以下的小功率逆以下的小功率逆變電源變電源單相全橋、三相橋式都可看成單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合若干個半橋逆變電路的組合+-RLa)ttOOONb)圖5-6Ud

17、iouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2兩個半橋電路的組合兩個半橋電路的組合1和和4一對，一對，2和和3另一對，成另一對，成對橋臂同時導通，兩對交替對橋臂同時導通，兩對交替各導通各導通180uo波形同波形同圖圖5-6b半橋電路的半橋電路的uo，幅值高出一倍幅值高出一倍Um=Ud2 2全橋逆變電路全橋逆變電路+-CRL圖5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio+-RLa)ttOOONb)圖5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2V

18、D1VD2Ud2Ud2io波形和圖波形和圖5-6b中的中的io相同，相同，幅值增加一倍幅值增加一倍單相逆變電路中應用最多的單相逆變電路中應用最多的電路結構及工作情況電路結構及工作情況tttUu5sin513sin31sin4doddo1m27. 14UUUdd1o9 . 022UUU輸出電壓定量分析輸出電壓定量分析uo成傅里葉級數成傅里葉級數uo為正負各為正負各180時，要改變輸出時，要改變輸出電壓有效值只能改變電壓有效值只能改變Ud來實現來實現基波幅值基波幅值基波有效值基波有效值+-RLa)ttOOONb)圖5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1

19、V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2可采用移相方式調節逆變電路的輸出電壓，稱為移相調壓可采用移相方式調節逆變電路的輸出電壓，稱為移相調壓各柵極信號為各柵極信號為180正偏，正偏，180反偏，且反偏，且V1和和V2互補，互補，V3和和V4互補關系不變互補關系不變V3的基極信號只比的基極信號只比V1落后落后q q ( 0 0q q 0時，時，V12和和VD1導通導通iU0時，時，V41和和VD4導通導通+-圖5-25+UV+WUdVD1V11OV12VD11VD12VD4V41V42VD41VD42iULsRs線電壓的電平線電壓的電平相電壓相減得到線電壓相電壓相減得到線電壓兩電平逆變電

20、路的輸出線電壓有兩電平逆變電路的輸出線電壓有Ud和和0三種電平三種電平三電平逆變電路的輸出線電壓有三電平逆變電路的輸出線電壓有Ud、Ud/2和和0五種電平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變電路三電平逆變電路另一突出優點：每個主開關器件承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受電壓為直流側電壓的一半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，四大類基本變流電路中，AC/DC和和DC/AC兩類電路更為基本、更為重要兩類電路更為基本、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