j 第4章 逆变电路 4.1换流方式 4.2电压型逆变电路 4.3电流型逆变电路 4.4多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结 机械电气工程学院电气教研室 电力电子技术
第4章 逆变电路 4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结
引言 ★ ■逆变的概念 ◆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，本章主要讲述无源逆变。 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。 ■逆变电路的主要应用 ◆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。 机械电气工程学院电气教研室 2/47 电力电子技术
2/47 引言 ■逆变的概念 ◆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，本章主要讲述无源逆变。 ■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。 ■逆变电路的主要应用 ◆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。 ★
4.1换流方式 4.1.1逆变电路的基本工作原理 4.1.2换流方式分类 机械电气工程学院电气教研室 3/47 电力电子技术
3/47 4.1 换流方式 4.1.1 逆变电路的基本工作原理 4.1.2 换流方式分类
4.1.1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 ◆S1S,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3 a) b) 图4-1逆变电路及其波形举例 ◆当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压4为正；当开关S1、S,断开， S2、S3闭合时，u为负，这样就把直流电变成了交流电。 ◆改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 ◆电阻负载时，负载电流i和山的波形相同，相位也相同。 机械电气工程学院电气教研室 4/47 电力电子技术
4/47 4.1.1 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 S1 S2 S3 S4 i o u o Ud u o i o t 1 t 2 ◆当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；当开关S1、S4断开， S2、S3闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。 ◆改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 ◆电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。 图4-1 逆变电路及其波形举例
4.1.1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 ◆SS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S a) b) 图4-1逆变电路及其波形举例 ◆当开关S1、S,闭合，S2、S3断开时，负载电压4为正；当开关S1、S4断开， S2、S3闭合时，u为负，这样就把直流电变成了交流电。 ◆改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 ◆阻感负载时，i相位滞后于u。,波形也不同。 机械电气工程学院电气教研室 5/47 电力电子技术
5/47 4.1.1 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 S1 S2 S3 S4 i o u o Ud u o i o t 1 t 2 ◆当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；当开关S1、S4断开， S2、S3闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。 ◆改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 ◆阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。 图4-1 逆变电路及其波形举例
4.1.2换流方式分类 换流 ◆电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。 ◆研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 女■换流方式分为以下几种 ◆器件换流(Device Commutation) r利用全控型器件的自关断能力进行换流。 m在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控 型器件的电路中的换流方式是器件换流。 ◆电网换流(Line Commutation) 一电网提供换流电压的换流方式。 m将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关 断。不需要器件县有门极可关断能力，但不适用于没有 交流电网的无源逆娄电路。 机械电气工程学院电气教研室 6/47 电力电子技术
6/47 4.1.2 换流方式分类 ■换流 ◆电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。 ◆研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 ■换流方式分为以下几种 ◆器件换流（Device Commutation） ☞利用全控型器件的自关断能力进行换流。 ☞在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控 型器件的电路中的换流方式是器件换流。 ◆电网换流（Line Commutation） ☞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。 ★
4.1.2换流方式分类 ◆负载换流（Load Commutation) 7T3 r由负载提供换流电压的换流方式。 r负载电流的相位超前于负载电压的场合， 都可实现负载换流，如电容性负载和同步电 动机。基本的负载换流逆变电路如图4-2a 一整个负载工作在接近并联谐振状态而略 呈容性，直流侧串大电感，工作过程可认为 VTI VT4 i基本没有脉动。 V负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小， @t 所以u接近正弦波。 V注意触发VT2、VT3的时刻t必须在u过 @t 零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完 b) 图4-2负载换流电路及其工作波形 成。 机械电气工程学院电气教研室 7/47 电力电子技术
7/47 4.1.2 换流方式分类 a) u ω t ω t ω t ωt O O O O i i t1 b) o uo i o i o uVT iVT1 iVT4 iVT2 iVT3 u VT1 u VT4 图4-2 负载换流电路及其工作波形 ◆负载换流（Load Commutation） ☞由负载提供换流电压的换流方式。 ☞负载电流的相位超前于负载电压的场合， 都可实现负载换流，如电容性负载和同步电 动机。基本的负载换流逆变电路如图4-2a ☞整个负载工作在接近并联谐振状态而略 呈容性，直流侧串大电感，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
4.1.2换流方式分类 ◆强迫换流(Forced Commutation) r设置附加的换流电路，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。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现， 因此也称为电容换流。 r分类 √直接耦合式强迫换流：由换流电路内电容 直接提供换流电压。 负载 √电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的 电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。 m直接耦合式强迫换流 图4-3直接耦合式 V如图4-3，当晶闸管VT处于通态时，预先给 强迫换流原理图 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。 机械电气工程学院电气教研室 8/47 电力电子技术
8/47 4.1.2 换流方式分类 ◆强迫换流（Forced Commutation） ☞设置附加的换流电路，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。 ☞通常利用附加电容上所储存的能量来实现， 因此也称为电容换流。 ☞分类 √直接耦合式强迫换流：由换流电路内电容 直接提供换流电压。 √电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的 电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。 ☞直接耦合式强迫换流 √如图4-3，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4-3 直接耦合式 强迫换流原理图
4.1.2换流方式分类 r电容电感耦合式强迫换流 V图4-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断，图4-4b中晶闸管在LC振荡 第二个半周期内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。 在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时 关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。 √也叫电流换流。 图4-4电感耦合式强迫换流原理图 ■换流方式总结 ◆器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。 ◆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。 ◆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，则称为熄灭。 机械电气工程学院电气教研室 9/47 电力电子技术
9/47 4.1.2 换流方式分类 ☞电容电感耦合式强迫换流 √图4-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断，图4-4b中晶闸管在LC振荡 第二个半周期内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。 √在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时 关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。 √也叫电流换流。 图4-4 电感耦合式强迫换流原理图 ■换流方式总结 ◆器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。 ◆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。 ◆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，则称为熄灭
4.2电压型逆变电路 4.2.1单相电压型逆变电路 4.2.2三相电压型逆变电路 机械电气工程学院电气教研室 10/47 电力电子技术
10/47 4.2 电压型逆变电路 4.2.1 单相电压型逆变电路 4.2.2 三相电压型逆变电路