第4章逆变电路ppt课件

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1、第第4章章 逆逆变电路路 4.1 换流方式流方式 4.2 电压型逆型逆变电路路 4.3 电流型逆流型逆变电路路 4.4 多重逆多重逆变电路和多路和多电平平逆逆变电路路 本章小本章小结引言引言逆变的概念逆变的概念 与整流相对应，直流电变成交流电。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交流侧接负载，为无源逆变，本章主要讲述无源逆变。变。逆变与变频逆变与变频 变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。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交直交变频由交直变换整流和直

2、交变换两部分组成，后一部分就是逆变。组成，后一部分就是逆变。逆变电路的主要运用逆变电路的主要运用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。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、不延续电源、感应加热电源交流电机调速用变频器、不延续电源、感应加热电源等电力电子安装的中心部分都是逆变电路。等电力电子安装的中心部分都是逆变电路。4.1 换流方式换流方式 4.1.1 逆变电路的根本任务原理逆变电路的根本任务原理 4.1.2 换流方式分类换流方式分类4.1.1 逆变电路的根本任务原理逆变电路的根本任务原理以单相桥式逆变电路为例阐明最根本的任务原理以单相桥式逆变电路为例

3、阐明最根本的任务原理 S1S4是桥式电路的是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2 当开关当开关S1、S4闭合，闭合，S2、S3断开时，负载电压断开时，负载电压uo为正；当开关为正；当开关S1、S4断断开，开，S2、S3闭合时，闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。为负，这样就把直流电变成了交流电。 改动两组开关的切换频率，即可改动输出交流电的频率。改动两组开关的切换频率，即可改动输出交流电的频率。 电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流io和和uo的波形一样，相位也一样。的波形

4、一样，相位也一样。 阻感负载时，阻感负载时，io相位滞后于相位滞后于uo，波形也不同。，波形也不同。图图4-1 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例 4.1.2 换流方式分类换流方式分类换流换流 电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。 研讨换流方式主要是研讨如何使器件关断。研讨换流方式主要是研讨如何使器件关断。换流方式分为以下几种换流方式分为以下几种 器件换流器件换流Device Commutation 利用全控型器件的自关断才干进展换流。利用全控型器件的自关断才干进展换流。 在采用在采用IGBT 、电力、电力MOSFET 、G

5、TO 、GTR等全控等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。型器件的电路中的换流方式是器件换流。 电网换流电网换流Line Commutation 电网提供换流电压的换流方式。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。不需求器件具有门极可关断才干，但不适用于没有断。不需求器件具有门极可关断才干，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。交流电网的无源逆变电路。4.1.2 换流方式分类换流方式分类a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4图图4-2

6、 负载换流电路及其任务波形负载换流电路及其任务波形 负载换流负载换流Load Commutation 由负载提供换流电压的换流方式。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所，负载电流的相位超前于负载电压的场所，都可实现负载换流，如电容性负载和同步电都可实现负载换流，如电容性负载和同步电动机。动机。 图图4-2a是根本的负载换流逆变电路，整是根本的负载换流逆变电路，整个负载任务在接近并联谐振形状而略呈容性，个负载任务在接近并联谐振形状而略呈容性，直流侧串大电感，任务过程可以为直流侧串大电感，任务过程可以为id根本没根本没有脉动。有脉动。 负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗

7、小，负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以所以uo接近正弦波。接近正弦波。 留意触发留意触发VT2、VT3的时辰的时辰t1必需在必需在uo过零前并留有足够的裕量，才干使换流顺利过零前并留有足够的裕量，才干使换流顺利完成。完成。4.1.2 换流方式分类换流方式分类强迫换流强迫换流Forced Commutation 设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强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。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，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。因此也称为电容换流。 分

8、类分类 直接耦合式强迫换流：由换流电路内电容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。直接提供换流电压。 电感耦合式强迫换流：经过换流电路内的电感耦合式强迫换流：经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。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直接耦合式强迫换流 如图如图4-3，当晶闸管，当晶闸管VT处于通态时，预先给处于通态时，预先给电容充电。当电容充电。当S合上，就可使合上，就可使VT被施加反压而关被施加反压而关断。断。 也叫电压换流。也叫电压换流。 图图4-3 直接耦合式直接耦合式强迫换流原理图强迫换流原理图 4.1.2 换流方式分类换流

