第4章逆變電路ppt課件

1、第第4章章 逆變電路逆變電路 4.1 換流方式換流方式 4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 4.3 電流型逆變電路電流型逆變電路 4.4 多重逆變電路和多電平多重逆變電路和多電平逆變電路逆變電路 本章小結(jié)本章小結(jié)引言引言逆變的概念逆變的概念 與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。 交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。 交流側(cè)接負載，為無源逆變，本章主要講述無源逆交流側(cè)接負載，為無源逆變，本章主要講述無源逆變。變。逆變與變頻逆變與變頻 變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。 交直交變頻由交直變換整流和直交變換兩

2、部分交直交變頻由交直變換整流和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。組成，后一部分就是逆變。逆變電路的主要運用逆變電路的主要運用 各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。 交流電機調(diào)速用變頻器、不延續(xù)電源、感應(yīng)加熱電源交流電機調(diào)速用變頻器、不延續(xù)電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子安裝的中心部分都是逆變電路。等電力電子安裝的中心部分都是逆變電路。4.1 換流方式換流方式 4.1.1 逆變電路的根本任務(wù)原理逆變電路的根本任務(wù)原理 4.1.2 換流方式分類換流方式分類4.1.1 逆變電路的根本任務(wù)原理逆變電路的根本任務(wù)原理以單相橋式逆變電路為例闡明最根本

3、的任務(wù)原理以單相橋式逆變電路為例闡明最根本的任務(wù)原理 S1S4是橋式電路的是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。 負載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2 當(dāng)開關(guān)當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合，閉合，S2、S3斷開時，負載電壓斷開時，負載電壓uo為正；當(dāng)開關(guān)為正；當(dāng)開關(guān)S1、S4斷斷開，開，S2、S3閉合時，閉合時，uo為負，這樣就把直流電變成了交流電。為負，這樣就把直流電變成了交流電。 改動兩組開關(guān)的切換頻率，即可改動輸出交流電的頻率。改動兩組開關(guān)的切換頻率，即可改動輸出交流電的頻率。 電阻負載時，負載電流電阻負載時，負載電流io和和u

4、o的波形一樣，相位也一樣。的波形一樣，相位也一樣。 阻感負載時，阻感負載時，io相位滯后于相位滯后于uo，波形也不同。，波形也不同。圖圖4-1 逆變電路及其波形舉例逆變電路及其波形舉例 4.1.2 換流方式分類換流方式分類換流換流 電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。 研討換流方式主要是研討如何使器件關(guān)斷。研討換流方式主要是研討如何使器件關(guān)斷。換流方式分為以下幾種換流方式分為以下幾種 器件換流器件換流Device Commutation 利用全控型器件的自關(guān)斷才干進展換流。利用全控型器件的自關(guān)斷才干進展換流。 在采用在采用IGBT

5、 、電力、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。型器件的電路中的換流方式是器件換流。 電網(wǎng)換流電網(wǎng)換流Line Commutation 電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。 將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需求器件具有門極可關(guān)斷才干，但不適用于沒有斷。不需求器件具有門極可關(guān)斷才干，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。交流電網(wǎng)的無源逆變電路。4.1.2 換流方式分類換流方式分類a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2i

6、VT3uVT1uVT4圖圖4-2 負載換流電路及其任務(wù)波形負載換流電路及其任務(wù)波形 負載換流負載換流Load Commutation 由負載提供換流電壓的換流方式。由負載提供換流電壓的換流方式。 負載電流的相位超前于負載電壓的場所，負載電流的相位超前于負載電壓的場所，都可實現(xiàn)負載換流，如電容性負載和同步電都可實現(xiàn)負載換流，如電容性負載和同步電動機。動機。 圖圖4-2a是根本的負載換流逆變電路，整是根本的負載換流逆變電路，整個負載任務(wù)在接近并聯(lián)諧振形狀而略呈容性，個負載任務(wù)在接近并聯(lián)諧振形狀而略呈容性，直流側(cè)串大電感，任務(wù)過程可以為直流側(cè)串大電感，任務(wù)過程可以為id根本沒根本沒有脈動。有脈動。

7、負載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小，負載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小，所以所以uo接近正弦波。接近正弦波。 留意觸發(fā)留意觸發(fā)VT2、VT3的時辰的時辰t1必需在必需在uo過零前并留有足夠的裕量，才干使換流順利過零前并留有足夠的裕量，才干使換流順利完成。完成。4.1.2 換流方式分類換流方式分類強迫換流強迫換流Forced Commutation 設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流。迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流。 通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電

8、容換流。因此也稱為電容換流。 分類分類 直接耦合式強迫換流：由換流電路內(nèi)電容直接耦合式強迫換流：由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓。直接提供換流電壓。 電感耦合式強迫換流：經(jīng)過換流電路內(nèi)的電感耦合式強迫換流：經(jīng)過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流。電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流。 直接耦合式強迫換流直接耦合式強迫換流 如圖如圖4-3，當(dāng)晶閘管，當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時，預(yù)先給處于通態(tài)時，預(yù)先給電容充電。當(dāng)電容充電。當(dāng)S合上，就可使合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)被施加反壓而關(guān)斷。斷。 也叫電壓換流。也叫電壓換流。 圖圖4-3 直接耦合式直接耦合式強迫換流原理圖強迫換流原理

