电力电子变流技术 第 二十八 讲 主讲教师：隋振　　　　　　　　　　　　　　　　学时：32.

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1 电力电子变流技术 第 二十八 讲 主讲教师：隋振　　　　　　　　　　　　　　　　学时：32

2 第8章 无源逆变电路 引言 8.1 逆变基本工作原理 8.2 电压型逆变电路 8.3 电流型逆变电路

3 第8章 无源逆变电路 • 引言 逆变的概念 逆变与变频 主要应用 交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变。
逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变。 逆变与变频 变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。 主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。 本章讲述无源逆变

4 第8章 无源逆变电路 • 引言 无源逆变分类 直流输入 无源逆变 交流输出 按输入分: (1)电流型:以电流作为直流输入,典型特征:有电感
(2)电压型:以电压作为直流输入,典型特征:有电容 按输出分: (交流电的主要特征:电压和频率) (1)恒压恒频(CVCF):不间断电源(UPS) (2)变压变频(VVVF):交流调速 (3)恒压变频(CVVF):感应加热 (4)变压恒频(VVCF):软起动器(交流调压)

5 以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理
8.1 逆变电路的基本工作原理 以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 负载 a) b) t S 1 2 3 4 i o u U d 图8-1 逆变电路及其波形举例

6 8.1 逆变电路的基本工作原理 S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。
8.1 逆变电路的基本工作原理 S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。 直流电 交流电

7 8.1 逆变电路的基本工作原理 逆变电路最基本的工作原理 ——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。
8.1 逆变电路的基本工作原理 a) b) t u o i 1 2 逆变电路最基本的工作原理 ——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。 电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。 图5-1 逆变电路及其波形举例

8 8.2 电压型逆变电路 1）逆变电路的分类 —— 根据直流侧电源性质的不同 电压型逆变电路——又称为电压源型逆变电路
8.2 电压型逆变电路 1）逆变电路的分类 —— 根据直流侧电源性质的不同 电压型逆变电路——又称为电压源型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI 直流侧是电压源 电流型逆变电路——又称为电流源型逆变电路 Current Source Type Inverter-VSTI 直流侧是电流源

9 8.2 电压型逆变电路 2）电压型逆变电路的特点 (1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。
8.2 电压型逆变电路 2）电压型逆变电路的特点 (1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 (2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。 (3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。 图5-5 电压型全桥逆变电路

10 8.2 电压型逆变电路 单相电压型逆变电路 三相电压型逆变电路

11 8.2.1 单相电压型逆变电路 1）半桥逆变电路 工作原理
单相电压型逆变电路 1）半桥逆变电路 a) t O ON b) o U m - i 1 2 3 4 5 6 V VD 工作原理 V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。 V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。 u 图5－6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形

12 缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。 应用：
单相电压型逆变电路 优点：电路简单，使用器件少。 缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。 应用： 用于几kW以下的小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。

13 8.2.1 单相电压型逆变电路 2) 全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180°。
单相电压型逆变电路 2) 全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180°。 输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。 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。 图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式 t O ? b) u G1 G2 G3 G4 o i 1 2 3

14 8.2.1 单相电压型逆变电路 阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压－移相调压。
单相电压型逆变电路 a) 图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式 t O ? b) u G1 G2 G3 G4 o i 1 2 3 阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压－移相调压。 V3的基极信号比V1落后q （0＜ q ＜180 °）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°－q。输出电压是正负各为q的脉冲。 改变q就可调节输出电压。

15 8.2.1 单相电压型逆变电路 3） 带中心抽头变压器的逆变电路 交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。
单相电压型逆变电路 3） 带中心抽头变压器的逆变电路 交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。 两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。 图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路 Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：时，uo和io波 形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 与全桥电路的比较： 比全桥电路少用一半开关器件。 器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍。 必须有一个变压器 。

16 三相电压型逆变电路 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路 应用最广的是三相桥式逆变电路 图5-9 三相电压型桥式逆变电路

17 8.2.2 三相电压型逆变电路 基本工作方式——180°导电方式
三相电压型逆变电路 t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN' UN UV i U d VN' WN' NN' 2 3 6 基本工作方式——180°导电方式 每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 °。 任一瞬间有三个桥臂同时导通。 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。 图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形

18 8.2.2 三相电压型逆变电路 波形分析 负载各相到电源中点N'的电压：U相，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2。
三相电压型逆变电路 波形分析 t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN' UN UV i U d VN' WN' NN' 2 3 6 负载各相到电源中点N'的电压：U相，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2。 负载线电压 负载相电压 图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形

19 8.2.2 三相电压型逆变电路 负载中点和电源中点间电压 (5-6) 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7)
三相电压型逆变电路 负载中点和电源中点间电压 (5-6) 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7) 负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。 一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。 桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。 防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通” 数量分析见教材。

20 8.3 电流型逆变电路 直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。 电流型逆变电路主要特点
8.3 电流型逆变电路 直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。 电流型逆变电路主要特点 (1) 直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源。 图5-11 电流型三相桥式逆变电路 (2) 交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位 因负载不同而不同。 (3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。 换流方式有负载换流、强迫换流。

21 8.3 电流型逆变电路 单相电流型逆变电路 单相电流型逆变电路

22 8.3.1 单相电流型逆变电路 1) 电路原理 由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。
单相电流型逆变电路 1) 电路原理 由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。 工作方式为负载换相。 电容C和L 、R构成并联谐振电路。 输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。 图5－12 单相桥式电流型 （并联谐振式）逆变电路