9、方式分类电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流 图图4-4a中晶闸管在中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断，图振荡第一个半周期内关断，图4-4b中晶闸管在中晶闸管在LC振荡振荡第二个半周期内关断，留意两图中电容所充的电压极性不同。第二个半周期内关断，留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场流过电流时关在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开场流过电流时关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。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。也叫电流换流。图图4-4 电感耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流原理

10、图 换流方式总结换流方式总结 器件换流只适用于全控型器件，其他三种方式主要是针对晶闸管而言的。器件换流只适用于全控型器件，其他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。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，那么称为熄灭。为零，那么称为熄灭。 4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路4.2

11、电压型逆变电路电压型逆变电路引言引言根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类 电压型逆变电路：直流侧是电压源。电压型逆变电路：直流侧是电压源。 电流型逆变电路：直流侧是电流源。电流型逆变电路：直流侧是电流源。电压型逆变电路的特点电压型逆变电路的特点 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压根本无脉动。直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压根本无脉动。 由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负载由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。阻抗不同而不同。 阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反响的无功能阻感

12、负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反响的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反响二极管。量提供通道，逆变桥各臂并联反响二极管。图图4-5 电压型逆变电路举例全桥逆变电路电压型逆变电路举例全桥逆变电路 4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2图图4-6 单相半桥电压型逆单相半桥电压型逆变电路及其任务波形变电路及其任务波形 半桥逆变电路半桥逆变电路 在直流侧接有两个相互串联的足够大在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的结合点便成为直流电的电容，两个电容的结合点便成为直流电

13、源的中点，负载联接在直流电源中点和两源的中点，负载联接在直流电源中点和两个桥臂结合点之间。个桥臂结合点之间。 任务原理任务原理 设开关器件设开关器件V1和和V2的栅极信号在一的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。者互补。 输出电压输出电压uo为矩形波，其幅值为为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。 电路带阻感负载，电路带阻感负载，t2时辰给时辰给V1关断关断信号，给信号，给V2开通讯号，那么开通讯号，那么V1关断，但感关断，但感性负载中的电流性负载中的电流io不能立刻改动方向，于不能立刻改动方向，于是是VD2导通续流，当导通续流，当t3时辰时

14、辰io降零时，降零时，VD2截止，截止，V2开通，开通，io开场反向，由此得出如开场反向，由此得出如下图的电流波形。下图的电流波形。 4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2图图4-6 单相半桥电压型逆单相半桥电压型逆变电路及其任务波形变电路及其任务波形 V1或或V2通时，通时，io和和uo同方向，同方向，直流侧向负载提供能量；直流侧向负载提供能量；VD1或或VD2通时，通时，io和和uo反向，电感中贮反向，电感中贮能向直流侧反响。能向直流侧反响。VD1、VD2称为称为反响二极管反响

15、二极管,它又起着使负载电流它又起着使负载电流延续的作用，又称续流二极管。延续的作用，又称续流二极管。优点是简单，运用器件少；其缺优点是简单，运用器件少；其缺陷是输出交流电压的幅值陷是输出交流电压的幅值Um仅为仅为Ud/2，且直流侧需求两个电容器串，且直流侧需求两个电容器串联，任务时还要控制两个电容器电联，任务时还要控制两个电容器电压的平衡；因此，半桥电路常用于压的平衡；因此，半桥电路常用于几几kW以下的小功率逆变电源。以下的小功率逆变电源。 4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路全桥逆变电路全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。

16、 两对桥臂交替导通两对桥臂交替导通180。 输出电压和电流波形与半桥电路外形一样，但幅值高出一倍。输出电压和电流波形与半桥电路外形一样，但幅值高出一倍。 在这种情况下，要改动输出交流电压的有效值只能经过改动直流电压在这种情况下，要改动输出交流电压的有效值只能经过改动直流电压Ud来实现。来实现。 Ud的矩形波的矩形波uo展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得其中基波的幅值其中基波的幅值Uo1m和基波有效值和基波有效值Uo1分别为分别为 图图4-5 全桥逆变电路全桥逆变电路 (4-1)(4-2)(4-3)4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路a)b)图图4-7 单相全桥逆变电单相全桥逆变电