9、圖 4.1.2 換流方式分類換流方式分類電感耦合式強迫換流電感耦合式強迫換流 圖圖4-4a中晶閘管在中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷，圖振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷，圖4-4b中晶閘管在中晶閘管在LC振蕩振蕩第二個半周期內(nèi)關(guān)斷，留意兩圖中電容所充的電壓極性不同。第二個半周期內(nèi)關(guān)斷，留意兩圖中電容所充的電壓極性不同。 在這兩種情況下，晶閘管都是在正向電流減至零且二極管開場流過電流時在這兩種情況下，晶閘管都是在正向電流減至零且二極管開場流過電流時關(guān)斷，二極管上的管壓降就是加在晶閘管上的反向電壓。關(guān)斷，二極管上的管壓降就是加在晶閘管上的反向電壓。 也叫電流換流。也叫電流換流。圖圖4-4 電感耦合式強迫

10、換流原理圖電感耦合式強迫換流原理圖 換流方式總結(jié)換流方式總結(jié) 器件換流只適用于全控型器件，其他三種方式主要是針對晶閘管而言的。器件換流只適用于全控型器件，其他三種方式主要是針對晶閘管而言的。 器件換流和強迫換流屬于自換流，電網(wǎng)換流和負載換流屬于外部換流。器件換流和強迫換流屬于自換流，電網(wǎng)換流和負載換流屬于外部換流。 當(dāng)電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而當(dāng)電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱悖敲捶Q為熄滅。變?yōu)榱?，那么稱為熄滅。 4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 4.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 4.2.2 三相電壓型逆

11、變電路三相電壓型逆變電路4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路引言引言根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同，可以分為兩類根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同，可以分為兩類 電壓型逆變電路：直流側(cè)是電壓源。電壓型逆變電路：直流側(cè)是電壓源。 電流型逆變電路：直流側(cè)是電流源。電流型逆變電路：直流側(cè)是電流源。電壓型逆變電路的特點電壓型逆變電路的特點 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓根本無脈動。直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓根本無脈動。 由于直流電壓源的鉗位作用，輸出電壓為矩形波，輸出電流因負由于直流電壓源的鉗位作用，輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同。載阻抗不同而不同。 阻感負載時需提供無功功率，為了

12、給交流側(cè)向直流側(cè)反響的無功阻感負載時需提供無功功率，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反響的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反響二極管。能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反響二極管。圖圖4-5 電壓型逆變電路舉例全橋逆變電路電壓型逆變電路舉例全橋逆變電路 4.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖圖4-6 單相半橋電壓型逆單相半橋電壓型逆變電路及其任務(wù)波形變電路及其任務(wù)波形 半橋逆變電路半橋逆變電路 在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的結(jié)合點便成為直流電的電

13、容，兩個電容的結(jié)合點便成為直流電源的中點，負載聯(lián)接在直流電源中點和兩源的中點，負載聯(lián)接在直流電源中點和兩個橋臂結(jié)合點之間。個橋臂結(jié)合點之間。 任務(wù)原理任務(wù)原理 設(shè)開關(guān)器件設(shè)開關(guān)器件V1和和V2的柵極信號在一的柵極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補。者互補。 輸出電壓輸出電壓uo為矩形波，其幅值為為矩形波，其幅值為Um=Ud/2。 電路帶阻感負載，電路帶阻感負載，t2時辰給時辰給V1關(guān)斷關(guān)斷信號，給信號，給V2開通訊號，那么開通訊號，那么V1關(guān)斷，但感關(guān)斷，但感性負載中的電流性負載中的電流io不能立刻改動方向，于不能立刻改動方向，于是是VD2導(dǎo)

14、通續(xù)流，當(dāng)導(dǎo)通續(xù)流，當(dāng)t3時辰時辰io降零時，降零時，VD2截止，截止，V2開通，開通，io開場反向，由此得出如開場反向，由此得出如下圖的電流波形。下圖的電流波形。 4.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖圖4-6 單相半橋電壓型逆單相半橋電壓型逆變電路及其任務(wù)波形變電路及其任務(wù)波形 V1或或V2通時，通時，io和和uo同方向，同方向，直流側(cè)向負載提供能量；直流側(cè)向負載提供能量；VD1或或VD2通時，通時，io和和uo反向，電感中貯反向，電感中貯能向直流側(cè)反響。能向直流側(cè)反響。VD

