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1、第4章 电力电子 逆变电路第1页，共47页，编辑于2022年，星期一引言引言逆变的概念逆变的概念 与整流相对应，与整流相对应，直流电直流电变成变成交流电交流电。交流侧接电网，为交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变无源逆变，本章主要讲述无源逆变。，本章主要讲述无源逆变。逆变与变频逆变与变频 变频电路：分为变频电路：分为交交变频交交变频和和交直交变频交直交变频两种。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。一部分就是逆变。逆变电路的逆变电路的主要应用主要应用 各种直流电源，如蓄
2、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、不间断电源、感应加热电源等电力电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。子装置的核心部分都是逆变电路。2第2页，共47页，编辑于2022年，星期一4.1 换流方式换流方式 4.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 4.1.2 换流方式分类换流方式分类3第3页，共47页，编辑于2022年，星期一4.1.1 逆变电路的基本工作原理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以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 S1S4
3、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断开，断开，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。改变改变两组开关的切换频率两组开关的切换频率，即可改变输出，即可改变输出交流电的频率交流电的频率。电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流io和和uo的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。阻感负载时，阻感负载
4、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第4页，共47页，编辑于2022年，星期一4.1.2 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，也称为电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相换相。研究换流方式主要是研究研究换流方式主要是研究如何使器件关断如何使器件关断。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）利用利用全控型器件的自关断能力全控型器件的自关断能力进行换流。进行换流。在采用在采用IGBT、电力、电力MOSFET、GTO
5、、GTR等全控型等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。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）电网电网提供提供换流电压换流电压的换流方式。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。电路。5第5页，共47页，编辑于2022年，星期一4.1.2 换流方式分类换流方式分类a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iV
6、T2iVT3uVT1uVT4图图4-2 负载换流电路及其工作波形负载换流电路及其工作波形 负载换流（负载换流（Load Commutation）由由负载负载提供提供换流电压换流电压的换流方式。的换流方式。负载负载电流电流的的相位超前相位超前于负载于负载电压电压的场合，都可的场合，都可实现负载换流，如电容性负载和同步电动机。实现负载换流，如电容性负载和同步电动机。图图4-2a是基本的负载换流逆变电路，整个负载工是基本的负载换流逆变电路，整个负载工作在接近作在接近并联谐振状态并联谐振状态而略呈而略呈容性容性，直流侧串大，直流侧串大电感，工作过程可认为电感，工作过程可认为id基本没有脉动。基本没有脉
7、动。负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以所以uo接近接近正弦波正弦波。注意触发注意触发VT2、VT3的时刻的时刻t1必须在必须在uo过零前并过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。6第6页，共47页，编辑于2022年，星期一4.1.2 换流方式分类换流方式分类强迫换流（强迫换流（Forced Commutation）设置设置附加的换流电路附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加，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。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
8、通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为也称为电容换流电容换流。分类分类 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流：由换流电路内电容直接提供：由换流电路内电容直接提供换流电压。换流电压。电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的电容和：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。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，预先给电容处于通态时，预先给电容充电。当充电。当S合上，就可使合上，就可使VT被施加反压而关断。被施加反压而关断。也叫电压换流。也叫电压换流。图图4-3 直接耦合式强
9、迫换直接耦合式强迫换流原理图流原理图 7第7页，共47页，编辑于2022年，星期一4.1.2 换流方式分类换流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振荡振荡第一个半周期第一个半周期内关断，图内关断，图4-4b中晶闸管在中晶闸管在LC振荡振荡第二个半周第二个半周期期内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。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。管上的管压降就是加在
10、晶闸管上的反向电压。也叫也叫电流换流电流换流。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图 换流方式总结换流方式总结 器件换流器件换流只适用于只适用于全控型器件全控型器件，其余三种方式主要是针对，其余三种方式主要是针对晶闸管晶闸管而言的。而言的。器件换流和强迫换流属于器件换流和强迫换流属于自换流自换流，电网换流和负载换流属于，电网换流和负载换流属于外部换流外部换流。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，则称为熄灭熄灭。8第8页，共47页，编辑于2022年，星期一4.2 电