17、路的移相调压方式路的移相调压方式 移相调压方式移相调压方式 V3的基极信号比的基极信号比V1落后落后0180。V3、V4的栅极信号分别比的栅极信号分别比V2、V1的前移的前移180-。输出电压是正负各为。输出电压是正负各为的的脉冲。脉冲。 任务过程任务过程 t1时辰前时辰前V1和和V4导通，导通， uo=Ud。 t1时辰时辰V4截止，而因负载电感中的电截止，而因负载电感中的电流流io不能突变，不能突变，V3不能立刻导通，不能立刻导通，VD3导通导通续流，续流，uo=0。 t2时辰时辰V1截止，而截止，而V2不能立刻导通，不能立刻导通，VD2导通续流，和导通续流，和VD3构成电流通道，构成电流通

18、道，uo=-Ud。 到负载电流过零并开场反向时，到负载电流过零并开场反向时，VD2和和VD3截止，截止，V2和和V3开场导通，开场导通，uo仍为仍为-Ud。 t3时辰时辰V3截止，而截止，而V4不能立刻导通，不能立刻导通，VD4导通续流，导通续流，uo再次为零。再次为零。 改动改动就可调理输出电压。就可调理输出电压。4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路图图4-8 带中心抽头变带中心抽头变压器的逆变电路压器的逆变电路 带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路 交替驱动两个交替驱动两个IGBT，经变压器耦，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。合给负载加上矩形波交流电压。

19、两个二极管的作用也是提供无功能两个二极管的作用也是提供无功能量的反响通道。量的反响通道。 Ud和负载参数一样，变压器匝比和负载参数一样，变压器匝比为为1：1：1时，时，uo和和io波形及幅值与全波形及幅值与全桥逆变电路完全一样。桥逆变电路完全一样。 与全桥电路相比较与全桥电路相比较 比全桥电路少用一半开关器件。比全桥电路少用一半开关器件。 器件接受的电压为器件接受的电压为2Ud，比全桥，比全桥电路高一倍。电路高一倍。 必需有一个变压器。必需有一个变压器。 4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。三相桥式

20、逆变电路三相桥式逆变电路 根本任务方式是根本任务方式是180导电方式。导电方式。 同一相即同一半桥上下两臂交替导电，各相开场导电的角度同一相即同一半桥上下两臂交替导电，各相开场导电的角度差差120 ，任一瞬间有三个桥臂同时导通。，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展，也称为纵向换流。每次换流都是在同一相上下两臂之间进展，也称为纵向换流。图图4-9 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路 假想中点假想中点4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNU

21、dUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-10 电压型三相桥式逆变电路的任务波形电压型三相桥式逆变电路的任务波形 任务波形任务波形 对于对于U相输出来说，当桥臂相输出来说，当桥臂1导通时，导通时，uUN=Ud/2，当桥臂，当桥臂4导通时，导通时，uUN=-Ud/2，uUN的波形是幅值为的波形是幅值为Ud/2的矩形的矩形波，波，V、W两相的情况和两相的情况和U相类似。相类似。 负载线电压负载线电压uUV、uVW、uWU可由可由下式求出下式求出负载各相的相电压分别为负载各相的相电压分别为 (4-4)(4-5)4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d

22、)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-10 电压型三相桥式逆变电路的任务波形电压型三相桥式逆变电路的任务波形 把上面各式相加并整理可求得把上面各式相加并整理可求得设负载为三相对称负载，那么有设负载为三相对称负载，那么有uUN+uVN+uWN=0，故可得，故可得 负载参数知时，可以由负载参数知时，可以由uUN的波形求的波形求出出U相电流相电流iU的波形，图的波形，图4-10g给出的是给出的是阻感负载下阻感负载下 时时iU的波形。的波形。 把桥臂把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得的电流加起来，就可得到直流侧电流到直流侧电流id的波形