15、1、VD2稱為稱為反響二極管反響二極管,它又起著使負載電流它又起著使負載電流延續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。延續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。優(yōu)點是簡單，運用器件少；其缺優(yōu)點是簡單，運用器件少；其缺陷是輸出交流電壓的幅值陷是輸出交流電壓的幅值Um僅為僅為Ud/2，且直流側(cè)需求兩個電容器串，且直流側(cè)需求兩個電容器串聯(lián)，任務(wù)時還要控制兩個電容器電聯(lián)，任務(wù)時還要控制兩個電容器電壓的平衡；因此，半橋電路常用于壓的平衡；因此，半橋電路常用于幾幾kW以下的小功率逆變電源。以下的小功率逆變電源。 4.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路全橋逆變電路全橋逆變電路 共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。共四個橋

16、臂，可看成兩個半橋電路組合而成。 兩對橋臂交替導(dǎo)通兩對橋臂交替導(dǎo)通180。 輸出電壓和電流波形與半橋電路外形一樣，但幅值高出一倍。輸出電壓和電流波形與半橋電路外形一樣，但幅值高出一倍。 在這種情況下，要改動輸出交流電壓的有效值只能經(jīng)過改動直流電壓在這種情況下，要改動輸出交流電壓的有效值只能經(jīng)過改動直流電壓Ud來實現(xiàn)。來實現(xiàn)。 Ud的矩形波的矩形波uo展開成傅里葉級數(shù)得展開成傅里葉級數(shù)得tttUu5sin513sin31sin4do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分別為分別為 ddo1m27.14UUUdd1o9 . 022UUU圖圖4-5 全橋逆變電路全橋逆變

17、電路 (4-1)(4-2)(4-3)4.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路a)b)圖圖4-7 單相全橋逆變電單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式路的移相調(diào)壓方式 移相調(diào)壓方式移相調(diào)壓方式 V3的基極信號比的基極信號比V1落后落后0180。V3、V4的柵極信號分別比的柵極信號分別比V2、V1的前移的前移180-。輸出電壓是正負各為。輸出電壓是正負各為的脈沖。的脈沖。 任務(wù)過程任務(wù)過程 t1時辰前時辰前V1和和V4導(dǎo)通，導(dǎo)通， uo=Ud。 t1時辰時辰V4截止，而因負載電感中的電截止，而因負載電感中的電流流io不能突變，不能突變，V3不能立刻導(dǎo)通，不能立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通導(dǎo)通續(xù)流，續(xù)流，uo

18、=0。 t2時辰時辰V1截止，而截止，而V2不能立刻導(dǎo)通，不能立刻導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，構(gòu)成電流通道，uo=-Ud。 到負載電流過零并開場反向時，到負載電流過零并開場反向時，VD2和和VD3截止，截止，V2和和V3開場導(dǎo)通，開場導(dǎo)通，uo仍為仍為-Ud。 t3時辰時辰V3截止，而截止，而V4不能立刻導(dǎo)通，不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，導(dǎo)通續(xù)流，uo再次為零。再次為零。 改動改動就可調(diào)理輸出電壓。就可調(diào)理輸出電壓。4.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路圖圖4-8 帶中心抽頭變帶中心抽頭變壓器的逆變電路壓器的逆變電路 帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭

19、變壓器的逆變電路 交替驅(qū)動兩個交替驅(qū)動兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦，經(jīng)變壓器耦合給負載加上矩形波交流電壓。合給負載加上矩形波交流電壓。 兩個二極管的作用也是提供無功能兩個二極管的作用也是提供無功能量的反響通道。量的反響通道。 Ud和負載參數(shù)一樣，變壓器匝比和負載參數(shù)一樣，變壓器匝比為為1：1：1時，時，uo和和io波形及幅值與全波形及幅值與全橋逆變電路完全一樣。橋逆變電路完全一樣。 與全橋電路相比較與全橋電路相比較 比全橋電路少用一半開關(guān)器件。比全橋電路少用一半開關(guān)器件。 器件接受的電壓為器件接受的電壓為2Ud，比全橋，比全橋電路高一倍。電路高一倍。 必需有一個變壓器。必需有一個變壓器。 4.2.

20、2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路。三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路。三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路 根本任務(wù)方式是根本任務(wù)方式是180導(dǎo)電方式。導(dǎo)電方式。 同一相即同一半橋上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開場導(dǎo)電的角度同一相即同一半橋上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開場導(dǎo)電的角度差差120 ，任一瞬間有三個橋臂同時導(dǎo)通。，任一瞬間有三個橋臂同時導(dǎo)通。 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進展，也稱為縱向換流。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進展，也稱為縱向換流。圖圖4-9 三相電壓型橋式逆變電路三相電壓型橋式逆變電路 假想中點假想中點4.2.2 三相電壓型逆變

