逆变电路逆变电路 逆变种类与换流方式逆变种类与换流方式 电压型逆变电路电压型逆变电路Voltage source inverter (VSI) 电流型逆变电路电流型逆变电路Current source inverter (CSI) SPWMSPWM逆变逆变电路电路 本章主要内容本章主要内容 n n 逆变的概念逆变的概念 逆变是与整流相对应的，指直流电变成交流电。逆变是与整流相对应的，指直流电变成交流电。 交流侧接电网，为交流侧接电网，为有源逆变。有源逆变。 可控整流电路工作在逆变状态，把该电路的可控整流电路工作在逆变状态，把该电路的 交流侧接到交流电源上，把直流电逆变成与交流交流侧接到交流电源上，把直流电逆变成与交流 电源同频率的交流电返送到电源。电源同频率的交流电返送到电源。 交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变。无源逆变。 可控整流电路的交流侧不与电源联接，而直可控整流电路的交流侧不与电源联接，而直 接接到无源负载。接接到无源负载。 逆变电路逆变电路 5.1.1 有源逆变电路 1 单相双半波有源逆变电路 w1、电路结构 图3-1 2、工作原理 w1）整流状态（0 90） w当等于零时，输出电压瞬时值ud在整个周期内全部为正； 当900时，ud在整个周期内有正有负，但正面积总是大 于负面积，故平均值Ud为正值，其极性是上正下负，如上 图a。通常Ud略大于E，此时电流Id从Ud的正端流出，从E 的正端流进。电机M吸收电能，作电动运行，电路把从交 流电网吸收的电能转变成直流电能输送给电动机，电路工 作在整流状态，电机M工作在电动状态。 w2）逆变状态（90 180） w逆变是将电机吸收的直流电能转变成交流反馈回电网。 w由于晶闸管的单向导电性，负载电流Id不能改变方向，只有 将E反向，即电机作发电运行才能回馈电能；为避免Ud与E 顺接，此时将Ud的极性也反过来，如上图b示。要使Ud反向 ，应该大于90。 w当在90 180间变动时，输出电压瞬时值ud在整个周 期内有正有负，但负面积大于正面积，故平均值Ud为负值 ，见上图b所示。此时E略大于Ud，电流Id的流向是从E的正 端流出，从Ud的正端流入，逆变电路吸收从电机反送来的 直流电能，并将其转变成交流电能反馈回电网，这就是该 电路的有源逆变状态。 （a）=60的整流状态态 （b）=120的逆变变状态态 单单相双半波电电路=60的整流和=120的逆变时变时 的仿真波形 w要使整流电路工作在逆变状态，必须满足两个条件： w1）变流器的输出Ud能够改变极性（内部条件）。由于晶闸 管的单向导电性，电流Id不能改变方向，为实现有源逆变， 必须改变Ud的极性。即让变流器的控制角90即可。 w2）须有外接的提供直流电能的电源E。E也要能改变极性， 且有 （外部条件）。 n n 按输入电源特点按输入电源特点 电压源逆变电路电压源逆变电路 电流源逆变电路电流源逆变电路 按电路结构特点按电路结构特点 半桥、全桥半桥、全桥 5.2.1 5.2.1 无源逆变电路无源逆变电路 n n 按主电路的器件按主电路的器件 全控型逆变电路、半控型逆变电路全控型逆变电路、半控型逆变电路 按输出波形特点按输出波形特点 正弦式、非正弦式逆变电路正弦式、非正弦式逆变电路 换流换流电流从一个支路向另一个支路转移的过电流从一个支路向另一个支路转移的过 程，也称为换相。程，也称为换相。 器件开通：器件开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 器件关断：器件关断： 全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断 。 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才 能关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 5.2.2 5.2.2 换流方式换流方式 控制极关断方式（又称器件换流方式）控制极关断方式（又称器件换流方式） 利用全控型器件的自关断能力进行换流。利用全控型器件的自关断能力进行换流。 在采用在采用IGBT IGBT 、电力、电力MOSFET MOSFET 、GTO GTO 、 GTRGTR等全控型器件的电路中的换流方式是器等全控型器件的电路中的换流方式是器 件换流。件换流。 阳极关断方式阳极关断方式 电网换流（电网换流（Line CommutationLine Commutation） 电网提供换流电压的换流方式。电网提供换流电压的换流方式。 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可 使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，使其关断。不需要器件具有门极可关断能力， 但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。 负载换流（负载换流（Load CommutationLoad Commutation） 强迫换流（强迫换流（Forced CommutationForced Commutation） 5.2.2 5.2.2 换流方式换流方式 器件换流器件换流适用于全控型器件。适用于全控型器件。 其余三种方式其余三种方式针对晶闸管。针对晶闸管。 器件换流和强迫换流器件换流和强迫换流属于自换流。属于自换流。 电网换流和负载换流电网换流和负载换流属于外部换流。属于外部换流。 当电流不是从一个支路向另一个支路转移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，而是在支路内部终止流通而变为零，则 称为称为熄灭。熄灭。 换流方式总结换流方式总结 以以单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路为例为例 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。 5.2.3 5.2.3 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 S S1 1 、S S 4 4 闭合，闭合，S S 2 2 、S S 3 3 断开时，负载电压断开时，负载电压u u o o 为正。