23、，如图的波形，如图4-10h所示，所示，可以看出可以看出id每隔每隔60脉动一次。脉动一次。 (4-6)(4-7)4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路根本的数量关系根本的数量关系 把输出线电压把输出线电压uUV展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得 式中，式中， ，k为自然数。为自然数。输出线电压有效值输出线电压有效值UUV为为 其中基波幅值其中基波幅值UUV1m和基波有效值和基波有效值UUV1分别为分别为 (4-8)(4-9)(4-10)(4-11)4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路 把把uUN展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得 式中，式中， ，k为自然数。为自然数

24、。 负载相电压有效值负载相电压有效值UUN为为 其中基波幅值其中基波幅值UUN1m和基波有效值和基波有效值UUN1分别为分别为为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取要采取“先断后通的方法。先断后通的方法。 (4-12)(4-13)(4-14)(4-15)UUV7 =2 Ud/3.147 =22.3V 4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路例：三相桥式电压型逆变电路，例：三相桥式电压型逆变电路，180导电方式，导电方式，Ud=200V。试求输出相电压。试求输出相电压的基波幅值的基波幅值U

25、UN1m和有效值和有效值UUN1、输出线电压的基波幅值、输出线电压的基波幅值UUV1m和有效和有效值值UUV1、输出线电压中、输出线电压中7次谐波的有效值次谐波的有效值UUV7。 解：解： 0.4520090V 0.637200127.4V 1.1200=220V 0.78200=156V 4.3 电流型逆变电路电流型逆变电路 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路4.3 电流型逆变电路电流型逆变电路引言引言直流电源为电流源的逆变电路称为直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。电流型逆变电路。电流型逆变电路主要特点电流型逆变电路

26、主要特点 直流侧串大电感，电流根本无脉直流侧串大电感，电流根本无脉动，相当于电流源。动，相当于电流源。 交流输出电流为矩形波，与负载交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同。位因负载不同而不同。 直流侧电感起缓冲无功能量的作直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不用给开关器件反并联二极用，不用给开关器件反并联二极管。管。电流型逆变电路中，采用半控型器电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍运用较多，换流方式件的电路仍运用较多，换流方式有负载换流、强迫换流。有负载换流、强迫换流。图图4-11 电流型三相桥式逆变电路电流型三相桥式逆变电路 4

27、.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路电路分析电路分析 由四个桥臂构成，每个桥臂的由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的制晶闸管开通时的di/dt。 采用负载换相方式任务的，要采用负载换相方式任务的，要求负载电流略超前于负载电压，即求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。负载略呈容性。 电容电容C和和L 、R构成并联谐振电构成并联谐振电路。路。 输出电流波形接近矩形波，含输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。小于基波。图图4-12 单相桥式电流型单相桥式电流型并

28、联谐振式逆变电路并联谐振式逆变电路 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路任务波形分析任务波形分析 在交流电流的一个周期内，在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和两个换有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。流阶段。 t1t2：VT1和和VT4稳定导通稳定导通阶段，阶段，io=Id，t2时辰前在时辰前在C上上建立了左正右负的电压。建立了左正右负的电压。 在在t2时辰触发时辰触发VT2和和VT3开开通，开场进入换流阶段。通，开场进入换流阶段。 由于换流电抗器由于换流电抗器LT的作的作用，用， VT1 和和VT4不能立刻关断，不能立刻关断，其电流有一个减小过程，其电流有一个减小过程，VT

29、2和和VT3的电流也有一个增大过的电流也有一个增大过程。程。 图图4-13 并联谐振式逆变电路任务波形并联谐振式逆变电路任务波形 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 4个晶闸管全部导通，负个晶闸管全部导通，负 载电容电压经两个并联的放载电容电压经两个并联的放 电回路同时放电。电回路同时放电。 一个回路是经一个回路是经LT1、 VT1、VT3、LT3回到回到 电容电容C。 另一个回路是经另一个回路是经LT2、 VT2、VT4、LT4回到回到 电容电容C。当当t=t4时，时，VT1、VT4电流减至零电流减至零而关断，直流侧电流而关断，直流侧电流Id全部从全部从VT1、VT4转移到转移