21、電路三相電壓型逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3圖圖4-10 電壓型三相橋式逆變電路的任務(wù)波形電壓型三相橋式逆變電路的任務(wù)波形 任務(wù)波形任務(wù)波形 對于對于U相輸出來說，當(dāng)橋臂相輸出來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時，導(dǎo)通時，uUN=Ud/2，當(dāng)橋臂，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時，導(dǎo)通時，uUN=-Ud/2，uUN的波形是幅值為的波形是幅值為Ud/2的矩形的矩形波，波，V、W兩相的情況和兩相的情況和U相類似。相類似。 負載線電壓負載線電壓uUV、uVW、uWU可由可由下式求出下式求出 UNWNWUWNVNVWV

22、NUNUVuuuuuuuuu負載各相的相電壓分別為負載各相的相電壓分別為 NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu(4-4)(4-5)4.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3圖圖4-10 電壓型三相橋式逆變電路的任務(wù)波形電壓型三相橋式逆變電路的任務(wù)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)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu設(shè)負載為三相對稱負載，那么有設(shè)負載為三相對稱負載，那么有

23、uUN+uVN+uWN=0，故可得，故可得 )(31 WN VN UNNNuuuu負載參數(shù)知時，可以由負載參數(shù)知時，可以由uUN的波形求的波形求出出U相電流相電流iU的波形，圖的波形，圖4-10g給出的是給出的是阻感負載下阻感負載下 時時iU的波形。的波形。 3/把橋臂把橋臂1、3、5的電流加起來，就可的電流加起來，就可得到直流側(cè)電流得到直流側(cè)電流id的波形，如圖的波形，如圖4-10h所所示，可以看出示，可以看出id每隔每隔60脈動一次。脈動一次。 (4-6)(4-7)4.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路根本的數(shù)量關(guān)系根本的數(shù)量關(guān)系 把輸出線電壓把輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)得

24、展開成傅里葉級數(shù)得 nktnntUtttttUusin)1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV式中，式中， ，k為自然數(shù)。為自然數(shù)。16 kn輸出線電壓有效值輸出線電壓有效值UUV為為 d202UVUV816.0d21UtuU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分別為分別為 ddUV1m1 .132UUUddUV1mUV178. 062UUUU(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)4.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路 把把uUN展開成傅里葉級數(shù)得展開成傅里葉級數(shù)得 ntnntUtttttUusi

25、n1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2ddUN 式中，式中， ，k為自然數(shù)。為自然數(shù)。16 kn 負載相電壓有效值負載相電壓有效值UUN為為d202UNUN471.0d21UtuU 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分別為分別為ddUN1m637.02UUUdUN1mUN145.02UUU為了防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源的短路，為了防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源的短路，要采取要采取“先斷后通的方法。先斷后通的方法。 (4-12)(4-13)(4-14)(4-15)UUV7 =

26、2 Ud/3.147 =22.3V 4.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路例：三相橋式電壓型逆變電路，例：三相橋式電壓型逆變電路，180導(dǎo)電方式，導(dǎo)電方式，Ud=200V。試求輸出相電。試求輸出相電壓的基波幅值壓的基波幅值UUN1m和有效值和有效值UUN1、輸出線電壓的基波幅值、輸出線電壓的基波幅值UUV1m和有和有效值效值UUV1、輸出線電壓中、輸出線電壓中7次諧波的有效值次諧波的有效值UUV7。 解：解： 2dUN1mUN145. 02UUUddUN1m637. 02UUUddUV1m1.132UUUddUV1mUV178. 062UUUU0.4520090V 0.6372001

27、27.4V 1.1200=220V 0.78200=156V 34.3 電流型逆變電路電流型逆變電路 4.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路 4.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路4.3 電流型逆變電路電流型逆變電路引言引言直流電源為電流源的逆變電路稱直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。為電流型逆變電路。電流型逆變電路主要特點電流型逆變電路主要特點 直流側(cè)串大電感，電流根本無直流側(cè)串大電感，電流根本無脈動，相當(dāng)于電流源。脈動，相當(dāng)于電流源。 交流輸出電流為矩形波，與負交流輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關(guān)，輸出電壓波形和載阻抗角無關(guān)，輸出電壓波形和相位因負載不同而

28、不同。相位因負載不同而不同。 直流側(cè)電感起緩沖無功能量的直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不用給開關(guān)器件反并聯(lián)二作用，不用給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。極管。電流型逆變電路中，采用半控型電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍運用較多，換流方器件的電路仍運用較多，換流方式有負載換流、強迫換流。式有負載換流、強迫換流。圖圖4-11 電流型三相橋式逆變電路電流型三相橋式逆變電路 4.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路電路分析電路分析 由四個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的由四個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用來限晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用來限制晶閘管開通時的制晶閘管開通時的di/dt。 采用負

29、載換相方式任務(wù)的，要采用負載換相方式任務(wù)的，要求負載電流略超前于負載電壓，即求負載電流略超前于負載電壓，即負載略呈容性。負載略呈容性。 電容電容C和和L 、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。路。 輸出電流波形接近矩形波，含輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。小于基波。圖圖4-12 單相橋式電流型單相橋式電流型并聯(lián)諧振式逆變電路并聯(lián)諧振式逆變電路 4.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路任務(wù)波形分析任務(wù)波形分析 在交流電流的一個周期內(nèi)，在交流電流的一個周期內(nèi)，有兩個穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個換有兩個穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個換流階段。流階段。