23 8.3.1 单相电流型逆变电路 2) 工作分析 一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段。
单相电流型逆变电路 t O u G1,4 G2,3 i T o I d 1 2 3 4 5 6 7 f g AB b VT 1,4 2,3 2) 工作分析 一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段。 t1~t2：VT1和VT4稳定导通阶段，iｏ=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。 t2~t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段。 LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程。VT2、VT3电流有一个增大过程。 4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。 LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。 图5－13并联谐振式逆变 电路工作波形

24 8.3.1 单相电流型逆变电路 io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点。
单相电流型逆变电路 t O u G1,4 G2,3 i T o I d 1 2 3 4 5 6 7 f g AB b VT 1,4 2,3 io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点。 t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。 t4－t2= tg 称为换流时间。 保证晶闸管的可靠关断 晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tb。 tb= t5- t4应大于晶闸管的关断时间tq。 。 图5－13并联谐振式逆变 电路工作波形

25 单相电流型逆变电路 为保证可靠换流应在uo过零前td= t5- t2时刻触发VT2、VT3 。. td 为触发引前时间 (5-16) io超前于uo的时间 (5-17) 表示为电角度 (5-18) w为电路工作角频率；g、b分别是tg、tb对应的电角度。 忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数 (5-19) 基波电流有效值 (5-20) 负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损 耗，忽略晶闸管压降） (5-21)

26 8.3.1 单相电流型逆变电路 实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。
单相电流型逆变电路 实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。 固定工作频率的控制方式称为他励方式。 自励方式存在起动问题，解决方法： 先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。 附加预充电起动电路。

27 三相电流型逆变电路 1) 电路分析 基本工作方式是120°导电方式－每个臂一周期内导电120°，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通，换流方式为横向换流。 t O I d i V W u UV U 图5-14 电流型三相桥式逆变电路的输出波形 图5-11 电流型三相桥式逆变电路 i 2) 波形分析 输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各120°的矩形波。 输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。 输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波。 输出交流电流的基波有效值。

28 8.3.2 三相电流型逆变电路 串联二极管式晶闸管逆变电路 主要用于中大功率交流电动机调速系统。 是电流型三相桥式逆变电路。
三相电流型逆变电路 串联二极管式晶闸管逆变电路 主要用于中大功率交流电动机调速系统。 是电流型三相桥式逆变电路。 各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。 120°导电工作方式，输出波形和图5-14的波形大体相同。 强迫换流方式，电容C1~C6为换流电容。 图5-15 串联二极管式 晶闸管逆变电路

29 8.3.2 三相电流型逆变电路 换流过程分析 电容器所充电压的规律： 等效换流电容概念：
三相电流型逆变电路 换流过程分析 电容器所充电压的规律： 对于共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零。 等效换流电容概念： 分析从VT1向VT3换流时，图5－16中的C13就是图5－14中的C3与C5串联后再与C1并联的等效电容。 - + U V W a) b) c) d) VT 1 2 3 VD C 13 I d i = 图5-15 串联二极管式晶闸管逆变电路 图5-16 换流过程各阶段的电流路径

30 8.3.2 三相电流型逆变电路 分析从VT1向VT3换流的过程: 假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负。如图5－16a。
三相电流型逆变电路 分析从VT1向VT3换流的过程: 假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负。如图5－16a。 换流阶段分为恒流放电和二极管换流两个阶段。 t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断。 Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段。如图5－16b。 uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于tq就能保证关断。 + - U V W VT 1 2 3 VD C 13 I d 图5-16 换流过程各阶段的电流路径 a) b）

31 三相电流型逆变电路 VT VT VT VT t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。忽略负载电阻压降，则二极管VD3导通，电流为iV，VD1电流为iU=Id-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段。 随着C13电压增高，充电电流渐小，iV渐大，t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。 t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段。 1 3 1 3 C C 13 13 - + - + VD VD VD VD 1 3 1 3 i U V V U V i = I - i i W U d V W V VD VD 2 2 VT VT I 2 2 d 图5-16 换流过程各阶段的电流路径 c) d）

32 图5-17 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形
三相电流型逆变电路 波形分析 电感负载时，uC13、iU、iV及uC1、uC3、uC5波形。 uC1的波形和uC13完全相同，从UC0降为－UC0 。 C3和C5是串联后再和C1并联的，电压变化的幅度是C1的一半。 uC3从零变到-UC0，uC5从UC0变到零。 这些电压恰好符合相隔120°后从VT3到VT5换流时的要求。 t O u i U CO C13 C5 C3 - I d V 1 2 3 图5-17 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形

33 8.3.2 三相电流型逆变电路 实例： 无换向器电动机 电流型三相桥式逆变器驱动同步电动机，负载换流。
三相电流型逆变电路 实例： 无换向器电动机 电流型三相桥式逆变器驱动同步电动机，负载换流。 工作特性和调速方式和直流电动机相似，但无换向器，因此称为无换向器电动机。 图5－18 无换相器电动机的基本电路

34 8.3.2 三相电流型逆变电路 BQ——转子位置检测器，检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲。
三相电流型逆变电路 O w t VT 4 导通 U V W i u dM 1 3 6 5 2 u u u u 图5－18 无换相器电动机的基本电路 BQ——转子位置检测器，检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲。 w t 图5-19 无换相器电动机电路工作波形

35 第8章 逆变电路 • 小结 讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理 换流方式
第8章 逆变电路 • 小结 讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理 四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电路更为基本、更为重要 换流方式 分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。 晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。