第4章 逆變電路

1、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逆變電路多重逆變電路和多電平逆變電路 本章小結(jié)本章小結(jié)2引言引言逆變的概念逆變的概念 與整流相對應(yīng)，與整流相對應(yīng)，直流電直流電變成變成交流電交流電。 交流側(cè)接電網(wǎng)，為交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。 交流側(cè)接負載，為交流側(cè)接負載，為無源逆變無源逆變，本章主要講述無源逆變。，本章主要講述無源逆變。逆變與變頻逆變與變頻 變頻電路：分為變頻電路：分為交交變頻交交變頻和和交直交變頻交直交變頻兩種。兩種。 交直交變頻由交直變換（整流）和直交變

2、換兩部分組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。成，后一部分就是逆變。逆變電路的逆變電路的主要應(yīng)用主要應(yīng)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、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。34.1 換流方式換流方式 4.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理 4.1.2 換流方式分類換流方式分類44.1.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理以單相橋式逆變電路為

3、例說明最基本的工作原理以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理 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 當開關(guān)當開關(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；當開關(guān)為正；當開關(guān)S1、S4斷開，斷開，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。 改變改變兩組開關(guān)的切換頻率兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出，即可改變輸出交流電的頻率交流電的頻率。 電阻負載時，負載電流電阻負載時，負載電流

4、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 54.1.2 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，也稱為電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相換相。 研究換流方式主要是研究研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷如何使器件關(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） 利用利用全控型器件的自關(guān)斷能力全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。進行換流。 在采用

5、在采用IGBT 、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)電網(wǎng)提供提供換流電壓換流電壓的換流方式。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。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，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。64.1.2 換流方式分類換流方式分類a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiV

6、T1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4圖圖4-2 負載換流電路及其工作波形負載換流電路及其工作波形 負載換流（負載換流（Load Commutation） 由由負載負載提供提供換流電壓換流電壓的換流方式。的換流方式。 負載負載電流電流的的相位超前相位超前于負載于負載電壓電壓的場合，的場合，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是基本的負載換流逆變電路，整是基本的負載換流逆變電路，整個負載工作在接近個負載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈而略呈容性容性，直流側(cè)串大電感，工作過程可認為直流側(cè)串大電感，工作過程可認為id基本

7、沒基本沒有脈動。有脈動。 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接近接近正弦波正弦波。 注意觸發(fā)注意觸發(fā)VT2、VT3的時刻的時刻t1必須在必須在uo過過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。成。74.1.2 換流方式分類換流方式分類強迫換流（強迫換流（Forced Commutation） 設(shè)置設(shè)置附加的換流電路附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強，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

8、所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為因此也稱為電容換流電容換流。 分類分類 直接耦合式強迫換流直接耦合式強迫換流：由換流電路內(nèi)電容：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電感耦合式強迫換流：通過換流電路內(nèi)的：通過換流電路內(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，當晶閘管，當晶閘管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。當電容充電。當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

9、合式強迫換流原理圖強迫換流原理圖 84.1.2 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振蕩振蕩第一個半周期第一個半周期內(nèi)關(guān)斷，圖內(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第二個半周期內(nèi)關(guān)斷，注意兩圖中電容所充的電壓極性不同。內(nèi)關(guān)斷，注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始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始流過電流時關(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。 也叫也叫電流換流電流換

10、流。圖圖4-4 電感耦合式強迫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) 器件換流器件換流只適用于只適用于全控型器件全控型器件，其余三種方式主要是針對，其余三種方式主要是針對晶閘管晶閘管而言的。而言的。 器件換流和強迫換流屬于器件換流和強迫換流屬于自換流自換流，電網(wǎng)換流和負載換流屬于，電網(wǎng)換流和負載換流屬于外部換流外部換流。 當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)榱悖瑒t稱為變?yōu)榱?，則稱為熄滅熄滅。 94.2 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

11、4.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路104.2 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 電壓型電壓型逆變電路：直流側(cè)是電壓源。逆變電路：直流側(cè)是電壓源。 電流型電流型逆變電路：直流側(cè)是電流源。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)為直流側(cè)為電壓源電壓源或并聯(lián)或并聯(lián)大電容大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動。，直流側(cè)電壓基本無脈動。 由于直流電壓源的由于直流電壓源的鉗位作用鉗位作用，輸出電壓為，輸出電壓為矩形波矩形波，輸出電流因負，輸出電流因負載阻抗不同而不同。載阻抗不同而不同。 阻

12、感負載時需提供無功功率，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋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)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管反饋二極管。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） 114.2.1 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工作波形變電路及其工作波形 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