30、t1t2：VT1和和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通穩(wěn)定導(dǎo)通階段，階段，io=Id，t2時辰前在時辰前在C上上建立了左正右負的電壓。建立了左正右負的電壓。 在在t2時辰觸發(fā)時辰觸發(fā)VT2和和VT3開開通，開場進入換流階段。通，開場進入換流階段。 由于換流電抗器由于換流電抗器LT的作的作用，用， VT1 和和VT4不能立刻關(guān)斷，不能立刻關(guān)斷，其電流有一個減小過程，其電流有一個減小過程，VT2和和VT3的電流也有一個增大過的電流也有一個增大過程。程。 圖圖4-13 并聯(lián)諧振式逆變電路任務(wù)波形并聯(lián)諧振式逆變電路任務(wù)波形 4.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路 4個晶閘管全部導(dǎo)通，負個晶閘管全部導(dǎo)通，負 載電

31、容電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放載電容電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放 電回路同時放電。電回路同時放電。 一個回路是經(jīng)一個回路是經(jīng)LT1、 VT1、VT3、LT3回到回到 電容電容C。 另一個回路是經(jīng)另一個回路是經(jīng)LT2、 VT2、VT4、LT4回到回到 電容電容C。當(dāng)當(dāng)t=t4時，時，VT1、VT4電流減至零電流減至零而關(guān)斷，直流側(cè)電流而關(guān)斷，直流側(cè)電流Id全部從全部從VT1、VT4轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到VT2、VT3，換，換流階段終了。流階段終了。圖圖4-13 并聯(lián)諧振式逆變電路任務(wù)波形并聯(lián)諧振式逆變電路任務(wù)波形 4.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路t圖圖4-13 并聯(lián)諧振式逆變電路任務(wù)波形并聯(lián)諧振式逆變電路任務(wù)

32、波形 晶閘管需一段時間才干恢復(fù)正向阻晶閘管需一段時間才干恢復(fù)正向阻斷才干，斷才干，t4時辰換流終了后還要使時辰換流終了后還要使VT1、VT4接受一段反壓時間接受一段反壓時間t，t= t5- t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時間應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時間tq。為保證可靠換流應(yīng)在為保證可靠換流應(yīng)在uo過零前過零前t = t5- t2時辰觸發(fā)時辰觸發(fā)VT2、VT3，t為觸發(fā)為觸發(fā)引前時間引前時間 tttio超前于超前于uo的時間的時間負載的功率因數(shù)負載的功率因數(shù)角角 ttt2把把t表示為電角度表示為電角度弧度可得弧度可得22tt(4-16)(4-17)(4-18)4.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路根

33、本的數(shù)量關(guān)系根本的數(shù)量關(guān)系 io展開成傅里葉級數(shù)可得展開成傅里葉級數(shù)可得 tttIi5sin513sin31sin4do負載電壓有效值負載電壓有效值Uo和直流電壓和直流電壓Ud的關(guān)系的關(guān)系 其基波電流有效值其基波電流有效值Io1為為 dd1o9 .024III2cos)2cos(22cos)cos(2dsin21d1oo)(o)(dUUttUtuUAB(4-19)(4-20)4.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路普通情況下普通情況下值較小，可近似以為值較小，可近似以為cos(/2)1，再思索到式，再思索到式(4-18)可可得得 cos22odUU或或cos11. 1cos22ddoU

34、UU實踐任務(wù)過程中，感應(yīng)線圈參數(shù)隨時間變化，必需使任務(wù)頻率順應(yīng)實踐任務(wù)過程中，感應(yīng)線圈參數(shù)隨時間變化，必需使任務(wù)頻率順應(yīng)負載的變化而自動調(diào)整，這種控制方式稱為自勵方式。負載的變化而自動調(diào)整，這種控制方式稱為自勵方式。 固定任務(wù)頻率的控制方式稱為他勵方式。固定任務(wù)頻率的控制方式稱為他勵方式。 自勵方式存在起動問題，處理方法：自勵方式存在起動問題，處理方法： 先用他勵方式，系統(tǒng)開場任務(wù)后再轉(zhuǎn)入自勵方式。先用他勵方式，系統(tǒng)開場任務(wù)后再轉(zhuǎn)入自勵方式。 附加預(yù)充電起動電路。附加預(yù)充電起動電路。(4-21)4.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路tOtOtOtOIdiViWuUVU圖5-14 電流

