逆变器电路的基本工作原理

. 第五章逆变器电路的主要内容: 换流方式，电压型逆变器电路，电流型逆变器电路，多逆变器电路和多电平逆变器电路. 重点: 换向方式，电压型逆变电路. 难点: 电压型逆变器电路，电流型逆变器电路. 基本要求: 掌握换向方法，掌握电压型逆变器电路，了解电流型逆变器电路，了解多逆变器电路和多电平逆变器电路. 逆变器概念: 逆变器的直流电变为交流电，对应于整流. 本章无源逆变器电路的应用: 当电池，干电池，太阳能电池等直流电源为交流负载供电时，需要逆变器电路. 电力电子设备的核心部件，例如用于交流电动机调速的逆变器，不间断电源和感应加热电源，都是逆变器电路. 本章仅讨论逆变器电路的基本内容. 在第6章PWM控制技术和第8章组合转换器电路中，将进一步扩展逆变器电路的内容. 1变流器方式（1）逆变器电路单相的基本工作原理以桥式逆变器电路为例: S1〜S4是桥式电路的四个分支，由电力电子设备和辅助电路组成. 当S1和S4闭合而S2和S3断开时，负载电压uo为正S1；当S1和S4断开而S2和S3闭合时，uo为负，将直流电转换为交流电. 通过改变两组开关的开关频率，可以改变输出交流频率. 图5-1逆变器电路及其波形示例对于阻性负载，负载电流io和uo具有相同的波形和相同的相位.

当抵抗感性负载时，io滞后于uo，并且波形也不同（图5-1b）. ..t1之前: S1，S4通过，uo和io为正. 在时间t1，断开S1和S4，断开S2和S3，uo变为负值，但是io不能立即反转. io从电源的负极流出，通过S2，负载和S3流回到正极，负载电感能量反馈到电源，io逐渐减小，t2随时间减小到零（2）电流-将电流从一个分支转移到另一个分支的过程，也称为换向. 开启: 适当的栅极驱动信号可以将其开启. 关机: 可以通过门关闭完全受控的设备. 半受控设备的晶闸管必须在外部条件下关闭. 通常，在晶闸管电流过零以关断之后，施加一定时间的背压. 研究换向方法主要是研究如何关闭设备. 本章中的换向和换向方法问题是最全面，最集中的. 因此，本章介绍1. 设备换向使用完全受控的设备的自关机功能进行设备换向（Device Commutation）. 2.电网换向电网提供的换向电压称为电网换向（Line Commutation）. 采用相位控制模式的可控整流器电路，交流稳压器电路和交流-交流变频电路不需要设备具有关断栅极的能力，也不需要额外的换向组件. 3.负载换向负载提供的换向电压称为负载换向（Load Commutation）.

当负载电流相超过负载电压时，可以实现负载换向. 当负载是电容性负载并且负载是同步电动机时，可以实现负载换向. 图5-2负载换向电路及其工作波形基本负载换流逆变器电路: 采用晶闸管，负载: 电阻和电感串联，然后与电容器并联，工作在接近并联谐振且略带电容的状态. 连接电容器可改善负载功率因数，使其具有较小的电容性. 大电感Ld在直流侧串联连接，并且id没有脉动. 工作过程: 四臂切换仅改变电流路径，负载电流基本上为矩形波. 负载在与基波电流接近并联谐振的状态下工作，对基波的阻抗很大，而对谐波的阻抗很小. uo波形接近正弦波. 在t1之前: VT1和VT4打开，VT2和VT3关闭，并且uo和io均为正. 当VT2和VT3的电压为uo时，将触发t1: 触发VT2和VT3开启，并将uo加到VT4和VT1以承受背压. 断开时，电流从VT1，VT4变为VT3，VT2. t1必须有足够的余量，然后uo才能过零，以便可以成功完成换向. 4.强制换向设置一个附加的换向电路. 强制将反向电压或反向电流施加到要关闭的晶闸管的换向方法称为强制换向（Forced Commutation）. 通常是通过附加电容器中存储的能量来实现的，也称为电容器换向.

