詳細(xì)逆變電路原理分析

1、第4章: 無源逆變電路,4.1 逆變器的性能指標(biāo)與分類 4.2 逆變電路的工作原理 4.3 電壓型逆變電路 4.4 電流型逆變電路 4.5負(fù)載換流式逆變電路,4.1逆變器的性能指標(biāo)與分類,1）定義：將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去。2）應(yīng)用：直流電機(jī)的可逆調(diào)速、繞線型異步電機(jī)的串級(jí)調(diào)速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。,1）定義：逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而是直接接到

2、負(fù)載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負(fù)載2）應(yīng)用：它在交流電機(jī)變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源等方面應(yīng)用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容。,1、有源逆變:,2、無源逆變：,,4.1.1逆變器的性能指標(biāo),（1）諧波系數(shù)HF：諧波分量有效值同基波分量有致值之比。,,（2）總諧波系數(shù)：總諧波系數(shù)表征了一個(gè)實(shí)際波形同其基波的接近程度。,（5）電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）,（3）逆變效率（4）單位重量的輸出功率

3、:衡量逆變器輸出率密度的指標(biāo)。,4.1.2 逆變電路的分類,① 電壓型：輸人端并接有大電容，輸入直流電源為恒壓源，逆變器將直流電壓變換成交流電壓。 ② 電流型：輸入端串接有大電感，輸入直流電源為恒流源，逆變器將輸入的直流電流變換為交流電流輸出。,,（1）、根據(jù)輸入直流電源特點(diǎn)分類,①　半橋式逆變電路； ②　全橋式逆變電路； ③　推換式逆變電路； ④ 其他形式：如單管晶體管逆變電路。,（2）、根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類,4.1.2

4、逆變電路的分類,,（3）、根據(jù)換流方式分類,（4）、根據(jù)負(fù)載特點(diǎn)分類,① 非諧振式逆變電路② 諧振式逆變電路,① 負(fù)載換流型逆變電路；② 脈沖換流型逆變電路； ③ 自換流型逆變電路。,4.1.3 逆變電路用途,1、可以做成變頻變壓電源（VVVF），主要用于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。,,2、可以做成恒頻恒壓電源（CVCF），其典型代表為不間斷電源（UPS）、航空機(jī)載電源、機(jī)車照明，通信等輔助電源也要用CVCF電源。,3、可以做成感應(yīng)加熱

5、電源，例如中頻電源，高頻電源等。,逆變器的用途十分廣泛：,4.2 逆變電路的工作原理,開關(guān)T1、T4閉合，T2、T3斷開：u0=Ud； 開關(guān)T1、T4斷開，T2、T3閉合：u0=－Ud ; 當(dāng)以頻率fS交替切換開關(guān)T1、T4和T2、T3時(shí)，則在電阻R上獲得如圖4.2.4(b)所示的交變電壓波形，其周期Ts=1/fS，這樣，就將直流電壓E變成了交流電壓uo。uo含有各次諧波，如果想得到正弦波電壓，則可通過

6、濾波器濾波獲得。,圖4.2.1 單相橋式逆變電路工作原理,,1、主要功能:,圖4.2.1(a)中主電路開關(guān)T1~T4，它實(shí)際是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的一種理想模型。逆變電路中常用的開關(guān)器件有快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）。,將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負(fù)載。,2、工作原理：,它由兩個(gè)導(dǎo)電臂構(gòu)成，每個(gè)導(dǎo)電臂由一個(gè)全控器件和一個(gè)反并聯(lián)二

7、極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容C1和C2，且滿足C1=C2。設(shè)感性負(fù)載連接在A、0兩點(diǎn)間。 T1和T2之間存在死區(qū)時(shí)間，以避免上、下直通，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)兩晶閘管均無驅(qū)動(dòng)信號(hào)。,,1.電壓型逆變電路半橋逆變電路結(jié)構(gòu)及波形：,4.3.1 電壓型單相半橋逆變電路,4.3 電壓型逆變電路,動(dòng)畫,輸出電壓有效值為: 由傅里葉分析，輸出電壓瞬時(shí)值為: 其中，