35、型三相橋式逆變電路的輸出波形 圖5-11 電流型三相橋式逆變電路電路分析電路分析 根本任務(wù)方式是根本任務(wù)方式是120導(dǎo)電方式，每個臂導(dǎo)電方式，每個臂一周期內(nèi)導(dǎo)電一周期內(nèi)導(dǎo)電120，每個時辰上下橋臂組，每個時辰上下橋臂組各有一個臂導(dǎo)通。各有一個臂導(dǎo)通。 換流方式為橫向換流。換流方式為橫向換流。波形分析波形分析 輸出電流波形和負載性質(zhì)無關(guān)，正負脈輸出電流波形和負載性質(zhì)無關(guān)，正負脈沖各沖各120的矩形波。的矩形波。 輸出電流和三相橋整流帶大電感負載時輸出電流和三相橋整流帶大電感負載時的交流電流波形一樣，諧波分析表達式也一的交流電流波形一樣，諧波分析表達式也一樣。樣。 輸出線電壓波形和負載性質(zhì)有關(guān)，大

36、體輸出線電壓波形和負載性質(zhì)有關(guān)，大體為正弦波，但疊加了一些脈沖。為正弦波，但疊加了一些脈沖。 輸出交流電流的基波有效值輸出交流電流的基波有效值IU1和直流電和直流電流流Id的關(guān)系為的關(guān)系為 dd1U78. 06III(4-22)4.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路圖圖4-15 串聯(lián)二極管串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路式晶閘管逆變電路 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 主要用于中大功率交流電動機調(diào)速主要用于中大功率交流電動機調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)。 電路分析電路分析 是電流型三相橋式逆變電路，各是電流型三相橋式逆變電路，各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)運用。橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)

37、運用。 120導(dǎo)電任務(wù)方式，輸出波形導(dǎo)電任務(wù)方式，輸出波形和圖和圖4-14的波形大體一樣。的波形大體一樣。 采用強迫換流方式，電容采用強迫換流方式，電容C1C6為換流電容。為換流電容。 換流過程分析換流過程分析 電容器所充電壓的規(guī)律：對于共電容器所充電壓的規(guī)律：對于共陽極晶閘管，它與導(dǎo)通晶閘管相連一端陽極晶閘管，它與導(dǎo)通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負，不與導(dǎo)通晶閘極性為正，另一端為負，不與導(dǎo)通晶閘管相連的電容器電壓為零，共陰極的情管相連的電容器電壓為零，共陰極的情況與此類似，只是電壓極性相反。況與此類似，只是電壓極性相反。4.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路- - +UVW+

38、- -UVWa)+ - -UVWb)- - +UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV等效換流電容概念：圖等效換流電容概念：圖4-16中的換流電容中的換流電容C13就是圖就是圖4-14中的中的C3與與C5串聯(lián)串聯(lián)后再與后再與C1并聯(lián)的等效電容。并聯(lián)的等效電容。分析從分析從VT1向向VT3換流的過程換流的過程 假設(shè)換流前假設(shè)換流前VT1和和VT2通，通，C13電壓電壓UC0左正右負。左正右負。 換流階段分為恒流放

39、電和二極管換流兩個階段。換流階段分為恒流放電和二極管換流兩個階段。 t1時辰觸發(fā)時辰觸發(fā)VT3導(dǎo)通，導(dǎo)通，VT1被施以反壓而關(guān)斷，被施以反壓而關(guān)斷，Id從從VT1換到換到VT3，C13經(jīng)過經(jīng)過VD1、U相負載、相負載、W相負載、相負載、VD2、VT2、直流電源和、直流電源和VT3放電，放電電放電，放電電流恒為流恒為Id，故稱恒流放電階段，如圖，故稱恒流放電階段，如圖416b。圖圖4-16 換流過程各階段的電流途徑換流過程各階段的電流途徑 4.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路- - +UVW+ - -UVWa)+ - -UVWb)- - +UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2

40、VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV圖圖4-16 換流過程各階段的電流途徑換流過程各階段的電流途徑 uC13下降到零之前，下降到零之前，VT1接受反壓，反壓時間大于接受反壓，反壓時間大于tq就能保證可靠關(guān)斷。就能保證可靠關(guān)斷。t2時辰時辰uC13降到零，之后降到零，之后C13反向充電，忽略負載電阻壓降，那么二極管反向充電，忽略負載電阻壓降，那么二極管VD3導(dǎo)通，電流為導(dǎo)通，電流為iV，VD1電流為電流為iU=Id-iV，VD1和和VD3同時導(dǎo)通，進入

41、二極同時導(dǎo)通，進入二極管換流階段。管換流階段。隨著隨著C13電壓增高，充電電流漸小，電壓增高，充電電流漸小，iV漸大，漸大，t3時辰時辰iU減到零，減到零，iV=Id，VD1接受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段終了。接受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段終了。t3以后，進入以后，進入VT2、VT3穩(wěn)定導(dǎo)通階段。穩(wěn)定導(dǎo)通階段。4.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路ttOuOiUCOuC13uC5uC3- -UCOIdiUiVt1t2t3圖圖4-17 串聯(lián)二極管晶閘管串聯(lián)二極管晶閘管逆變電路換流過程波形逆變電路換流過程波形 從從VT1向向VT3換流的過程中，假設(shè)換流的過程中，假設(shè)負載為交流電動機，那么