直接耦合强制换向-换向电压由换向电路中的电容器提供. 当VT接通时，首先对电容器C充电. 当S闭合时，可通过施加背压来关闭晶闸管. 图5-3直接耦合强制换向电感耦合强制换向–通过换向电路中的电容和电感耦合提供换向电压或换向电流. 两种类型的电感耦合强制换向: 图5-4a在LC振荡的前半部分关闭晶闸管. 在图5-4b中，晶闸管在LC振荡的后半个周期关闭. 图5-4电感耦合强制换向. 向晶闸管施加反向电压以将其关断的换向也称为电压换向（图5-3）. 首先，晶闸管电流减小到零，然后通过反并联二极管的反电压换向称为电流换向（图5-4）. 设备换向适用于完全受控的设备. 剩余的三种方法-晶闸管. 设备换向和强制换向属于自换向. 电网换向和负荷换向属于外部换向. 当电流没有从一个分支转移到另一个分支，而是停止在分支内循环并变为零时，则称该电流消失了. 2电压型逆变器电路逆变器电路根据其直流电源的性质分为两种: 电压型逆变器电路或电压源逆变器电路，电流型逆变器电路或电流源逆变器电路. 图5-1的具体实现电路. 图5-5电压型逆变器电路（全桥逆变器电路）示例电压型逆变器电路的特性（1）直流侧是电压源或并联的大电容器，直流侧基本上没有电压的纹波（2）输出电压为矩形波，并且由于负载阻抗不同，输出电流也不同（3）应对电阻性负载提供无功功率.

为了提供从交流侧反馈到直流侧的无功功率通道，逆变器桥各臂的反馈桥并联连接（1）单相电压型逆变器电路1. 半桥逆变器电路的电路结构: 见图5-6. 工作原理: V1和V2的门信号是半周期正向偏置和半周期反向偏置的互补信号. uo是一个矩形波，幅度为Um = Ud / 2，io波形随负载而变化，当感性负载如图5-6b所示时，当V1或V2接通时，io和uo方向相同，并提供直流侧负载. 能量，当VD1或VD2打开时，io和uo反转，电感器中的能量存储被反馈到DC侧，VD1，VD2被称为反馈二极管，并且也使io连续，也称为续流二极管. 图5-6单相半桥电压型逆变器电路及其工作波形优点: 简单，使用设备少缺点: 交流电压幅度Ud / 2，直流侧需要两个电容器串联低功率逆变器低于几千瓦的电源. 单相全桥和三相桥可以看作是几个半桥逆变器电路的组合. 2.全桥逆变器电路电路结构和工作条件: 图5-5是两个半桥电路的组合. 一对桥臂1和4，另一对2和3，一对桥臂同时导通，每根桥臂交替导通180°. uo波形与图5-6b相同. 半桥电路的uo是Um = Ud的两倍. io波形与图5-6b中的io相同，并且振幅加倍，这是单相逆变器电路中使用最多的.

将输出电压uo定量分析为傅立叶级数（5-1）基本幅值（5-2）基本有效值（5-3）uo在正负各为180°时，改变输出电压有效值只能通过更改Ud来实现. 相移电压调节方法（图5-7）. 相移模式可用于调节逆变器电路的输出电压，这称为相移电压调节. 每个门信号是180？向前倾斜180？反向偏置，并且V1和V2是互补的，并且V3和V4之间的互补关系不变. V3的基极信号仅比V1滞后q（0

使用最广泛的三相桥式逆变器电路可视为由三个半桥式逆变器电路组成. 180°导通法: 每个桥臂导通180°，同一相的上，下臂交替导通，每相开始之间的角度差为120°. 在任何时刻，三个桥臂同时导通，并且每个换相处于同一相位，在上臂和下臂之间执行，也称为纵向换相. ..波形分析: 图5-9三相电压型桥式逆变器电路图5-10电压型三相桥式逆变器电路的工作波形从各相到电源中点的电压: U相，1次通过，UUN？= Ud / 2，4路，uUN？=-Ud / 2. ..负载线电压（5-4）负载相电压三相负载时，负载中点与电源中点之间的电压（5-5）（5-6）uUN + uVN + uWN = 0由于是对称的，因此（5-7）使用公式（5-5）和（5-7）绘制uUN，uVN，uWN波形. 当负载已知时，可以从uUN波形获得iU波形. 相上下臂之间的换向过程类似于半桥电路的换向过程. 可以将臂1、3和5的电流相加以获得直流侧的电流id的波形. id每60°发生一次脉动，直流电压基本上没有脉动，因此逆变器从直流侧到交流侧的功率脉动，这是电压型逆变器电路的特性. 定量分析: 输出线电压uUV扩展为傅立叶级数，其中k为自然数. 输出线电压有效值基波振幅基波有效值b. 负载相电压uUN扩展为傅立叶级数: . （5-8）（5-9）（5-10）（5-11）. 式中，k为负载相电压基波幅值的自然数（5-12）有效值（5-13）（5 -14）. 基波的有效值防止上下臂的开关装置从同一阶段开始，通过“先破后断”的方法.

