1、电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五 电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五逆变的概念 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。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、UPS、感应加热电源等。电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五电
2、气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五以单相桥式逆变电路为例图5-1 逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率，可改变输出交流电频率。频率。图5-1 逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2
3、电阻负载电阻负载时，负载电流io o和uo o的波形相同，相位相同。阻感负载阻感负载时，io相位滞后于uo，波形不同。电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五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，也称为程，也称为换相。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。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。电气工程学院电气工程学院Electrical E
4、ngineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五1.器件换流（Device Commutation）利用全控型器件的自关断能力进行换流。2.电网换流（Line Commutation）电网提供换流电压的换流方式。3.负载换流（Load Commutation）负载提供换流电压的换流方式。4.强迫换流（Forced Commutation）电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五图5-2 负载换流电路及其工作波形 负载换流：容性负载的场合(电容电流可以突变、电容电压不能
5、突变）。tOOOOiit1b)uouoioiouvT1.4iVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4ttt电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五负载工作在接近并联谐振状态略呈容性。直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动。负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以uo接近正弦波。注意:触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足 够的裕量，才能使换流顺利完成。基本的负载换流电路电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU20
6、22年12月16日星期五4.强迫换流（Forced Commutation）电容直接提供换流电压直接耦合式强迫换流电容和电感的耦合提供换流电压或电流电感耦合式强迫换流 换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反 电流的换流方式称为强迫换流强迫换流。通常利用附加电容 储存的能量来实现，因此也称为电容换流电容换流。分类电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五直接耦合式 当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关断。也叫电压换流。图5-3直接耦合式强迫换流原理图电气工程学院电气
7、工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五电感耦合式 先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压。也叫电流换流。图5-4 电感耦合式强迫换流原理图电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五器件换流适用于全控型器件。其余三种方式针对晶闸管。器件换流和强迫换流属于自换流。电网换流和负载换流属于外部换流。换流方式总结：电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2
8、022年12月16日星期五1.1.逆变电路的分类逆变电路的分类 _根据直流侧电源性质的不同电压型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电压源电流型逆变电路Current Source Type Inverter-CSTI直流侧是电流源电流源电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五1.半桥逆变电路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2u图56 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形工作原理V1和V2
9、栅极信号一周期内两者互补，uo o为矩形波，幅值为Um=Ud/2。V1或V2通时，io和uo o同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io o和uo o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，又称续续流二极管流二极管。电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五优点：电路简单，器件少。缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，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。电气工程学院电气工
10、程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五2.全桥逆变电路共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。V1和V4，V2和V3两对桥臂交替导通180。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。改变uo 的有效值只能通过改变Ud d实现。电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五ttOOONoUd-Udiot1t2t3t4t5t6V4VD 4VD 2uVD 1V1VD 3V3V2tOouootuG2uG3uG4uG1两对桥臂交替导通
11、180工作方式。V4VD 4VD 2VD 1V1VD 3V3V2电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五11411(sinsin3sin5)3541.272 2oO mOuUtttUUUUUdddd基波幅值：基波有效值：定量分析。电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五V3的基极信号比V1落后q（0 q 180）。输出电压为正负脉宽各为q的脉冲。改变q可调节输出电压。阻感负载移相方式调节输出 电 压 移 相 调