42、在負載為交流電動機，那么在t2時辰時辰uC13降至零時，如電機反電動勢降至零時，如電機反電動勢eVU0，那么，那么VD3仍接受反向電壓而不仍接受反向電壓而不能導(dǎo)通。直到能導(dǎo)通。直到uC13升高到與升高到與eVU相等相等后，后，VD3才接受正向電壓而導(dǎo)通，進入才接受正向電壓而導(dǎo)通，進入VD3和和VD1同時導(dǎo)通的二極管換流階段。同時導(dǎo)通的二極管換流階段。 波形分析波形分析 圖圖4-17給出了電感負載時給出了電感負載時uC13、iU和和iV的波形圖。的波形圖。 uC1的波形和的波形和uC13完全一樣。完全一樣。 uC3從零變到從零變到-UC0，uC5從從UC0變變到零，變化幅度是到零，變化幅度是C1

43、的一半。的一半。 這些電壓恰好符合相隔這些電壓恰好符合相隔120后從后從VT3到到VT5換流時的要求，為下次換流換流時的要求，為下次換流預(yù)備好了條件。預(yù)備好了條件。 4.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路OOOOOtttOttVT4導(dǎo)通UVWiViWiUudMVT1導(dǎo)通VT3導(dǎo)通VT6導(dǎo)通VT5導(dǎo)通VT2導(dǎo)通uVT1圖圖4-19 無換相器電動機電路任務(wù)波形無換相器電動機電路任務(wù)波形 圖圖4-18 無換相器電動機的根本電路無換相器電動機的根本電路 負載為同步電動機負載為同步電動機 其任務(wù)特性和調(diào)速方式都和直流電其任務(wù)特性和調(diào)速方式都和直流電動機類似，但沒有換向器，因此被稱為動機類似，但

44、沒有換向器，因此被稱為無換向器電動機。無換向器電動機。 采用采用120導(dǎo)電方式，利用電動機導(dǎo)電方式，利用電動機反電勢實現(xiàn)換流。反電勢實現(xiàn)換流。 BQ是轉(zhuǎn)子位置檢測器，用來檢測是轉(zhuǎn)子位置檢測器，用來檢測磁極位置以決議什么時候給哪個晶閘管磁極位置以決議什么時候給哪個晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖。發(fā)出觸發(fā)脈沖。4.4 多重逆變電路和多電平逆變電路多重逆變電路和多電平逆變電路 4.4.1 多重逆變電路多重逆變電路 4.4.2 多電平逆變電路多電平逆變電路4.4 多重逆變電路和多電平逆變電路多重逆變電路和多電平逆變電路引言引言電壓型逆變電路的輸出電壓是矩形波，電流型逆電壓型逆變電路的輸出電壓是矩形波，電流型逆變電

45、路的輸出電流是矩形波，矩形波中含有較多變電路的輸出電流是矩形波，矩形波中含有較多的諧波，對負載會產(chǎn)生不利影響。的諧波，對負載會產(chǎn)生不利影響。 經(jīng)常采用多重逆變電路把幾個矩形波組合起來，經(jīng)常采用多重逆變電路把幾個矩形波組合起來，使之成為接近正弦波的波形。使之成為接近正弦波的波形。 也可以改動電路構(gòu)造，構(gòu)成多電平逆變電路，它也可以改動電路構(gòu)造，構(gòu)成多電平逆變電路，它可以輸出較多的電平，從而使輸出電壓向正弦波可以輸出較多的電平，從而使輸出電壓向正弦波接近。接近。 4.4.1 多重逆變電路多重逆變電路12060180tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo圖圖4-20 二重單相逆變電路二重單相逆變電路

46、 圖圖4-21 二重逆變電路的任務(wù)波形二重逆變電路的任務(wù)波形 二重單相電壓型逆變電路二重單相電壓型逆變電路 兩個單相全橋逆變電路組成，輸出經(jīng)過變兩個單相全橋逆變電路組成，輸出經(jīng)過變壓器壓器T1和和T2串聯(lián)起來。串聯(lián)起來。 輸出波形輸出波形 兩個單相的輸出兩個單相的輸出u1和和u2是是180矩形波。矩形波。 u1和和u2相位錯開相位錯開=60,其中的其中的3次諧波次諧波就錯開了就錯開了360=180，變壓器串結(jié)合成后，變壓器串結(jié)合成后，3次諧波相互抵消，總輸出電壓中不含次諧波相互抵消，總輸出電壓中不含3次諧波。次諧波。 uo波形是波形是120矩形波，含矩形波，含6k1次諧波，次諧波，3k次諧波都

47、被抵消。次諧波都被抵消。由此得出的一些結(jié)論由此得出的一些結(jié)論 把假設(shè)干個逆變電路的輸出按一定的相位把假設(shè)干個逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。 多重逆變電路有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種多重逆變電路有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種方式，電壓型逆變電路多用串聯(lián)多重方式，電方式，電壓型逆變電路多用串聯(lián)多重方式，電流型逆變電路多用并聯(lián)多重方式。流型逆變電路多用并聯(lián)多重方式。 4.4.1 多重逆變電路多重逆變電路圖圖4-22 三相電壓型二重逆變電路三相電壓型二重