13、的電容電容，兩個電容的，兩個電容的聯(lián)結(jié)點聯(lián)結(jié)點便成為直流電便成為直流電源的源的中點中點，負載聯(lián)接在直流電源中點和兩，負載聯(lián)接在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)結(jié)點之間。個橋臂聯(lián)結(jié)點之間。 工作原理工作原理 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為為矩形波矩形波，其幅值為，其幅值為Um=Ud/2。 電路帶電路帶阻感負載阻感負載，t2時刻給時刻給V1關(guān)斷關(guān)斷信號，給信號，給V2開通信號，則開通信號，則V1關(guān)斷，但感性關(guān)斷，但感性負載中的電流負載中的電流io不能立即改變方向，于

14、是不能立即改變方向，于是VD2導通續(xù)流，當導通續(xù)流，當t3時刻時刻io降零時，降零時，VD2截止，截止，V2開通，開通，io開始反向，由此得出如圖所示開始反向，由此得出如圖所示的電流波形。的電流波形。 124.2.1 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工作波形變電路及其工作波形 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反向反向，電感中貯，電感中

15、貯能向直流側(cè)反饋。能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為稱為反饋二極管反饋二極管,它又起著使負載電流它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管續(xù)流二極管。優(yōu)點是簡單，使用器件少；其缺優(yōu)點是簡單，使用器件少；其缺點是輸出交流電壓的幅值點是輸出交流電壓的幅值Um僅為僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個電容器串，且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡；因此，半橋電路常用于壓的均衡；因此，半橋電路常用于幾幾kW以下以下的小功率逆變電源。的小功率逆變電源。 134.2.1 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

16、臂，可看成共四個橋臂，可看成兩個半橋電路兩個半橋電路組合而成。組合而成。 兩對橋臂交替導通兩對橋臂交替導通180。 輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，但幅值高出一倍。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，但幅值高出一倍。 在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓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 . 02

17、2UUU圖圖4-5 全橋逆變電路全橋逆變電路 (4-1)(4-2)(4-3)144.2.1 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 （0 180）。）。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 的脈的脈沖。沖。 工作過程工作過程 t1時刻前時刻前V1和和V4導通，導通， uo=Ud。 t1時刻時刻V4截止，而因負載電感中的電流截止，而因負載電感中的電流io不能突變，不能突變，V

18、3不能立刻導通，不能立刻導通，VD3導通續(xù)導通續(xù)流，流，uo=0。 t2時刻時刻V1截止，而截止，而V2不能立刻導通，不能立刻導通，VD2導通續(xù)流，和導通續(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始反向時，到負載電流過零并開始反向時，VD2和和VD3截止，截止，V2和和V3開始導通，開始導通，uo仍為仍為-Ud。 t3時刻時刻V3截止，而截止，而V4不能立刻導通，不能立刻導通，VD4導通續(xù)流，導通續(xù)流，uo再次為零再次為零。 改變改變 就可調(diào)節(jié)輸出電壓就可調(diào)節(jié)輸出電壓。154.2.1 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

19、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變壓器的逆變電路 交替驅(qū)動交替驅(qū)動兩個兩個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兩個二極管的作用也是提供無功能無功能量的反饋通道量的反饋通道。 Ud和負載參數(shù)相同，變壓器匝比和負載參數(shù)相同，變壓器匝比為為1：1：1時，時，uo和和io波形及幅值與全橋波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。逆變電路完全相同。 與全橋電路相比較與全橋電路相比較 比全橋電路少用比全橋電路少用一半開關(guān)器件一半開關(guān)器件。 器件承受的電壓為器件承受的電壓為2Ud，比全橋，比全橋電路高一倍。電

20、路高一倍。 必須有一個必須有一個變壓器變壓器。 164.2.2 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 基本工作方式是基本工作方式是180導電方式導電方式。 同一相（即同一半橋）上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度同一相（即同一半橋）上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差差120 ，任一瞬間有，任一瞬間有三個橋臂三個橋臂同時導通。同時導通。 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流縱向換流。圖圖4-9 三相電壓型橋式逆變電路三

21、相電壓型橋式逆變電路 假想中點假想中點174.2.2 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工作波形電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 工作波形工作波形 對于對于U相輸出來說，當橋臂相輸出來說，當橋臂1導通時，導通時，uUN=Ud/2，當橋臂，當橋臂4導通時，導通時，uUN=-Ud/2，uUN的波形是的波形是幅值為幅值為Ud/2的矩形波的矩形波，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、