12、压。电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五tOtOtOtOtOuG1uG2uG3uG4uoiot2t3t5iouot1t4t6VD4VD1V1V4V1VD3VD2VD3V3V2VD4V2电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五3.带中心抽头变压器的逆变电路图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路交替驱动两个IGBT，负载电压为交流矩形波。二极管的作用:提供无功能量反馈通道。*电气工程学院电气工程学院Electric
13、al Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五Ud和负载参数相同，变压器变比为1：1时，uo和io o波形及幅值与全桥逆变电路相同。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。电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五三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电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Instit
14、ute of NEDU2022年12月16日星期五基本工作方式基本工作方式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，也称为纵向换流纵向换流。波形分析波形分析电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五负载各相到N的电压：U相：1通、4止，uUN=Ud/2，4通、1止，uUN=-Ud/2。负载线电压负载相电压 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu NN WNWN NN VNVN NN
15、UNUNuuuuuuuuu图图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五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。)(31)
16、(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu)(31 WN VN UNNNuuuu电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五定量分析22012 31111(sinsin5sin7sin11sin13)5711132 31sin1sin10.816260.78211(sinsin5s57UVknUVUVUVUNuUtttttUtntnkknUudtUUUUuUttdddddd负载线电压：式中，=61;为自然数负载线电压有效值：基波有效值：负载相电压：220111in7sin11sin13)111
17、321sin1sin10.47120.45knUNUNUVtttUtntnkknUudtUUUddd式中，=61;为自然数负载相电压有效值：相电压基波有效值：电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五电压型逆变电路逆变电路输出电压是矩形波。输出电压是矩形波。电流型逆变电路逆变电路输出电流是矩形波。输出电流是矩形波。多重逆变电路组合几个矩形波，接近正弦。组合几个矩形波，接近正弦。多电平逆变电路输出较多电平，接近正弦。输出较多电平，接近正弦。电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering
18、 Institute of NEDU2022年12月16日星期五多重逆变电路 电压型、电流型都可多重化。单相电压型二重逆变电路输出波形：两个单相的输出u1和u2是180矩形波。u1和u2相位错开j=60,3次谐波错开了360=180。uo波形是120矩形波，含6k1次谐波，3k次谐波都被抵消。图5-21 二重逆变电路的工作波形12060180tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo图5-20 二重单相逆变电路电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五三相电压型二重逆变电路的工作原理的工作原理3图5-22
19、三相电压型二重逆变电路两个三相桥式逆变电路，输出变压器串联合成。逆变电路为180导通方式。输出线电压为120 T1为/Y联结。T2一次侧联结，二次侧两绕组曲折星形接法。逆变桥II的相位比逆变桥I滞后30 UA21滞后UA130，UU2超前UA2130。T2二次与T1二次匝比为1/因此，uU2和uU1的基波相位相同。3电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五具体数量关系见教材P147。含谐波次数为n=12k1,直流侧电流每周期脉动12次，称为12脉波逆变电路。使m个三相桥逆变电路的相位依次错开/(3m)，
20、连同合成输出电压并抵消上述相位差的变压器，就可构成6m的脉波逆变电路。UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud图5-23 二次侧基波电压合成相量图 图5-24 三相电压型二重逆变电路波形图 电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五回顾图5-9三相电压型桥式逆变电路和图5-10的波形。以N为参考点，输出相电压有Ud/2和-Ud/2两种电平，称为两电平逆变电路。图5-1
21、0 电压型三相桥式逆变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五 三电平逆变电路也称也称中点钳位型（Neutral Point Clamped）逆变电路每桥臂由两个全控器件串每桥臂由两个全控器件串联构成，两者中点通过钳联构成，两者中点通过钳位二极管和直流侧中点相位二极管和直流侧中点相连连。图5-25 三电平逆变电路电气工程学院电气工程学院Electric
22、al Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五以以U相为例分析工作情况为例分析工作情况V V1111和和V V1212（或（或VDVD1111和和VDVD1212）通，通，V V4141和和V V4242断，断，UOUO间电间电位差为位差为U Ud d/2/2。V V4141和和V V4242（或（或VDVD4141和和VDVD4242）通，通，V V1111和和V V1212断，断，UOUO间间电位差为电位差为-U Ud d/2/2。V V1212和和V V4141导通，导通，V V1111和和V V4242关关断时断时，UOUO间电位差为间电位
23、差为0 0。V V1212和和V V4141不能同时导通。不能同时导通。iU0时，时，V V1212和和VDVD1 1导通。导通。iU0时，时，V V4141和和VDVD4 4导通。导通。图5-25 三电平逆变电路电气工程学院电气工程学院Electrical Engineering Institute of NEDU2022年12月16日星期五线电压的电平相电压相减得到线电压。相电压相减得到线电压。两电平逆变电路的输出线电压有两电平逆变电路的输出线电压有Ud和和0三种电平。三种电平。三电平逆变电路的输出线电压有三电平逆变电路的输出线电压有Ud、Ud/2和和0五种电平。五种电平。三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路。电路。三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半。电压为直流侧电压的一半。