11、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9第9页，共47页，编辑于2022年，星期一4.2 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 电压型电压型逆变电路：直流侧是电压源。逆变电路：直流侧是电压源。电流型电流型逆变电路：直流侧是电流源。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 直流侧为直流侧为电压源电压源或并联或并联大电容大电容，直流侧电压基本无脉动。，直流侧电压基本无脉动。由于直流电压源的由于直流电压源的钳位作
12、用钳位作用，输出电压为，输出电压为矩形波矩形波，输出电流因负载阻抗不同，输出电流因负载阻抗不同而不同。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馈的无功能量提供通道，逆阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联变桥各臂并联反馈二极管反馈二极管。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）10第10页，共47页，编辑于2022年，星期一4.2.1 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
13、型逆变单相半桥电压型逆变电路及其工作波形电路及其工作波形 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的在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容电容，两个电容的两个电容的联结点联结点便成为直流电源的便成为直流电源的中点中点，负，负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。间。工作原理工作原理 设开关器件设开关器件V1和和V2的栅极信号在一个周期的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。输出电压输出电压uo为为矩形波矩形波，其幅值为，其幅值为Um=Ud/2。电路带电路带阻感负载阻感负载，t2时
14、刻给时刻给V1关断信号，关断信号，给给V2开通信号，则开通信号，则V1关断，但感性负载中的电流关断，但感性负载中的电流io不不能立即改变方向，于是能立即改变方向，于是VD2导通续流，当导通续流，当t3时刻时刻io降降零时，零时，VD2截止，截止，V2开通，开通，io开始反向，由此得出如图开始反向，由此得出如图所示的电流波形。所示的电流波形。11第11页，共47页，编辑于2022年，星期一4.2.1 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 单相半桥电压型逆变电单相半桥电压型逆变电路及其工作
15、波形路及其工作波形 V1或或V2通时，通时，io和和uo同方向同方向，直流，直流侧向负载提供能量；侧向负载提供能量；VD1或或VD2通时，通时，io和和uo反向反向，电感中贮能向直流侧反馈。，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为称为反馈二极管反馈二极管,它又起着它又起着使负载电流连续的作用，又称使负载电流连续的作用，又称续流二续流二极管极管。优点是简单，使用器件少；其缺点优点是简单，使用器件少；其缺点是输出交流电压的幅值是输出交流电压的幅值Um仅为仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容器串联，工作时且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡；因此，还要控制两个电容器电压的
16、均衡；因此，半桥电路常用于半桥电路常用于几几kW以下以下的小功率逆的小功率逆变电源。变电源。12第12页，共47页，编辑于2022年，星期一4.2.1 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，可看成共四个桥臂，可看成两个半桥电路两个半桥电路组合而成。组合而成。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形状相同，但幅值高出一倍。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。来实现。Ud的矩形波的矩形
17、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)13第13页，共47页，编辑于2022年，星期一4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路a)b)图图4-7 单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路的移相调压方式的移相调压方式 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（0 180）。）。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 的脉冲。的脉冲。工作过程工作过程
18、t1时刻前时刻前V1和和V4导通，导通，uo=Ud。t1时刻时刻V4截止，而因负载电感中的电流截止，而因负载电感中的电流io不能突不能突变，变，V3不能立刻导通，不能立刻导通，VD3导通续流，导通续流，uo=0。t2时刻时刻V1截止，而截止，而V2不能立刻导通，不能立刻导通，VD2导通续导通续流，和流，和VD3构成电流通道，构成电流通道，uo=-Ud。到负载电流过零并开始反向时，到负载电流过零并开始反向时，VD2和和VD3截截止，止，V2和和V3开始导通，开始导通，uo仍为仍为-Ud。t3时刻时刻V3截止，而截止，而V4不能立刻导通，不能立刻导通，VD4导通续导通续流，流，uo再次为零再次为零
19、。改变改变 就可调节输出电压就可调节输出电压。14第14页，共47页，编辑于2022年，星期一4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路图图4-8 带中心抽头变压器的带中心抽头变压器的逆变电路逆变电路 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 交替驱动交替驱动两个两个IGBT，经变压器耦合给，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用也是提供两个二极管的作用也是提供无功能量的无功能量的反馈通道反馈通道。Ud和负载参数相同，变压器匝比为和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，时，uo和和io波形及幅值与全桥逆变电路完全波形及幅值与全桥逆变电
20、路完全相同。相同。与全桥电路相比较与全桥电路相比较 比全桥电路少用比全桥电路少用一半开关器件一半开关器件。器件承受的电压为器件承受的电压为2Ud，比全桥电路，比全桥电路高一倍。高一倍。必须有一个必须有一个变压器变压器。15第15页，共47页，编辑于2022年，星期一4.2.2 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。三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 基本工作方式是基本工作方式是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，各相开始导电的角度差同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差