30、到VT2、VT3，换，换流阶段终了。流阶段终了。图图4-13 并联谐振式逆变电路任务波形并联谐振式逆变电路任务波形 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路图图4-13 并联谐振式逆变电路任务波形并联谐振式逆变电路任务波形 晶闸管需一段时间才干恢复正向阻晶闸管需一段时间才干恢复正向阻断才干，断才干，t4时辰换流终了后还要使时辰换流终了后还要使VT1、VT4接受一段反压时间接受一段反压时间t，t= t5- t4应大于晶闸管的关断时间应大于晶闸管的关断时间tq。为保证可靠换流应在为保证可靠换流应在uo过零前过零前t = t5- t2时辰触发时辰触发VT2、VT3，t为触发为触发引前时间引前

31、时间 io超前于超前于uo的时间的时间负载的功率因数负载的功率因数角角 把把t表示为电角度表示为电角度弧度可得弧度可得(4-16)(4-17)(4-18)4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路根本的数量关系根本的数量关系 io展开成傅里叶级数可得展开成傅里叶级数可得 负载电压有效值负载电压有效值Uo和直流电压和直流电压Ud的关系的关系 其基波电流有效值其基波电流有效值Io1为为 (4-19)(4-20)4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路普通情况下普通情况下值较小，可近似以为值较小，可近似以为cos(/2)1，再思索到式，再思索到式(4-18)可得可得 或或实践任务过程中

32、，感应线圈参数随时间变化，必需使任务频率顺应负实践任务过程中，感应线圈参数随时间变化，必需使任务频率顺应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。 固定任务频率的控制方式称为他励方式。固定任务频率的控制方式称为他励方式。 自励方式存在起动问题，处理方法：自励方式存在起动问题，处理方法： 先用他励方式，系统开场任务后再转入自励方式。先用他励方式，系统开场任务后再转入自励方式。 附加预充电起动电路。附加预充电起动电路。(4-21)4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路tOtOtOtOIdiViWuUVU图5-14 电流型三相桥式逆变电路

33、的输出波形 图5-11 电流型三相桥式逆变电路电路分析电路分析 根本任务方式是根本任务方式是120导电方式，每个臂导电方式，每个臂一周期内导电一周期内导电120，每个时辰上下桥臂组各，每个时辰上下桥臂组各有一个臂导通。有一个臂导通。 换流方式为横向换流。换流方式为横向换流。波形分析波形分析 输出电流波形和负载性质无关，正负脉输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各冲各120的矩形波。的矩形波。 输出电流和三相桥整流带大电感负载时输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形一样，谐波分析表达式也一的交流电流波形一样，谐波分析表达式也一样。样。 输出线电压波形和负载性质有关，大体输出线电压波形和

34、负载性质有关，大体为正弦波，但叠加了一些脉冲。为正弦波，但叠加了一些脉冲。 输出交流电流的基波有效值输出交流电流的基波有效值IU1和直流电和直流电流流Id的关系为的关系为 (4-22)4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路图图4-15 串联二极管串联二极管式晶闸管逆变电路式晶闸管逆变电路 串联二极管式晶闸管逆变电路串联二极管式晶闸管逆变电路 主要用于中大功率交流电动机调速主要用于中大功率交流电动机调速系统。系统。 电路分析电路分析 是电流型三相桥式逆变电路，各是电流型三相桥式逆变电路，各桥臂的晶闸管和二极管串联运用。桥臂的晶闸管和二极管串联运用。 120导电任务方式，输出波形和导电任

35、务方式，输出波形和图图4-14的波形大体一样。的波形大体一样。 采用强迫换流方式，电容采用强迫换流方式，电容C1C6为换流电容。为换流电容。 换流过程分析换流过程分析 电容器所充电压的规律：对于共电容器所充电压的规律：对于共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零，共阴极的情管相连的电容器电压为零，共阴极的情况与此类似，只是电压极性相反。况与此类似，只是电压极性相反。4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路- -+UVW+- -UVWa)+- -UVWb)- -+UVW

36、c)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV等效换流电容概念：图等效换流电容概念：图4-16中的换流电容中的换流电容C13就是图就是图4-14中的中的C3与与C5串联串联后再与后再与C1并联的等效电容。并联的等效电容。分析从分析从VT1向向VT3换流的过程换流的过程 假设换流前假设换流前VT1和和VT2通，通，C13电压电压UC0左正右负。左正右负。 换流阶段分为恒流放电和二极管换流两个阶段。换流阶段分为恒流放电和二极管

