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第三章 逆变电路第三章第三章 逆变电路逆变电路 在实际应用中除了将交流电能变换直流电能外，还需将直流电能换成交流电能，这种对应于整流的逆向过程称为逆变逆变。完成这一变换过程的电路称为逆变电路。在一定条件下，同一晶闸管电路既可作整流又可作逆变，这种电路为变流电路或变流器。如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，直流电逆变成与电网同频率的交流电反送至电网上，称为有源逆变有源逆变。如果将电路的交流侧直接与负载连接，将直流电逆变成某一频率或频率可调的交流电供给负载，称为无源逆变无源逆变。高高 校校 教教 材材 网网2第三章第三章 逆变电路逆变电路3.1 3.1 电力电子器件的换流方式电力电子器件的换流方式 电流从一个支路向另一个支路的转移的过程称为换流，换流又常被称为换相。一般来说，电力电子电路有四种换流方式：1、器件换流 利用全控型器件自身具有的自关断能力实现换流称为器件换流。2、电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流。3、负载换流 由负载提供换流电压称为负载换流。高高 校校 教教 材材 网网34、脉冲换流 设置附加的换流电路，向导通的晶闸管施加反向电压或从导通的晶闸管控制级施加反向电流，使晶闸管强迫关断，称为脉冲换流。又称强迫换流。脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流两种。第三章第三章 逆变电路逆变电路3.1 3.1 电力电子器件的换流方式电力电子器件的换流方式 高高 校校 教教 材材 网网4第三章第三章 逆变电路逆变电路3.2 3.2 有源逆变电路有源逆变电路 有源逆变电路主要应用于直流电机的可逆调速、绕线转子异步电动机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等领域。3.2.1 3.2.1 有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理1、直流电能的传递 有两个电源，一个是电池，一个是具有电动势的直流电动机，其电路的连接方式有三种。高高 校校 教教 材材 网网5由上述分析可知：（1）两个电源同极相接时，电流总是从电动势高处流向电动势低处，电路中电流的大小为两电动势之差与回路电阻的比值。如果回路电阻很小，很小的电动势差也可产生足够大的电流，使两个电源系统之间交换很大的功率。（2）电流从正端流出的电源输出功率，电流从正端流入的电源接受功率。（3）两个直流电源反极性相接时，如果回路电阻很小，回路中的电流将很大，这实际上相当于两个电源短路。在工作中应严防这种事故的发生。第三章第三章 逆变电路逆变电路3.2 3.2 有源逆变电路有源逆变电路 高高 校校 教教 材材 网网67第三章第三章 逆变电路逆变电路3.3 3.3 无源逆变电路无源逆变电路 无源逆变是将直流电转换为负载所需要的不同频率和电压值的交流电。无源逆变技术在国防、生产和生活中应用广泛，如感应加热、不间断电源、高频直流焊机、交流传动的变频调速、高频电子镇流器、快速充电等等。实现无源逆变的电路称为无源逆变器。高高 校校 教教 材材 网网8大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静9第三章第三章 逆变电路逆变电路3.3 3.3 无源逆变电路无源逆变电路3.3.1 无源逆变电路的工作原理 高高 校校 教教 材材 网网10第三章第三章 逆变电路逆变电路3.3 3.3 无源逆变电路无源逆变电路3.3.2 无源逆变电路的分类1、逆变器基本上分为单相与三相两大类，单相逆变器适应中小功率，三相逆变器适用于中大功率。2、按特点进行分类。u按输入直流电源特点分类（1）电压型：输入直流电源为恒压源。（2）电流型：输入直流电源为恒流源。高高 校校 教教 材材 网网11u按电路的结构特点分类（1）半桥式逆变电路（2）全桥式逆变电路（3）推挽式逆变电路u按所用器件的换流方式分类（1）负载换流型逆变电路（2）脉冲换流逆变电路（3）自换流型逆变电路u按输出波形特点分类（1）正弦波逆变器（2）方波及其它非正弦波逆变器第三章第三章 逆变电路逆变电路3.3 3.3 无源逆变电路无源逆变电路3.3.2 无源逆变电路的分类 高高 校校 教教 材材 网网12第三章第三章 逆变电路逆变电路3.4 3.4 负载换流式逆变电路负载换流式逆变电路 在晶闸管逆变电路中，采用负载换流方式时，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。本节主要介绍两种负载换流式逆变电路，串联式谐振逆变电路和并联式谐振逆变电路。谐振式逆变电路是指当负载与电容构成RLC电路且满足谐振条件时的逆变电路。谐振式逆变电路有电压型串联式谐振和电流型并联式谐振两种。串联式谐振逆变电路，其输出电压为方波，负载电流波形接近正弦波；并联式谐振逆变电路输出电压接近正弦波，负载电流波形为方波。