21、120，任一瞬间有，任一瞬间有三个桥臂三个桥臂同时导通。同时导通。每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流纵向换流。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16第16页，共47页，编辑于2022年，星期一4.2.2 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)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形电压型三相桥式逆变电路的工作波形 工作波形工作波形 对于对于U相输出来说
22、，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的波形是的波形是幅值为幅值为Ud/2的矩形波的矩形波，V、W两相的两相的情况和情况和U相类似。相类似。负载线电压负载线电压uUV、uVW、uWU可由下式求出可由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)17第17页，共47页，编辑于2022年，星期一4.2.2 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)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-1
23、0 电压型三相桥式逆变电路的工作波形电压型三相桥式逆变电路的工作波形 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，则有设负载为三相对称负载，则有uUN+uVN+uWN=0，故可得故可得 负载参数已知时，可以由负载参数已知时，可以由uUN的波形求出的波形求出U相电流相电流iU的波形，图的波形，图4-10g给出的是阻感负载下给出的是阻感负载下 时时iU的波形。的波形。把桥臂把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得到直流的电流加起来，就可得到直流侧电流侧电流id的波形，如图的波形，如图4-10h所示，可以看出所示，可以看出id每每隔隔60脉动一次。脉动一次。(4-6)(4-
24、7)18第18页，共47页，编辑于2022年，星期一4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路基本的数量关系基本的数量关系 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)19第19页，共47页，编辑于2022年，星期一4.2.2 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。负载相电压有效值负载相
25、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，要采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，要采取取“先断后通先断后通”的方法。的方法。(4-12)(4-13)(4-14)(4-15)20第20页，共47页，编辑于2022年，星期一UUV7=2 Ud/（3.147 ）=22.3（V）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。试求输出相电压的基波幅值。
26、试求输出相电压的基波幅值UUN1m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和有效值和有效值UUV1、输出线电压中、输出线电压中7次谐波次谐波的有效值的有效值UUV7。解：解：0.4520090（V）0.637200127.4（V）1.1200=220（V）0.78200=156（V）21第21页，共47页，编辑于2022年，星期一4.3 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22第22页，共47页，编辑于2022年，星期一4.3 电流型逆变电路电流型逆变电路引言引言直
27、流电源为直流电源为电流源电流源的逆变电路称为电流的逆变电路称为电流型逆变电路。型逆变电路。电流型逆变电路主要特点电流型逆变电路主要特点 直流侧串直流侧串大电感大电感，电流基本无脉动，电流基本无脉动，相当于电流源。相当于电流源。交流输出电流为交流输出电流为矩形波矩形波，与负载阻，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同。负载不同而不同。直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。必给开关器件反并联二极管。电流型逆变电路中，采用电流型逆变电路中，采用半控型器件半控型器件的的电路仍应用较多，换流方式有电路仍应
28、用较多，换流方式有负载换负载换流流、强迫换流强迫换流。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 23第23页，共47页，编辑于2022年，星期一4.3.1 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，每个桥臂的晶由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个闸管各串联一个电抗器电抗器，用来限制晶，用来限制晶闸管开通时的闸管开通时的di/dt。采用采用负载换相负载换相方式工作的，要求负方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性容性。电容电容C和和L、R构成构成并联谐振电路并联谐振电路。输出电流波形接近输出电流
29、波形接近矩形波矩形波，含基，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。基波。图图4-12 单相桥式电流型（并联谐振单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路式）逆变电路 24第24页，共47页，编辑于2022年，星期一4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路工作波形分析工作波形分析 在交流电流的一个周期内，有在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段两个稳定导通阶段和和两个换流阶两个换流阶段段。t1t2：VT1和和VT4稳定导通阶段，稳定导通阶段，io=Id，t2时刻前在时刻前在C上建立了上建立了左正右左正右负负的电压。的电压。在在t2时刻触发时刻触发VT2和
30、和VT3开通，开通，开始进入换流阶段。开始进入换流阶段。由于换流由于换流电抗器电抗器LT的作用，的作用，VT1 和和VT4不能立刻关断，其电流有不能立刻关断，其电流有一个减小过程，一个减小过程，VT2和和VT3的电流也的电流也有一个增大过程。有一个增大过程。图图4-13 并联谐振式逆变电路工作波形并联谐振式逆变电路工作波形 25第25页，共47页，编辑于2022年，星期一4.3.1 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、L