37、换流两个阶段。 t1时辰触发时辰触发VT3导通，导通，VT1被施以反压而关断，被施以反压而关断，Id从从VT1换到换到VT3，C13经过经过VD1、U相负载、相负载、W相负载、相负载、VD2、VT2、直流电源和、直流电源和VT3放电，放电电放电，放电电流恒为流恒为Id，故称恒流放电阶段，如图，故称恒流放电阶段，如图416b。图图4-16 换流过程各阶段的电流途径换流过程各阶段的电流途径 4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路- -+UVW+- -UVWa)+- -UVWb)- -+UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13I

38、dVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV图图4-16 换流过程各阶段的电流途径换流过程各阶段的电流途径 uC13下降到零之前，下降到零之前，VT1接受反压，反压时间大于接受反压，反压时间大于tq就能保证可靠关断。就能保证可靠关断。t2时辰时辰uC13降到零，之后降到零，之后C13反向充电，忽略负载电阻压降，那么二极管反向充电，忽略负载电阻压降，那么二极管VD3导通，电流为导通，电流为iV，VD1电流为电流为iU=Id-iV，VD1和和VD3同时导通，进入二极同时导通，进入二极管换流阶段。管换流阶段。随着随着C13

39、电压增高，充电电流渐小，电压增高，充电电流渐小，iV渐大，渐大，t3时辰时辰iU减到零，减到零，iV=Id，VD1接受反压而关断，二极管换流阶段终了。接受反压而关断，二极管换流阶段终了。t3以后，进入以后，进入VT2、VT3稳定导通阶段。稳定导通阶段。4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路ttOuOiUCOuC13uC5uC3- -UCOIdiUiVt1t2t3图图4-17 串联二极管晶闸管串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形逆变电路换流过程波形 从从VT1向向VT3换流的过程中，假设换流的过程中，假设负载为交流电动机，那么在负载为交流电动机，那么在t2时辰时辰uC13降至零时，如电

40、机反电动势降至零时，如电机反电动势eVU0，那，那么么VD3仍接受反向电压而不能导通。直仍接受反向电压而不能导通。直到到uC13升高到与升高到与eVU相等后，相等后，VD3才接才接受正向电压而导通，进入受正向电压而导通，进入VD3和和VD1同同时导通的二极管换流阶段。时导通的二极管换流阶段。 波形分析波形分析 图图4-17给出了电感负载时给出了电感负载时uC13、iU和和iV的波形图。的波形图。 uC1的波形和的波形和uC13完全一样。完全一样。 uC3从零变到从零变到-UC0，uC5从从UC0变到零，变化幅度是变到零，变化幅度是C1的一半。的一半。 这些电压恰好符合相隔这些电压恰好符合相隔1

41、20后从后从VT3到到VT5换流时的要求，为下次换流换流时的要求，为下次换流预备好了条件。预备好了条件。 4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路OOOOOwtwtwtOwtwtVT4导通UVWiViWiUudMVT1导通VT3导通VT6导通VT5导通VT2导通uVT1图图4-19 无换相器电动机电路任务波形无换相器电动机电路任务波形 图图4-18 无换相器电动机的根本电路无换相器电动机的根本电路 负载为同步电动机负载为同步电动机 其任务特性和调速方式都和直流电其任务特性和调速方式都和直流电动机类似，但没有换向器，因此被称为动机类似，但没有换向器，因此被称为无换向器电动机。无换向器电动

42、机。 采用采用120导电方式，利用电动机反导电方式，利用电动机反电势实现换流。电势实现换流。 BQ是转子位置检测器，用来检测磁是转子位置检测器，用来检测磁极位置以决议什么时候给哪个晶闸管发极位置以决议什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲。出触发脉冲。4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路和多电平逆变电路 4.4.1 多重逆变电路多重逆变电路 4.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路和多电平逆变电路引言引言电压型逆变电路的输出电压是矩形波，电流型逆电压型逆变电路的输出电压是矩形波，电流型逆变电路的输出电流是矩形波，矩形波中含有较多变电路的输出