22、uVW、uWU可由下可由下式求出式求出 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu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)184.2.2 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工作波形電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 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)(31)(31WNVNUN WN VN UN NN

23、uuuuuuu設(shè)負載為三相對稱負載，則有設(shè)負載為三相對稱負載，則有uUN+uVN+uWN=0，故可得，故可得 )(31 WN VN UNNNuuuu負載參數(shù)已知時，可以由負載參數(shù)已知時，可以由uUN的波形的波形求出求出U相電流相電流iU的波形，圖的波形，圖4-10g給出的給出的是阻感負載下是阻感負載下 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)194.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路基本

24、的數(shù)量關(guān)系基本的數(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)204.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路

25、把把uUN展開成傅里葉級數(shù)得展開成傅里葉級數(shù)得 ntnntUtttttUusin1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2ddUN 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)器件同時導通而引起直流側(cè)電源的短路，要采取要采取“先斷后通先斷后通

26、”的方法。的方法。 (4-12)(4-13)(4-14)(4-15)21UUV7 =2 Ud/（3.147 ）=22.3（V） 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導電方式，導電方式，Ud=200V。試求輸出相電壓。試求輸出相電壓的基波幅值的基波幅值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和有效值和有效值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.

27、132UUUddUV1mUV178. 062UUUU0.4520090（V） 0.637200127.4（V） 1.1200=220（V） 0.78200=156（V） 3224.3 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234.3 電流型逆變電路電流型逆變電路引言引言直流電源為直流電源為電流源電流源的逆變電路稱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)串直流側(cè)串大電感大電感，電流基本無，電流基本無脈動，相當于電流源。脈動，相當于電流源。 交流輸出

28、電流為交流輸出電流為矩形波矩形波，與負，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，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。極管。電流型逆變電路中，采用電流型逆變電路中，采用半控型半控型器件器件的電路仍應(yīng)用較多，換流方的電路仍應(yīng)用較多，換流方式有式有負載換流負載換流、強迫換流強迫換流。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 244.3.1 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

29、臂的晶閘管各串聯(lián)一個晶閘管各串聯(lián)一個電抗器電抗器，用來限，用來限制晶閘管開通時的制晶閘管開通時的di/dt。 采用采用負載換相負載換相方式工作的，要方式工作的，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，即負載略呈負載略呈容性容性。 電容電容C和和L 、R構(gòu)成構(gòu)成并聯(lián)諧振電并聯(lián)諧振電路路。 輸出電流波形接近輸出電流波形接近矩形波矩形波，含，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 254.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路工作波形分析工作波形

30、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)，有有兩個穩(wěn)定導通階段兩個穩(wěn)定導通階段和和兩個換兩個換流階段流階段。 t1t2：VT1和和VT4穩(wěn)定導通穩(wěn)定導通階段，階段，io=Id，t2時刻前在時刻前在C上建上建立了立了左正右負左正右負的電壓。的電壓。 在在t2時刻觸發(fā)時刻觸發(fā)VT2和和VT3開開通，開始進入換流階段。通，開始進入換流階段。 由于換流由于換流電抗器電抗器LT的作用，的作用， VT1 和和VT4不能立刻關(guān)斷，其電不能立刻關(guān)斷，其電流有一個減小過程，流有一個減小過程，VT2和和VT3的電流也有一個增大過程。的電流也有一個增大過程。 圖圖4-13 并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形并聯(lián)

31、諧振式逆變電路工作波形 264.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路 4個晶閘管全部導通，負個晶閘管全部導通，負 載電容電壓經(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。當當t=t4時，時，VT1、VT4電流減電流減至零而關(guān)斷，直流側(cè)電流至零而關(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，換流階段結(jié)束換流階段結(jié)束。圖圖4-13 并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形并聯(lián)諧振式逆變電路

32、工作波形 274.3.1 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)諧振式逆變電路工作波形并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形 晶閘管需一段時間才能恢復(fù)正向阻晶閘管需一段時間才能恢復(fù)正向阻斷能力，斷能力，t4時刻換流結(jié)束后還要使時刻換流結(jié)束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時間承受一段反壓時間t ，t= t5- t4應(yīng)大應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時間于晶閘管的關(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時刻觸發(fā)時刻觸發(fā)VT2、VT3，t 為觸發(fā)引前時為觸發(fā)引前時間間 tttio超前于超前于uo的時間的時間 （負載的功率因數(shù)角負載的功率因數(shù)角） ttt2把把

33、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)284.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(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)294.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路一般情況下一般情況