8、 為輸出電壓角頻率。 當(dāng) n=1時(shí)其基波分量的有效值為:,,(4.3.1),(4.3.2),(4.3.3),在一個(gè)周期內(nèi)，電力晶體管T1和T2的基極信號(hào)各有半周正偏，半周反偏，且互補(bǔ)。 若負(fù)載為阻感負(fù)載，設(shè)t2時(shí)刻以前，T1有驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通，T2截止，則 u0=Ud/2。 t2時(shí)刻關(guān)斷的T1，同時(shí)給T2發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)。由于感性負(fù)載中的電流i。不能立即改變方向，于是D2導(dǎo)通續(xù)流，u0=

9、－Ud /2 。 t3時(shí)刻i。降至零，D2截止，T2導(dǎo)通，i。開始反向增大，此時(shí)仍然有u0=－Ud /2 。 在t4時(shí)刻關(guān)斷T2，同時(shí)給T1發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)，由于感性負(fù)載中的電流i。不能立即改變方向，D1先導(dǎo)通續(xù)流，此時(shí)仍然有u0=Ud /2 ； t5時(shí)刻 i。降至零， T1導(dǎo)通，u0=Ud /2 ；,圖4.3.1 電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形,,2、工作原理：

10、,緩沖電感反饋的無功能量,缺點(diǎn)：,,1）交流電壓幅值僅為Ud/2；2）直流側(cè)需分壓電容器；3）為了使負(fù)載電壓接近正弦波通常在輸出端要接LC濾波器，輸出濾波器LC濾除逆變器輸出電壓中的高次諧波。,優(yōu)點(diǎn)： 簡單，使用器件少；,應(yīng)用：用于幾kW以下的小功率逆變電源；,4.3.2 電壓型單相全橋逆變電路,全控型開關(guān)器件T1和T4構(gòu)成一對(duì)橋臂，T2和T3構(gòu)成一對(duì)橋臂, T1和T4同時(shí)通、斷；T2和T3同時(shí)通、斷。T1(

11、T)4與T2(T3)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，即T1和T4有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，T2和T3無驅(qū)動(dòng)信號(hào)，反之亦然，兩對(duì)橋臂各交替導(dǎo)通180°。,,1、電路工作過程：,輸出方波電壓瞬時(shí)值： 輸出方波電壓有效值： 基波分量的有效值：,圖4.3.2 電壓型單相全橋逆變電路和電壓、電流波形圖,,(4.3.6),(4.3.4),(4.3.5),同單相半

12、橋逆變電路相比，在相同負(fù)載的情況下，其輸出電壓和輸出電流的幅值為單相半橋逆變電路的兩倍。,1）純電阻負(fù)載時(shí),0≤t＜Ts／4，Ts2≤t≤3Ts／4期間，D1、D4導(dǎo)通起負(fù)載電流續(xù)流作用，在此期間T1～T4均不導(dǎo)通。,圖4.3.2 電壓型單相全橋逆變 電路和電壓、電流波形圖,,2）電感負(fù)載時(shí),由,可得負(fù)載電流峰值為：,(4.3.7),0≤θ≤ωt期間，T1和T4有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于電流i0為負(fù)值，T1和T4不導(dǎo)通，D1、D4導(dǎo)通起負(fù)載電

13、流續(xù)流作用， u0=+Ud。 θ≤ωt≤π期間， i0為正值，T1和T4才導(dǎo)通。 π≤ωt≤π+θ期間，T2和T3有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于電流i0為負(fù)值，T2、T3不導(dǎo)通，D2、D3導(dǎo)通起負(fù)載電流續(xù)流作用， u0=－Ud 。 π+θ≤ωt≤2π期間，T2和T3才導(dǎo)通。,,3）阻感負(fù)載RL時(shí),圖4.3.2 電壓型單相全橋逆變 電路和電壓、電流波形圖,圖4.3.2

14、(e)所示是RL負(fù)載時(shí)直流電源輸入電流的波形。圖4.3.2(f)所示是RL負(fù)載時(shí)直流電源輸入電流的波形。,4.3.3 電壓型三相橋式逆變電路,電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式為180°導(dǎo)電型，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角為180°，同一相上下橋臂交替導(dǎo)電的縱向換流方式，各相開始導(dǎo)電的時(shí)間依次相差120°。 在一個(gè)周期內(nèi)，6個(gè)開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通的次序?yàn)門1→T2 →T3 →T4 →T5→T6 ，依次