（5-15）3电流型逆变器电路直流电源是具有电流源-电流型逆变器电路的逆变器电路. 通常，在直流侧串联一个大电感，并且电流纹波非常小，可以将其视为直流电流源. 一个示例: 图5-11电流型三相桥式逆变器电路. 交流侧电容器用于吸收换向期间存储在负载电感中的能量. 图5-11电流型三相桥式逆变器电路电流型逆变器电路的主要特点: （1）直流侧的大电感等效于电流源. ..（2）交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位根据负载而变化. （3）直流侧的电感充当非功能性能量的缓冲，因此不必将开关设备与反并联二极管连接. 在电流型逆变器电路中，使用半控制装置的电路仍被广泛使用. 换向方法包括负载换向和强制换向. （1）单相电流型逆变器电路图5-12单相桥电流型（并联谐振）逆变器电路4个桥臂，每个桥臂晶闸管都有一个串联的电抗器. 晶闸管导通时，LT限制di / dt. 1、4、2、3以1000〜2500Hz的中频交替导通，可获得中频交流电. 负载换向方法需要负载电流来引导电压. 负载通常是电磁感应线圈，加圈中的钢铁材料，RL系列是其等效电路. 由于功率因数非常低，因此并联的C，C，L和R构成并联谐振电路，因此该电路称为并联谐振逆变器电路.

输出电流波形接近于矩形波，包括基波和每个奇数谐波，并且谐波的幅度远小于基波. 由于基波的频率接近负载电路的谐振频率，因此负载对基波具有高阻抗而对谐波具有低阻抗. 负载上的谐波产生的电压降很小，因此负载电压波形接近正弦波. 工作波形分析: 在一周内，有两个稳定的导通阶段和两个换向阶段. t1-t2: VT1和VT4处于稳定导通阶段，io = Id，并且在时间t2之前在C上建立了左右正电压. t2-t4: 触发VT2和VT3在t2打开，并进入换相阶段. LT防止VT1和VT4立即关闭，并且电流的减小过程. VT2，VT3电流具有增加的过程. 所有四个晶闸管均导通，并且负载电压通过两个并联的放电电路同时放电. 在时间t2之后，LT1，VT1，VT3和LT3转到C；另一个进入LT2，VT2，VT4和LT4. 当t = t4时，VT1和VT4的电流减小到零并关断，换相阶段结束. t4－t2 = tg称为换向时间. IO在时间t3越过零，即iVT1 = iVT2，并且时间t3大约在t2和t4之间的中点. 为确保晶闸管可靠关断（图5-13）: 晶闸管需要一段时间才能恢复正向阻断能力. 换相后，VT1和VT4必须承受背压时间tβ，tβ= t5- t4应该大于晶闸管关断时间tq.

为确保可靠的换向，应在零交叉之前在td = t5-t2处触发VT2和VT3. ..td是预触发提前期io. uo之前的时间用电角ω表示，即电路工作角频率. γ和β是分别对应于tγ和tβ的电角度. （5-16）（5-17）（5 -18）图5-13并联谐振逆变器电路的工作波形. 数量分析: 忽略换向过程，io可以近似为矩形波，扩展为傅立叶级数（5-19）基本电流的有效值（5-20​​）负载电压Uo的有效值与DC电压Ud之间的关系（忽略Ld的损失，忽略晶闸管的压降）（5-21） ）在实际工作过程中，感应线圈参数会随时间变化，工作频率必须适应负载的变化并自动调整，这种控制方法称为自励磁法. 具有固定工作频率的控制方法称为独立励磁方法. 自励方法存在一些起始问题，以及解决方法: 首先，先使用其他励磁方法，然后在系统开始工作后切换到自励方法. 另一种方法是添加预充电启动电路. （2）三相电流型逆变器电路电流型三相桥式逆变器电路（图5-11，使用完全控制的设备）. 基本工作模式为120°传导模式-每个手臂在一个周期内传导120°. 在每个时刻，上桥臂和下桥臂组中的一个臂导通，并执行横向换向. 波形分析: 输出电流波形与负载的性质无关. 正脉冲和负脉冲均为120°矩形波.