高高 校校 教教 材材 网网13第三章第三章 逆变电路逆变电路3.4 3.4 负载换流式逆变电路负载换流式逆变电路3.4.1 串联式谐振逆变电路1、电路结构 高高 校校 教教 材材 网网14第三章第三章 逆变电路逆变电路3.4 3.4 负载换流式逆变电路负载换流式逆变电路3.4.1 串联式谐振逆变电路2、工作原理 串联式谐振逆变电路电流、电压的主要波形如图3-11所示。因为是电压型逆变电路，其输出电压为方波，其中包含基波和各次谐波。工作时，将逆变频率调谐在负载谐振频率附近，负载对基波电压呈现低阻抗，对谐波分量呈现高阻抗，负载流过较大的基波电流，而高次谐波电流可忽略不计，即负载端可获得正弦的输出电流。高高 校校 教教 材材 网网15第三章第三章 逆变电路逆变电路3.4 3.4 负载换流式逆变电路负载换流式逆变电路3.4.2 并联谐振式逆变电路 图3-12为并联谐振式逆变电路的原理图。其直流电源Vc由工频交流电源经三相可控整流获得，经过大电感Ld滤波，通过并联逆变电路将直流电逆变为中频交流供给负载，属于电流型逆变电路。逆变电路有四个桥臂，桥臂分别由一个快速晶闸管和换流电抗器串联组成。1、电路结构 高高 校校 教教 材材 网网16第三章第三章 逆变电路逆变电路3.4 3.4 负载换流式逆变电路负载换流式逆变电路3.4.2 并联谐振式逆变电路2、工作原理 高高 校校 教教 材材 网网17第三章第三章 逆变电路逆变电路3.4 3.4 负载换流式逆变电路负载换流式逆变电路3.4.2 并联谐振式逆变电路2、工作原理 因并联谐振式逆变电路属电流型，当逆变桥中上下臂。晶闸管以一定频率交替触发导通时，在负载上产生交变矩形波电流，其中包含基波和各奇次谐波。工作时，晶闸管交替触发的频率与负载回路的谐振频率相接近，负载电路工作在谐振状态，故负载对基波呈现高阻抗，而对各奇次谐波呈现低阻抗。高高 校校 教教 材材 网网18第三章第三章 逆变电路逆变电路3.5 3.5 电压型逆变电路电压型逆变电路3.5.1 单相半桥逆变电路 直流侧电源是电压源的逆变电路为电压型逆变电路。电压型逆变电路在交流传动、不间断电源、有源无功补偿等领域占主导地位。半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。直流侧两个相互串联大电容的中点作为直流电源的中点，负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。高高 校校 教教 材材 网网19第三章第三章 逆变电路逆变电路3.5 3.5 电压型逆变电路电压型逆变电路3.5.1 单相半桥逆变电路 高高 校校 教教 材材 网网20 当VT1或VT2导通时,负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供电能；当VD1或VD2导通时，负载电流和电压反方向，负载中电感的能量向直流侧反馈，反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，电容器起缓冲这种无功能量的作用。为了防止上、下桥臂的可控器件同时导通引起直流侧电源的短路，要先给应关断的器件关断信号，然后再给应导通的器件发出开通信号，就是在两者之间留一个死区时间。第三章第三章 逆变电路逆变电路3.5 3.5 电压型逆变电路电压型逆变电路3.5.1 单相半桥逆变电路 高高 校校 教教 材材 网网21第三章第三章 逆变电路逆变电路3.5 3.5 电压型逆变电路电压型逆变电路3.5.2 单相全桥逆变电路 电路共有四个桥臂，桥臂VT1和VT4作为一组，桥臂VT2和VT3作为另一组，同一组的两桥臂同时导通与关断，两组桥臂交替各导通180。高高 校校 教教 材材 网网22第三章第三章 逆变电路逆变电路3.5 3.5 电压型逆变电路电压型逆变电路3.5.2 单相全桥逆变电路 高高 校校 教教 材材 网网23第三章第三章 逆变电路逆变电路3.5 3.5 电压型逆变电路电压型逆变电路3.5.3 三相桥式逆变电路 高高 校校 教教 材材 网网24 电路由三个半桥电路组成。电容器在实际中可用一个，但为了分析方便画成两个，并有一个假想的中性点N。由于输入端施加的是直流电压源，电力晶体管VT1-VT6始终保持正向偏置，VD1-VD6是与VT1-VT6反并联的二极管，其作用是为感性负载提供续流回路。同一半桥，上下两个桥臂以180间隔交替开通和关断，VT1-VT6以60的相位差依次开通和关断，所在任一瞬间将有三个桥臂同时导通，在逆变器输出端形成A、B、C三相电压。第三章第三章 逆变电路逆变电路3.5 3.5 电压型逆变电路电压型逆变电路3.5.3 三相桥式逆变电路 高高 校校 教教 材材 网网2526第三章第三章 逆变电路逆变电路3.5 3.5 电压型逆变电路电压型逆变电路3.5.3 三相桥式逆变电路 设N与N连接，负载为星形连接。在0t/3之间，VT1、VT5和VT6导通。负载电流经VT1和VT5被送到A相和C相绕组，经b相负载和VT6流回电源。在t=/3时刻，VT5的触发脉冲下降到零，VT5迅速关断，由于感性负载电流不能立即改变方向，VD2导通续流，C相负载失压为零电位。其他两相电流通路不变。当VD2中续流结束时，C相电流反向经VT2流回电源。