15、相隔60°，任一時(shí)刻均有三個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通的組合順序?yàn)門1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每種組合工作60°。,圖4.3.3 電壓型三相橋式逆變電路,,1、工作過程：,將一個(gè)工作周期分成6個(gè)區(qū)域。 在00, ug2>0, ug3>0，則有T1，T2，T3導(dǎo)通，,,2、各相負(fù)載相電壓和線電壓波形：,根據(jù)同樣的思路可得其余5個(gè)時(shí)域的值,線電

16、壓,相電壓,圖4.3.4 電壓型三相橋式逆變電路及其工作波形,式中Ud為逆變器輸入直流電壓。,,,3、負(fù)載相電壓和線電壓幅值分析：,利用博里葉分析，其相電壓的瞬時(shí)值為：,相電壓基波幅值,(4.3.8),(4.3.9),由上式可知，負(fù)載相電壓中無3次諧波，只含更高階奇次諧波，n次諧波幅值為基波幅值的1/n。,其線電壓的瞬時(shí)值為：,線電壓基波幅值,(4.3.11),(4.3.10),由上式可知，負(fù)載線電壓中無3次諧波，只含更高階奇次諧

17、波，n次諧波幅值為基波幅值的1/n。,,表4.3.1三相橋式逆變電路的工作狀態(tài)表,4.4.1 電流型單相橋式逆變電路,當(dāng)T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷時(shí)，I0=Id ；反之，I0=-Id 。 當(dāng)以頻率f交替切換開關(guān)管T1、T4和T2、T3時(shí)，則在負(fù)載上獲得如圖 4.4.1（b）所示的電流波形。 輸出電流波形為矩形波，與電路負(fù)載性質(zhì)無關(guān)，而輸出電壓波形由負(fù)載性質(zhì)決定。 主電路開關(guān)管采用

18、自關(guān)斷器件時(shí)，如果其反向不能承受高電壓，則需在各開關(guān)器件支路串入二極管。,圖4.4.1 電流型單相橋式 逆變電路及電流波形,,1、電路工作過程：,防反相高壓,恒流大電感,4.4 電流型逆變電路,其中基波幅值I01m和基波有效值I01分別為,(4.4.1),(4.4.2),(4.4.3),,將圖4.4.1（b）所示的電流波形i0展開成傅氏級(jí)數(shù),有,2、電流波形參數(shù)計(jì)算：,圖4.4.1 電流型單相橋式 逆變電路及電流波形,

19、導(dǎo)電方式為120°導(dǎo)通、橫向換流方式，任意瞬間只有兩個(gè)橋臂導(dǎo)通。 導(dǎo)通順序?yàn)?→T2→T3→T4→T5→T6，依次間隔60°，每個(gè)橋臂導(dǎo)通120°。這樣，每個(gè)時(shí)刻上橋臂組和下橋臂組中都各有一個(gè)臂導(dǎo)通。 輸出電流波形與負(fù)載性質(zhì)無關(guān)。 輸出電壓波形由負(fù)載的性質(zhì)決定。,圖4.4.3 電流型三相橋式逆變電路原理圖及輸出電流波形,(4.4.4),,1、工作方式:,輸出電流的基波有效值I

20、01和直流電流Id的關(guān)系式為：,4.5 負(fù)載換流式逆變電路,4.5.1 并聯(lián)諧振式逆變電路 1、電路結(jié)構(gòu) 2、工作原理 3 、電路參數(shù)計(jì)算 4.5.2 串聯(lián)諧振式逆變電路 1、電路結(jié)構(gòu) 2、工作原理,,4.5.1 并聯(lián)諧振式逆變電路,負(fù)載為中頻電爐，實(shí)際上是一個(gè)感應(yīng)線圈，圖中L和R串聯(lián)為其等效電路。因?yàn)樨?fù)載功率因數(shù)很低，故并聯(lián)補(bǔ)償電容器C?！　‰娙軨和電感L、電阻R構(gòu)成并

21、聯(lián)諧振電路，所以稱這種電路為并聯(lián)諧振式逆變電路。　　本電路采用負(fù)載換流，即要求負(fù)載電流超前電壓，因此，補(bǔ)償電容應(yīng)使負(fù)載過補(bǔ)償，使負(fù)載電路工作在容性小失諧情況下。,圖4.6.1 并聯(lián)諧振式逆變電路的原理圖,,１、電路結(jié)構(gòu):,小電感，限制晶閘管電流上升率,大濾波電感,并聯(lián)諧振式逆變電路屬電流型，故其交流輸出電流波形接近矩形波，其中包含基波和各次諧波?！　　」ぷ鲿r(shí)晶閘管交替觸發(fā)的頻率應(yīng)接近負(fù)載電路諧振頻率，故負(fù)載對(duì)基波呈現(xiàn)高阻抗，而對(duì)諧