当三相桥式整流器具有较大的感性负载时全桥逆变电路工作原理，输出电流与交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同. 输出线电压波形与负载的性质有关，通常是正弦波. 输出交流电流（5-22）串联二极管晶闸管逆变器电路的基本值如图5-15所示. 该电路之所以被命名是因为每个桥臂的晶闸管和二极管是串联使用的，它主要用于中大功率交流电动机速度控制系统. 电流型三相桥式逆变器电路: 该电路仍处于上述120°导电工作模式，输出波形与图5-14中的波形大致相同. 每个桥臂的晶闸管和二极管串联使用. 每个桥臂之间的换向采用强制换向. 连接在各臂之间的电容器C1〜C6是换向电容器. 换向过程分析（图5-16）电容器的充电规则: 图5-14电流型三相桥式逆变器电路的输出波形图5-15串联到公共阳极晶闸管的二极管晶闸管逆变器电路连接的晶闸管的一端为正极，另一端为负极. 未连接到导电晶闸管的电容器的电压为零. 共阴极可控硅与共阳极可控硅相似，只是电容器的电压极性相反. 等效换向电容: 例如，当分析从VT1到VT3的换向时，C13是C3和C5串联然后与C1并联的等效电容. 假设Cl〜C6的电容均为C，则Cl3 = 3C / 2. 从VT1到VT3的换向过程: 在换向之前，将VT1和VT2连接，并且C13 UC0的电压为正向左和负向右.

换向过程可以分为两个阶段: 恒流放电和二极管换向. ..图5-16换向过程各相中的电流路径a，恒流放电阶段t1触发VT3导通，而VT1通过施加反压而关闭. Id从VT1更改为VT3，C13通过VD1，U相负载，W相负载，VD2，VT2，直流电源和VT3放电，放电电流为恒定Id，因此称为恒流放电阶段. 在uC13降至零之前全桥逆变电路工作原理，VT1承受背压. 背压时间大于tq以确保关闭. b. 在二极管换相阶段的时间t2，uC13降至零，然后C13反向充电. 忽略负载电阻的压降，二极管VD3导通，电流为iV，VD1的电流为iU = Id-iV，VD1和VD3同时导通，进入二极管换相阶段. 随着C13的电压增加，充电电流逐渐减小，iV逐渐增大，在时间t3 iU减小为零，iV = Id，VD1在背压下关闭，二极管换相阶段结束. 在t3之后，在稳态导通阶段VT2和VT3的波形分析: 当电感负载uC13，iU，iV和uC1，uC3时，波形如图5-17所示. 该图显示了每个换向电容器电压uC1，uC3和uC5的波形. uC1的波形与uC13的波形完全相同. 在换向过程中，它从UC0下降到-UC0. C3和C5串联连接，然后与C1并联连接. 电压变化幅度为C1的一半.

在换向期间，uC3从零变为-UC0，uC5从UC0变为零，并且这些电压恰好满足在120°间隔后从VT3转换为VT5的要求. 图5-17串联二极管晶闸管逆变器电路换向过程的波形. 无换向器电机: 电流型三相桥式逆变器驱动同步电机. 负载换向，工作特性和速度调节类似于直流电动机. 但是没有换向器，因此称为无换向器电动机. 图5-18不带换向器的电动机的基本电路BQ-转子位置检测器，该传感器检测磁极位置，以确定何时向哪个晶闸管发送触发脉冲. 图5-19不带换向器的电动机电路的工作波形. 基本逆变器电路的结构和工作原理: 在基本逆变器电路的四种基本类型中，AC / DC和DC / AC更基本，更重要. 换向方法: 分为两类: 外部换向和自换向. 外部换向包括电网换向和负载换向. 自换向包括器件换向和强制换向. 晶闸管的年龄非常重要，而完全受控器件时代的重要性已经下降. 逆变器电路分类方法: 可以根据换向方法，输出相数，直流电源的性质或用途进行分类. 本章主要根据直流侧电源的性质采用分类方法，分为电压型和电流型两种. 电压类型和电流类型的概念将在其他电路中使用，它们将对这些电路有更深入的了解. 具有大电感负载的整流电路可以被认为是电流型整流电路. 电容器滤波后的整流电路可以看作是电压型整流电路. 与其他章节的关系: 本章对逆变器电路的介绍非常基础，还远远不够完整. 下一章中的PWM控制技术是逆变器电路中使用最广泛的技术. 大多数逆变器电路由PWM控制. 只有在完成下一章之后，您才能对逆变器电路有更全面的了解. 逆变器电路的直流电源通常来自整流器电路，两者结合形成间接交流转换器电路.

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