43、电流是矩形波，矩形波中含有较多的谐波，对负载会产生不利影响。的谐波，对负载会产生不利影响。 经常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，经常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，使之成为接近正弦波的波形。使之成为接近正弦波的波形。 也可以改动电路构造，构成多电平逆变电路，它也可以改动电路构造，构成多电平逆变电路，它可以输出较多的电平，从而使输出电压向正弦波可以输出较多的电平，从而使输出电压向正弦波接近。接近。 4.4.1 多重逆变电路多重逆变电路12060180tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo图图4-20 二重单相逆变电路二重单相逆变电路 图图4-21 二重逆变电路的任务波形二重逆变电路

44、的任务波形 二重单相电压型逆变电路二重单相电压型逆变电路 两个单相全桥逆变电路组成，输出经过变两个单相全桥逆变电路组成，输出经过变压器压器T1和和T2串联起来。串联起来。 输出波形输出波形 两个单相的输出两个单相的输出u1和和u2是是180矩形波。矩形波。 u1和和u2相位错开相位错开=60,其中的其中的3次谐波次谐波就错开了就错开了360=180，变压器串结合成后，变压器串结合成后，3次次谐波相互抵消，总输出电压中不含谐波相互抵消，总输出电压中不含3次谐波。次谐波。 uo波形是波形是120矩形波，含矩形波，含6k1次谐波，次谐波，3k次谐波都被抵消。次谐波都被抵消。由此得出的一些结论由此得出

45、的一些结论 把假设干个逆变电路的输出按一定的相位把假设干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。 多重逆变电路有串联多重和并联多重两种多重逆变电路有串联多重和并联多重两种方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，电方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，电流型逆变电路多用并联多重方式。流型逆变电路多用并联多重方式。 4.4.1 多重逆变电路多重逆变电路图图4-22 三相电压型二重逆变电路三相电压型二重逆变电路 三相电压型二重逆变电路三相电压型二重逆变

46、电路 电路分析电路分析 由两个三相桥式逆变电路构成，由两个三相桥式逆变电路构成，输出经过变压器串结合成。输出经过变压器串结合成。 两个逆变电路均为两个逆变电路均为180导通方导通方式。式。 任务时，逆变桥任务时，逆变桥II的相位比逆的相位比逆变桥变桥I滞后滞后30。 T1为为/ Y结合，线电压变比为结合，线电压变比为 ，T2一次侧一次侧结合，二次侧两绕组曲结合，二次侧两绕组曲折星形接法，其二次电压相对于一次折星形接法，其二次电压相对于一次电压而言，比电压而言，比T1的接法超前的接法超前30，以抵，以抵消逆变桥消逆变桥II比逆变桥比逆变桥I滞后的滞后的30，这样，这样uU2和和uU1的基波相位就

47、一样。的基波相位就一样。 假设假设T2和和T1一次侧匝数一样，一次侧匝数一样，为了使为了使uU2和和uU1基波幅值一样，基波幅值一样，T2和和T1二次侧间的匝比就应为二次侧间的匝比就应为 。 4.4.1 多重逆变电路多重逆变电路UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud图图4-23 二次侧基波电压合成相量图二次侧基波电压合成相量图 图图4-24 三相电压型二重逆变电路波形图三相电压型二重逆变电路波形图 任务波形任务波形 T1、T2二次侧基波电压二次侧基波电压

48、合成情况的相量图如图合成情况的相量图如图4-23所示，图中所示，图中UA1、UA21、UB22分别是变压器绕组分别是变压器绕组A1、A21、B22上的基波电压相量。上的基波电压相量。 由图由图4-24可以看出，可以看出，uUN比比uU1接近正弦波。接近正弦波。4.4.1 多重逆变电路多重逆变电路根本的数量关系根本的数量关系 把把uU1展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得式中，式中，n=6k1，k为自然数。为自然数。 uU1的基波分量有效值为的基波分量有效值为 n次谐波有效值为次谐波有效值为 (4-23)(4-24)(4-25)4.4.1 多重逆变电路多重逆变电路输出相电压输出相电压uUN的基波