48、逆變電路 三相電壓型二重逆變電路三相電壓型二重逆變電路 電路分析電路分析 由兩個三相橋式逆變電路構(gòu)成，由兩個三相橋式逆變電路構(gòu)成，輸出經(jīng)過變壓器串結(jié)合成。輸出經(jīng)過變壓器串結(jié)合成。 兩個逆變電路均為兩個逆變電路均為180導(dǎo)通方導(dǎo)通方式。式。 任務(wù)時，逆變橋任務(wù)時，逆變橋II的相位比逆的相位比逆變橋變橋I滯后滯后30。 T1為為/ Y結(jié)合，線電壓變比結(jié)合，線電壓變比為為 ，T2一次側(cè)一次側(cè)結(jié)合，二次側(cè)兩結(jié)合，二次側(cè)兩繞組曲折星形接法，其二次電壓相對繞組曲折星形接法，其二次電壓相對于一次電壓而言，比于一次電壓而言，比T1的接法超前的接法超前30，以抵消逆變橋，以抵消逆變橋II比逆變橋比逆變橋I滯后滯

49、后的的30，這樣，這樣uU2和和uU1的基波相位就的基波相位就一樣。一樣。 假設(shè)假設(shè)T2和和T1一次側(cè)匝數(shù)一樣，一次側(cè)匝數(shù)一樣，為了使為了使uU2和和uU1基波幅值一樣，基波幅值一樣，T2和和T1二次側(cè)間的匝比就應(yīng)為二次側(cè)間的匝比就應(yīng)為 。 3:13/14.4.1 多重逆變電路多重逆變電路UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud圖圖4-23 二次側(cè)基波電壓合成相量圖二次側(cè)基波電壓合成相量圖 圖圖4-24 三相電壓型二重逆變電路波形圖三相電壓型二重逆變電路波

50、形圖 任務(wù)波形任務(wù)波形 T1、T2二次側(cè)基波電壓二次側(cè)基波電壓合成情況的相量圖如圖合成情況的相量圖如圖4-23所示，圖中所示，圖中UA1、UA21、UB22分別是變壓器繞組分別是變壓器繞組A1、A21、B22上的基波電壓相量。上的基波電壓相量。 由圖由圖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 多重逆變電路多重逆變電路根本的數(shù)量關(guān)系根本的數(shù)量關(guān)系 把把uU1展開成傅里葉級數(shù)得展開成傅里葉級數(shù)得nktnntUusin) 1(1sin32dU1式中，式中，n=6k1，k為自然數(shù)。為自然數(shù)。 uU1的基波分量有效值為的基波分量有效值為 ddU1178.06UUU

51、n次諧波有效值為次諧波有效值為 nUUdU1n6(4-23)(4-24)(4-25)4.4.1 多重逆變電路多重逆變電路輸出相電壓輸出相電壓uUN的基波電壓有效值為的基波電壓有效值為 ddUN156.162UUU其其n次諧波有效值為次諧波有效值為UN1dUNn162UnnUU式中，式中，n=12k1，k為自然數(shù)，在為自然數(shù)，在uUN中已不含中已不含5次、次、7次等諧波。次等諧波。該三相電壓型二重逆變電路的直流側(cè)電流每周期脈動該三相電壓型二重逆變電路的直流側(cè)電流每周期脈動12次，稱為次，稱為12脈脈波逆變電路，普通來說，使波逆變電路，普通來說，使m個三相橋式逆變電路的相位依次錯開個三相橋式逆變電

52、路的相位依次錯開 運轉(zhuǎn)，連同使它們輸出電壓合成并抵消上述相位差的變壓器，運轉(zhuǎn)，連同使它們輸出電壓合成并抵消上述相位差的變壓器，就可以構(gòu)成脈波數(shù)為就可以構(gòu)成脈波數(shù)為6m的逆變電路。的逆變電路。 )3/( m(4-26)(4-27)4.4.2 多電平逆變電路多電平逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3圖圖4-9 三相電壓型橋式逆變電路三相電壓型橋式逆變電路 圖圖4-10 電壓型三相橋式逆變電路的任務(wù)波形電壓型三相橋式逆變電路的任務(wù)波形 回想圖回想圖4-9三相電壓型橋式三相電壓型橋式逆變電路和圖逆變電路和圖4-10的波形，的波形，以以N為參考點，輸出相電壓為參考點，輸出相電壓有有Ud/2和和-Ud/2兩種電平，稱兩種電平，稱為兩電平逆變電路。為兩電平逆變電路。4.4.2 多電平逆變電路多電平逆變電路圖圖4-25 三電平逆變電路三電平逆變電路 三電平逆