31、T3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转移到转移到VT2、VT3，换流阶换流阶段结束段结束。图图4-13 并联谐振式逆变电路工作波形并联谐振式逆变电路工作波形 26第26页，共47页，编辑于2022年，星期一4.3.1 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工作波形并联谐振式逆变电路工作波形 晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，t4时刻换流
32、结束后还要使时刻换流结束后还要使VT1、VT4承受一承受一段反压时间段反压时间t，t=t5-t4应大于晶闸管的关断时应大于晶闸管的关断时间间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时时刻触发刻触发VT2、VT3，t 为触发引前时间为触发引前时间 io超前于超前于uo的时间的时间（负载的功率因数角负载的功率因数角）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)27第27页，共47页，编辑于2022年，星期一4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路基本的数量关系基本的数量关系 io展开成傅里叶级数可得展开成傅里
33、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)28第28页，共47页，编辑于2022年，星期一4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路一般情况下一般情况下 值较小，可近似认为值较小，可近似认为cos(/2)1，再考虑到式，再考虑到式(4-18)可得可得 或或实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为化而自动调整，这种控制方式称为自励方式自励方式。固定工作频率的控制方式
34、称为固定工作频率的控制方式称为他励方式他励方式。自励方式存在自励方式存在起动问题起动问题，解决方法：，解决方法：先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。附加预充电起动电路。附加预充电起动电路。(4-21)29第29页，共47页，编辑于2022年，星期一4.3.2 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 基本工作方式是基本工作方式是120导电方式导电方式，每个臂一周期，每个臂一周期内导电内导电120，每个时刻上下桥臂组各
35、有一个臂导通。，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通。换流方式为换流方式为横向换流横向换流。波形分析波形分析 输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各120的的矩形波矩形波。输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。波形相同，谐波分析表达式也相同。输出线电压波形和负载性质有关，输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦大体为正弦波波，但叠加了一些脉冲。，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和直流电流和直流电流Id的关系为的关系为(4-22)30第30页
36、，共47页，编辑于2022年，星期一4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路图图4-15 串联二极管式晶闸管串联二极管式晶闸管逆变电路逆变电路 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系统。主要用于中大功率交流电动机调速系统。电路分析电路分析 是是电流型电流型三相桥式逆变电路，各桥臂的三相桥式逆变电路，各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。晶闸管和二极管串联使用。120导电工作方式导电工作方式，输出波形和图，输出波形和图4-14的波形大体相同。的波形大体相同。采用采用强迫换流强迫换流方式，电容方式，电容C1C6为换流电容。为换流电容。换流过程分析换
37、流过程分析 电容器所充电压的规律：对于共阳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极性极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零，共阴极的情况与此类的电容器电压为零，共阴极的情况与此类似，只是电压极性相反。似，只是电压极性相反。31第31页，共47页，编辑于2022年，星期一4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路-+UVW+-UVWa)+-UVWb)-+UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1
38、VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id-iV等效换流电容等效换流电容概念：图概念：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串联后再与串联后再与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。换流阶段分为换流阶段分为恒流放电恒流放电和和二极管换流二极管换流两个阶段。两个阶段。t1时刻触发时刻触发VT3导通导通，VT1被施以反压而被施以反压而关断关断，Id从从VT1换到换到VT3，C13通过通
39、过VD1、U相相负载、负载、W相负载、相负载、VD2、VT2、直流电源和、直流电源和VT3放电，放电电流恒为放电，放电电流恒为Id，故称，故称恒流放电阶恒流放电阶段段，如图，如图416b。图图4-16 换流过程各阶段的电流路径换流过程各阶段的电流路径 32第32页，共47页，编辑于2022年，星期一4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路-+UVW+-UVWa)+-UVWb)-+UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU
40、=Id-iV图图4-16 换流过程各阶段的电流路径换流过程各阶段的电流路径 uC13下降到零之前，下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于承受反压，反压时间大于tq就能保证可靠关断。就能保证可靠关断。t2时刻时刻uC13降到零，之后降到零，之后C13反向充电，忽略负载电阻压降，则二极管反向充电，忽略负载电阻压降，则二极管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，进入同时导通，进入二极管换流阶段二极管换流阶段。随着随着C13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时刻时刻iU减到零，减到零，iV=Id，VD1承