34、下 值較小，可近似認為值較小，可近似認為cos( /2)1，再考慮到式，再考慮到式(4-18)可得可得 cos22odUU或或cos11. 1cos22ddoUUU實際工作過程中，感應(yīng)線圈參數(shù)隨時間變化，必須使工作頻率適應(yīng)實際工作過程中，感應(yīng)線圈參數(shù)隨時間變化，必須使工作頻率適應(yīng)負載的變化而自動調(diào)整，這種控制方式稱為負載的變化而自動調(diào)整，這種控制方式稱為自勵方式自勵方式。 固定工作頻率的控制方式稱為固定工作頻率的控制方式稱為他勵方式他勵方式。 自勵方式存在自勵方式存在起動問題起動問題，解決方法：，解決方法： 先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵方式。先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵方式

35、。 附加預(yù)充電起動電路。附加預(yù)充電起動電路。(4-21)304.3.2 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 基本工作方式是基本工作方式是120導電方式導電方式，每個臂，每個臂一周期內(nèi)導電一周期內(nèi)導電120，每個時刻上下橋臂組，每個時刻上下橋臂組各有一個臂導通。各有一個臂導通。 換流方式為換流方式為橫向換流橫向換流。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的的矩形波矩形波。 輸出電流和三相橋整流帶大電感負

36、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相同，諧波分析表達式也相的交流電流波形相同，諧波分析表達式也相同。同。 輸出線電壓波形和負載性質(zhì)有關(guān)，輸出線電壓波形和負載性質(zhì)有關(guān)，大體大體為正弦波為正弦波，但疊加了一些脈沖。，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)314.3.2 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

37、功率交流電動機調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)。 電路分析電路分析 是是電流型電流型三相橋式逆變電路，各三相橋式逆變電路，各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用。橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用。 120導電工作方式導電工作方式，輸出波形，輸出波形和圖和圖4-14的波形大體相同。的波形大體相同。 采用采用強迫換流強迫換流方式，電容方式，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，它與導通晶閘管相連一端陽極晶閘管，它與導通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負，不與導通晶閘極性為正，另一端為負，不與導通晶閘管相連的電容器電壓為零，共陰極的情管

38、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。324.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路- - +UVW+ - -UVWa)+ - -UVWb)- - +UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV等效換流電容等效換流電容概念：圖概念：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)后串聯(lián)后再與再與C1并聯(lián)的等效電容。并聯(lián)的

39、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。 換流階段分為換流階段分為恒流放電恒流放電和和二極管換流二極管換流兩個階段。兩個階段。 t1時刻觸發(fā)時刻觸發(fā)VT3導通導通，VT1被施以反壓而被施以反壓而關(guān)斷關(guān)斷，Id從從VT1換到換到VT3，C13通過通過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，放電電流恒放電，放電電流恒為為Id，故稱，故稱恒流放電階段恒流放電階段，如圖，如圖416b。圖圖4-16 換流過程各階段的電流路徑換流過程各階段的電流路徑

40、334.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路- - +UVW+ - -UVWa)+ - -UVWb)- - +UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV圖圖4-16 換流過程各階段的電流路徑換流過程各階段的電流路徑 uC13下降到零之前，下降到零之前，VT1承受反壓，反壓時間大于承受反壓，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時刻時刻uC13降到零，之后降到零，之后C13反向充電，忽略負

41、載電阻壓降，則二極管反向充電，忽略負載電阻壓降，則二極管VD3導通，導通，電流為電流為iV，VD1電流為電流為iU=Id-iV，VD1和和VD3同時導通，進入同時導通，進入二極管換流階段二極管換流階段。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時刻時刻iU減到零，減到零，iV=Id，VD1承受承受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段結(jié)束。反壓而關(guān)斷，二極管換流階段結(jié)束。t3以后，進入以后，進入VT2、VT3穩(wěn)定導通階段穩(wěn)定導通階段。344.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路ttOuOiUCOuC13uC5uC3- -UCOIdiUiVt1t2t3圖圖4-

42、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，如果負換流的過程中，如果負載為載為交流電動機交流電動機，則在，則在t2時刻時刻uC13降至降至零時，如電機反電動勢零時，如電機反電動勢eVU0，則，則VD3仍承受反向電壓而不能導通。直到仍承受反向電壓而不能導通。直到uC13升高到升高到與與eVU相等相等后，后，VD3才承受正向才承受正向電壓而導通，進入電壓而導通，進入VD3和和VD1同時導通同時導通的二極管換流階段。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