高高 校校 教教 材材 网网27 假设负载为阻性负载且三相负载对称，在0t/3之间，VT1、VT5和VT6导通，逆变桥的等效电路如图3-20所示。由图可知，A相和C相负载上电压为Ud/3，B相负载上电压为2Ud/3。同理，在/3t2/3之间，A相负载上电压为2/3Ud，B相和C相负载上电压为1/3Ud。在2/3t之间，A相和B相负载电压为1/3Ud，C相负载上电压为2/3Ud。A相电压UAN波形如图3-21所示。B相和C相电压波形与UAN相似，只是相位依次相差120。第三章第三章 逆变电路逆变电路3.5 3.5 电压型逆变电路电压型逆变电路3.5.3 三相桥式逆变电路 高高 校校 教教 材材 网网28第三章第三章 逆变电路逆变电路3.5 3.5 电压型逆变电路电压型逆变电路3.5.3 三相桥式逆变电路 为了防止同一相上下桥臂同时导通造成直流侧电源短路，在换流时，必须采取“先断后通”的方法。高高 校校 教教 材材 网网29第三章第三章 逆变电路逆变电路3.5 3.5 电压型逆变电路电压型逆变电路3.5.3 三相桥式逆变电路 高高 校校 教教 材材 网网30第三章第三章 逆变电路逆变电路3.5 3.5 电压型逆变电路电压型逆变电路3.5.4 电压型逆变电路的特点电压型逆变电路主要有以下特点：（1）由于直流电压源的恒压作用，交流侧电压为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出的电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。（2）当交流侧为电感性负载时，逆变桥臂都并联有反馈二极管，为电感向直流侧反馈能量提供通路。（3）直流侧为电压源，直流回路呈现低阻抗。高高 校校 教教 材材 网网31第三章第三章 逆变电路逆变电路3.6 3.6 电流型逆变电路电流型逆变电路直流侧为电流源的逆变电路为电流型逆变电路。3.6.1 电流型单相桥式逆变电路 高高 校校 教教 材材 网网32第三章第三章 逆变电路逆变电路3.6 3.6 电流型逆变电路电流型逆变电路3.6.1 电流型单相桥式逆变电路 当V1、V4导通，V2、V3关断时，I0=Id；当V2、V3导通时，V1、V4关断时，I0=-Id。当图中V1、V4和V2、V3以频率f轮流导通时，在负载即可得到如图3-22（b）所示的电流波形。因是电流型逆变电路，所以输出电流的波形不变，接近于矩形波，而输出电压波形由负载性质决定。电路中串接二极管，防止电流反向流动。高高 校校 教教 材材 网网33负载电流i0为矩形波，展开成傅里叶级数，有i0=4Id/（sint+1/3sin3t+1/5sin5t+）其中基波分量（的有效值为）的幅值为：I01m=4Id/=1.27Id （3-13）基波分量的有效值为：I01=4Id/=0.9Id （3-14）第三章第三章 逆变电路逆变电路3.6 3.6 电流型逆变电路电流型逆变电路3.6.1 电流型单相桥式逆变电路 高高 校校 教教 材材 网网34第三章第三章 逆变电路逆变电路3.6 3.6 电流型逆变电路电流型逆变电路3.6.2 电流型三相桥式逆变电路 电流型三相桥式逆变电路的基本工作方式是120导通方式，每个开关元件导通为120，V1-V6依次以间隔60导通。任何时候只有两个桥臂导通，不会发生同一桥臂两元件直通现象，换流时，是在上桥臂组或下桥臂组内依次换流。高高 校校 教教 材材 网网35第三章第三章 逆变电路逆变电路3.6 3.6 电流型逆变电路电流型逆变电路3.6.2 电流型三相桥式逆变电路 输出电流基波分量的有效值I1和直流电流Id的关系为：I1=/Id=0.78Id （3-15）高高 校校 教教 材材 网网36第三章第三章 逆变电路逆变电路3.6.3 电流型逆变电路的特点3.6 3.6 电流型逆变电路电流型逆变电路（1）电路中开关器件起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关。交流侧输出电压波形及相位与负载阻抗有关。（2）直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，因此开关器件不需并联二极管。高高 校校 教教 材材 网网37第三章第三章 逆变电路逆变电路本本 章章 小小 结结 逆变电路在电力电子电路中占有十分突出的位置，在实际应用中除了将交流电能变换成直流电能外，还需将直流电能变换成交流电能，这种对应于整流的逆向过程称为逆变。在本章中首先介绍了换流方式。在逆变电路中换流的概念体现的最为集中。换流方式分为外部换流和自然换流两大类。外部换流包括电网换流和负载换流两种，自然换流包括器件换流和强迫换流两种。换流是电力电子电路的一个重要的基本概念。高高 校校 教教 材材 网网383-1 什么是逆变？它与整流有何区别？3-2 无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？3-3 换流方式有哪几种？各有什么特点？3-4 什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有何特点？第三章第三章 思考题与习题思考题与习题 高高 校校 教教 材材 网网39