41、受反压而关断，承受反压而关断，二极管换流阶段结束。二极管换流阶段结束。t3以后，进入以后，进入VT2、VT3稳定导通阶段稳定导通阶段。33第33页，共47页，编辑于2022年，星期一4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路ttOuOiUCOuC13uC5uC3-UCOIdiUiVt1t2t3图图4-17 串联二极管晶闸管逆串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形变电路换流过程波形 从从VT1向向VT3换流的过程中，如果负载为换流的过程中，如果负载为交流电动机交流电动机，则在，则在t2时刻时刻uC13降至零时，如降至零时，如电机反电动势电机反电动势eVU0，则，则VD3仍承受反向电压仍承受反
42、向电压而不能导通。直到而不能导通。直到uC13升高到升高到与与eVU相等相等后，后，VD3才承受正向电压而导通，进入才承受正向电压而导通，进入VD3和和VD1同时导通的二极管换流阶段。同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的的波形图。波形图。uC1的波形和的波形和uC13完全相同。完全相同。uC3从从零零变到变到-UC0，uC5从从UC0变到变到零零，变，变化幅度是化幅度是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120后从后从VT3到到VT5换流时的要求，为下次换流准备好了条件。换流时的要求，为下次换流
43、准备好了条件。34第34页，共47页，编辑于2022年，星期一4.3.2 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工作波形无换相器电动机电路工作波形 图图4-18 无换相器电动机的基本电路无换相器电动机的基本电路 负载为同步电动机负载为同步电动机 其工作特性和调速方式都和直流电动机相其工作特性和调速方式都和直流电动机相似，但没有换向器，因此被称为似，但没有换向器，因此被称为无换向器电动无换向器电动机机。采用采用120导电方式导电方式，利用电动机
44、，利用电动机反电势反电势实现实现换流。换流。BQ是转子位置检测器，用来检测磁极是转子位置检测器，用来检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲。发脉冲。35第35页，共47页，编辑于2022年，星期一4.4 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36第36页，共47页，编辑于2022年，星期一4.4 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电压型逆变电路的输出电压是矩形波，逆变电路的输出电压是矩形波，电流型电流型逆变电路的逆
45、变电路的输出电流是矩形波，输出电流是矩形波，矩形波矩形波中含有较多的中含有较多的谐波谐波，对负，对负载会产生不利影响。载会产生不利影响。常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，使之常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，使之成为成为接近正弦波接近正弦波的波形。的波形。也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，它能够输也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，它能够输出较多的电平，从而使输出电压向正弦波靠近。出较多的电平，从而使输出电压向正弦波靠近。37第37页，共47页，编辑于2022年，星期一4.4.1 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-
46、20 二重单相逆变电路二重单相逆变电路 图图4-21 二重逆变电路的工作波形二重逆变电路的工作波形 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，输出通过变压器两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器T1和和T2串联串联起来。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次谐波就错开了次谐波就错开了360=180，变压器串联合成后，变压器串联合成后，3次谐波互相抵消次谐波互相抵消，总，总输出电压中不含输出电压中不含3次谐波。次谐波。uo波形是波形是120矩形波，含矩形波，含6k
47、1次谐波次谐波，3k次次谐波都被抵消。谐波都被抵消。由此得出的一些结论由此得出的一些结论 把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起把若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相互抵消，就可来，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。以得到较为接近正弦波的波形。多重逆变电路有多重逆变电路有串联多重串联多重和和并联多重并联多重两种方式，两种方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，电流型逆变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。电路多用并联多重方式。38第38页，共47页，编辑于2022年，星期一4.4.1 多重逆
48、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电路 电路分析电路分析 由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过变压器串联变压器串联合成。合成。两个逆变电路均为两个逆变电路均为180导通方式导通方式。工作时，逆变桥工作时，逆变桥II的相位比逆变的相位比逆变桥桥I滞后滞后30。T1为为/Y联结，线电压变比为联结，线电压变比为 ，T2一次侧一次侧联结，二次侧两绕组联结，二次侧两绕组曲折星形曲折星形接法接法，其二次电压相对于一次电压而言，比，其二次电压相对于一次电压而言，比T1的接法超前的接法超前3
49、0，以抵消逆变桥，以抵消逆变桥II比逆变比逆变桥桥I滞后的滞后的30，这样，这样uU2和和uU1的的基波相位就基波相位就相同相同。如果如果T2和和T1一次侧匝数相同，为了使一次侧匝数相同，为了使uU2和和uU1基波幅值相同基波幅值相同，T2和和T1二次侧间的二次侧间的匝比就应为匝比就应为 。39第39页，共47页，编辑于2022年，星期一4.4.1 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
50、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 工作波形工作波形 T1、T2二次侧基波电压合成二次侧基波电压合成情况的相量图如图情况的相量图如图4-23所示，图中所示，图中UA1、UA21、UB22分别是变压器分别是变压器绕组绕组A1、A21、B22上的基波电压上的基波电压相量。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。40第40页，共47页，编辑于2022年，星期一4.4.1 多重逆变电路多重逆变电路基本的数量关系基本的数量关系 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