49、电压有效值为的基波电压有效值为 其其n次谐波有效值为次谐波有效值为式中，式中，n=12k1，k为自然数，在为自然数，在uUN中已不含中已不含5次、次、7次等谐波。次等谐波。该三相电压型二重逆变电路的直流侧电流每周期脉动该三相电压型二重逆变电路的直流侧电流每周期脉动12次，称为次，称为12脉脉波逆变电路，普通来说，使波逆变电路，普通来说，使m个三相桥式逆变电路的相位依次错开个三相桥式逆变电路的相位依次错开 运转，连同使它们输出电压合成并抵消上述相位差的变压器，运转，连同使它们输出电压合成并抵消上述相位差的变压器，就可以构成脉波数为就可以构成脉波数为6m的逆变电路。的逆变电路。 (4-26)(4-

50、27)4.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-9 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路 图图4-10 电压型三相桥式逆变电路的任务波形电压型三相桥式逆变电路的任务波形 回想图回想图4-9三相电压型桥式三相电压型桥式逆变电路和图逆变电路和图4-10的波形，的波形，以以N为参考点，输出相电压为参考点，输出相电压有有Ud/2和和-Ud/2两种电平，称两种电平，称为两电平逆变电路。为两电平逆变电路。4.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路图图4-2

51、5 三电平逆变电路三电平逆变电路 三电平逆变电路三电平逆变电路 电路分析电路分析 也称中点钳位型也称中点钳位型Neutral Point Clamped 逆变电逆变电路。路。 每桥臂由两个全控器件串联每桥臂由两个全控器件串联构成，两者都反并联了二极管，且构成，两者都反并联了二极管，且中点经过钳位二极管和直流侧中点中点经过钳位二极管和直流侧中点相连相连 。 以以U相为例分析任务情况相为例分析任务情况 V11和和V12或或VD11和和VD12导通，导通，V41和和V42关断时，关断时，UO间间电位差为电位差为Ud/2。 V41和和V42或或VD41和和VD42导通，导通，V11和和V12关断时，关

52、断时，UO间电位差为间电位差为-Ud/2。 V12和和V41导通，导通，V11和和V42关断时，关断时，UO间电位差为间电位差为0。 V12和和V41不能同时导通，不能同时导通，iU0时，时，V12和和VD1导通，导通，iU0时，时，V41和和VD4导通。导通。4.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路 线电压的电平线电压的电平 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0五种电五种电平。平。 三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电

53、平逆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。变电路。 三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件接三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件接受电压为直流侧电压的一半。受电压为直流侧电压的一半。用与三电平电路类似的方法，还可构成五电平、七电平等用与三电平电路类似的方法，还可构成五电平、七电平等更多电平的电路，三电平及更多电平的逆变电路统称为更多电平的电路，三电平及更多电平的逆变电路统称为多电平逆变电路。多电平逆变电路。本章小结本章小结讲述根本的逆变电路的构造及其任务原理讲述根本的逆变电路的构造及其任务原理 四大类根本变流电路中，四大类根本变流电路中，AC/DC和和DC/AC两类电路

54、更两类电路更为根本、更为重要。为根本、更为重要。换流方式换流方式 分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。 换流概念在晶闸管时代非常重要，全控型器件时代其重换流概念在晶闸管时代非常重要，全控型器件时代其重要性有所下降。要性有所下降。本章小结本章小结逆变电路分类方法逆变电路分类方法 可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类。可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类。 本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流

55、型本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类。两类。 电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深化的认电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深化的认识，负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路，电容滤波的识，负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路，电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。整流电路可看成为电压型整流电路。与其它章的关系与其它章的关系 本章对逆变电路的讲述是很根本的，还远不完好，第本章对逆变电路的讲述是很根本的，还远不完好，第7章的章的PWM控控制技术在逆变电路中运用最多，绝大部分逆变电路都是制技术在逆变电路中运用最多，绝大部分逆变电路都是PWM控制的，控制的，学完下一章才干对逆变电路有一个较为完好的认识。学完下一章才干对逆变电路有一个较为完好的认识。 逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二都结合构成间接交流逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二都结合构成间接交流变流电路。变流电路。 此外，间接直流变流电路大量用于开关电源，其中的中心电路仍是此外，间接直流变流电路大量用于开关电源，其中的中心电路仍是逆变电路，这些将在第逆变电路，这些将在第10章引见，学完第章引见，学完第10章后，对逆变电路及其章后，对逆变电路及其运用将有更完好的认识。运用将有更完好的认识。