22、波呈現(xiàn)低阻抗，諧波在負(fù)載電路上幾乎不產(chǎn)生壓降，因此，負(fù)載電壓波形為正弦波。又因基波頻率稍大于負(fù)載諧振頻率，負(fù)載電路呈容性，io超前電壓uo一定角度，達(dá)到自動(dòng)換流關(guān)斷晶閘管的目的。,圖4.6.3 并聯(lián)諧振式逆變電路原理圖及其工作波形,２、工作原理：,,圖4.6.2 并聯(lián)諧振式逆變電路換流的工作過程,,逆變電路換流的工作過程,t2時(shí)刻觸發(fā)T2，T3 ，電路開始換流。由于T2，T3導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載兩端電壓施加到T1，T4的兩端，使T1，T4承

23、受負(fù)壓關(guān)斷。由于每個(gè)晶閘管都串有換相電抗器LT ，故T1和T4在t2時(shí)刻不能立刻關(guān)斷，T2，T3中的電流也不能立刻增大到穩(wěn)定值?！　≡趽Q流期間，四個(gè)晶閘管都導(dǎo)通，由于時(shí)間短和大電感Ld的恒流作用，電源不會(huì)短路?！　‘?dāng)t=t4時(shí)刻，T1、T4電流減至零而關(guān)斷，直流側(cè)電流Id全部從T1、T4轉(zhuǎn)移到T2、T3 ，換流過程結(jié)束。t4-t2=tr稱為換流時(shí)間?！　1、T4中的電流下降到零以后，還需一段時(shí)間后才能恢復(fù)正向阻斷能力，因此換流結(jié)

24、束以后，還要使T1、T4承受一段反壓時(shí)間tβ才能保證可靠關(guān)斷。tβ=t5－t4應(yīng)大于晶閘管關(guān)斷時(shí)間tq。,,圖4.6.3 并聯(lián)諧振式逆變電路原理圖及其工作波形,為了保證電路可靠換流，必須在輸出電壓u0過零前t?時(shí)刻觸發(fā)T2、T3，稱t?為觸發(fā)引前時(shí)間。為了安全起見，必須使

25、 式中k為大于1的安全系數(shù)，一般取為2~3。負(fù)載的功率因數(shù)角φ由負(fù)載電流與電壓的相位差決定，從圖3.6.3可知： 　其中ω為電路的工作頻率。,,圖4.6.3 并聯(lián)諧振式逆變　　　　工作波形

26、,（4.6.2）,（4.6.1）,如果忽略換流過程，i0為矩形波。展開成傅氏級(jí)數(shù)得,,(4.6.4),(4.6.5),(4.6.7),其基波電流有效值,逆變電路的輸入功率Pi為,逆變電路的輸出功率Po為,因?yàn)镻o=Pi，于是可求得,②負(fù)載電壓有效值U0和直流電壓Ud的關(guān)系：,①負(fù)載電流i0和直流側(cè)電流Id的關(guān)系：,(4.6.3 ),(4.6.6),其直流側(cè)采用不可控整流電路和大電容濾波，從而構(gòu)成電壓型逆變電路。電路為了續(xù)流，設(shè)置了反并聯(lián)

27、二極管D1~D4。補(bǔ)償電容C和負(fù)載電感線圈構(gòu)成串聯(lián)諧振電路。為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流，要求補(bǔ)償以后的總負(fù)載呈容性 。,圖4.6.4 串聯(lián)諧振式逆變電路,,1、電路結(jié)構(gòu),4.5.2 串聯(lián)諧振式逆變電路,設(shè)晶閘管T1、T4導(dǎo)通，電流從A流向B，uo左正右負(fù)。由于電流超前電壓， 當(dāng)t=t1時(shí)，電流為零。 當(dāng)t>t1時(shí)，電流反向。由于T2、T3未導(dǎo)通，反向電流通過二極管D1、D4續(xù)流，T1、T4承受反壓關(guān)斷。