43、波形圖。 uC1的波形和的波形和uC13完全相同。完全相同。 uC3從從零零變到變到-UC0，uC5從從UC0變到變到零零，變化幅度是，變化幅度是C1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，為下次換流準備好了條件。準備好了條件。 354.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路OOOOOtttOttVT4導通UVWiViWiUudMVT1導通VT3導通VT6導通VT5導通VT2導通uVT1圖圖4-19 無換相器電動機電路工作波形無換相器電動機電路工作波形 圖圖4-18 無換相器電動機的基本電路無換相器電動

44、機的基本電路 負載為同步電動機負載為同步電動機 其工作特性和調(diào)速方式都和直流電其工作特性和調(diào)速方式都和直流電動機相似，但沒有換向器，因此被稱為動機相似，但沒有換向器，因此被稱為無換向器電動機無換向器電動機。 采用采用120導電方式導電方式，利用電動機，利用電動機反電勢反電勢實現(xiàn)換流。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定什么時候給哪個晶閘管磁極位置以決定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。364.4 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37

45、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電壓型逆變電路的輸出電壓是矩形波，逆變電路的輸出電壓是矩形波，電流型電流型逆逆變電路的輸出電流是矩形波，變電路的輸出電流是矩形波，矩形波矩形波中含有較多中含有較多的的諧波諧波，對負載會產(chǎn)生不利影響。，對負載會產(chǎn)生不利影響。 常常采用多重逆變電路把幾個矩形波組合起來，常常采用多重逆變電路把幾個矩形波組合起來，使之成為使之成為接近正弦波接近正弦波的波形。的波形。 也可以改變電路結(jié)構(gòu)，構(gòu)成多電平逆變電路，它也可以改變電路結(jié)構(gòu)，構(gòu)成多電平逆變電路，它能夠輸出較多的電平，從而使輸出電壓向正弦波能夠輸出較多的電平，從而使輸出電壓

46、向正弦波靠近?？拷?384.4.1 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 圖圖4-21 二重逆變電路的工作波形二重逆變電路的工作波形 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，輸出通過變兩個單相全橋逆變電路組成，輸出通過變壓器壓器T1和和T2串聯(lián)串聯(lián)起來。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次諧波就次諧波就錯開了錯開了360=180，變壓器串聯(lián)合成后，變壓器串聯(lián)合成后

47、，3次次諧波互相抵消諧波互相抵消，總輸出電壓中不含，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 把若干個逆變電路的輸出按一定的相位差把若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相組合起來，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。互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。 多重逆變電路有多重逆變電路有串聯(lián)多重串聯(lián)多重和和并聯(lián)多重并聯(lián)多重兩種兩種方式，方式，電壓型逆變電路多用串聯(lián)多重方式，電電壓型逆變電路多用串聯(lián)多

48、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。 394.4.1 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，輸出通過輸出通過變壓器串聯(lián)變壓器串聯(lián)合成。合成。 兩個逆變電路均為兩個逆變電路均為180導通方導通方式式。 工作時，逆變橋工作時，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聯(lián)結(jié)，線電壓變比聯(lián)結(jié)，線電壓變比為為 ，T2一次側(cè)一次側(cè)聯(lián)結(jié)，二次側(cè)兩繞聯(lián)結(jié)，二次側(cè)兩繞組組曲折星形接法曲折星

49、形接法，其二次電壓相對于，其二次電壓相對于一次電壓而言，比一次電壓而言，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滯后的滯后的30，這樣這樣uU2和和uU1的的基波相位就相同基波相位就相同。 如果如果T2和和T1一次側(cè)匝數(shù)相同，一次側(cè)匝數(shù)相同，為了使為了使uU2和和uU1基波幅值相同基波幅值相同，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 。 3:13/1404.4.1 多重逆變電路多重逆變電路UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud3

50、2Ud(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形圖 工作波形工作波形 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。414.4.1 多重逆變電路多重逆變電路基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(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nktn

51、ntUusin) 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 ddU1178.06UUUn次諧波有效值為次諧波有效值為 nUUdU1n6(4-23)(4-24)(4-25)424.4.1 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

52、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脈脈波逆變電路波逆變電路，一般來說，使，一般來說，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路的相位依次錯開 運行，連同使它們輸出電壓合成并抵消上述相位差的變壓器，運行，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)成就可以構(gòu)成脈波數(shù)為脈波數(shù)為6m的逆變電路的逆變電路。 )3/( m(4-26)(4-27)434.4.2 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工作波形電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 回顧圖回顧圖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，稱為為兩電平逆變電路兩電平逆變電路。444.4.2 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 三電平逆變電路