为正。 S S1 1 、S S 4 4 断开，断开，S S 2 2 、S S 3 3 闭合时，负载电压闭合时，负载电压u u o o 为负。为负。 直流电 交流电 5.2.3 5.2.3 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 逆变电路最基本的工逆变电路最基本的工 作原理作原理 改变两组改变两组 开关切换频率，可改开关切换频率，可改 变输出交流电频率。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。 注意电路的功率流向 5.2.3 5.2.3 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 根据直流侧电源性质的不同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 Inverter-VSIVoltage Source Inverter-VSI 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 Inverter-CSICurrent Source Inverter-CSI 直流侧是电流源 5.3 5.3 电压型逆变电路电压型逆变电路 电路结构特点电路结构特点 由两个桥臂组成，每个桥臂 为一个可控器件和一个反并 联二极管并联。 直流侧有两个串联的大电容 ，两个电容的联结点为直流 电源的中点。 负载连接在直流电源中点和 两个桥臂的联结点之间。 C容量较大，O点电位基本 不变，A点电位取决于器件 导通情况。 5.3.1 5.3.1 单相半桥电压型逆变电路单相半桥电压型逆变电路 1818 工作原理工作原理 VT1和VT2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。 VT1或VT2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。续流二极管。 VT1，VT2不能同时导通。 优点：优点：电路简单，使用器件少。电路简单，使用器件少。 缺点：缺点：输出交流电压幅值为输出交流电压幅值为UU d d /2/2，且直，且直 流侧需两电容器串联，要控制两者电压均流侧需两电容器串联，要控制两者电压均 衡。衡。 应用：应用： 用于几用于几kWkW以下的小功率逆变电源。以下的小功率逆变电源。 单相全桥单相全桥、三相桥式都可看成若干个半三相桥式都可看成若干个半 桥逆变电路的组合。桥逆变电路的组合。 5.3.15.3.1单相半桥电压型逆变电路单相半桥电压型逆变电路 共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成 ，直流侧只有一个电容。 两对桥臂交替导通180。 5.3.2 5.3.2 单相全桥电压型逆变电路单相全桥电压型逆变电路 2121 l输出电压和电流波 形与半桥电路形状相 同，幅值高出一倍。 l无移相调压全桥电 路中，V1和V2，V3和 V4栅极信号互补，V3 比V1落后180。 l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。 l可采用移相方式调 节输出电压，这种 方式称为移相调压 l移相调压是调节输 出电压脉冲的宽度 。 5.3.25.3.2单相全桥电压型逆变电路单相全桥电压型逆变电路 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路 应用最广泛应用最广泛 5.3.3 5.3.3 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路 假想中点 5.3.3 5.3.3 三相电压型逆变电路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。 三相桥式逆变电路 基本工作方式是180导电方式。 同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，桥臂1-桥臂6开始导 电的相位依次差60，任一瞬间有三个桥臂（两个上臂一个下臂或者 一个上臂两个下臂）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。 2525 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN u UN u UV i U i d u VN u WN u NN U d U d 2 U d 3 U d 6 2U d 3 图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 工作波形 对于U相输出来说，当桥臂1导通时 ，uUN=Ud/2，当桥臂4导通时，uUN=- Ud/2，uUN的波形是幅值为Ud/2的矩形波 ，V、W两相的情况和U相类似。 负载线电压uUV、uVW、uWU可由下 式求出 负载各相的相电压分别为 (4-4) (4-5) 2626 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN u UN u UV i U i d u VN u WN u NN U d U d 2 U d 3 U d 6 2U d 3 图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 把上面各式相加并整理可求得 设负载为三相对称负载，则有 uUN+uVN+uWN=0，故可得 负载参数已知时，可以由uUN的波形 求出U相电流iU的波形，图4-10g给出的 是阻感负载下 时iU的波形。 把桥臂1、3、5的电流加起来，就可 得到直流侧电流id的波形，如图4-10h所 示，可以看出id每隔60脉动一次。 5.3.3 5.3.3 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路 l注意：为防止同一相上下桥臂开关器件同时导通而 引起直流侧电源短路，通常采取“先断后通”的方法。 即在器件关断后留一定裕量，也称为死区时间，然后 再给出应导通的器件的开通信号。 特点特点 直流侧为电压源或并联 大电容，直流侧电压基 本无