第4章 逆變電路

第4章逆變電路

4.1換流方式

4.2電壓型逆變電路

4.3電流型逆變電路

4.4多重逆變電路和多電平逆變電路

與整流相對(duì)應(yīng)，將直流電變換為交流電稱為逆變。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時(shí)，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載相連時(shí)，稱為無(wú)源逆變。通常所說(shuō)的逆變一般多指無(wú)源逆變電路。逆變電路的應(yīng)用非常廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。第4章逆變電路4.1換流方式■逆變電路的基本工作原理◆單相橋式逆變電路：4.1換流方式■逆變電路的基本工作原理電路中4個(gè)臂由電力電子器件S1～S4及其輔助電路組成。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S4閉合，而S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正；當(dāng)開(kāi)關(guān)S2、S3閉合，而S1、S4斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)。這樣就把直流電變成了交流電。改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率，就可以改變輸出交流電的頻率。

◆當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，負(fù)載電流io和電壓uo的波形形狀相同，相位也相同。

4.1換流方式■逆變電路的基本工作原理

◆當(dāng)負(fù)載為阻感時(shí)，電流io的基波電位滯后于電壓uo的基波，兩波形形狀也不同。設(shè)t1時(shí)刻以前開(kāi)關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開(kāi)，uo和io均為正。在t1時(shí)刻斷開(kāi)S1、S4，閉合S2、S3，則uo極性立即為負(fù)，但由于負(fù)載中有電感，其電流方向仍維持原方向。這時(shí)負(fù)載電流從直流電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載、S3流回正極，負(fù)載電感中儲(chǔ)存的能量向直流電源反饋，負(fù)載電流逐漸減小，至t2時(shí)刻降為零。之后io才反向并逐漸增大。開(kāi)關(guān)S2、S3斷開(kāi)，S1、S4閉合的情況與此類似。4.1換流方式■換流方式的分類變流電路在工作過(guò)程中不斷地發(fā)生電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路的轉(zhuǎn)移，這就是換流。換流方式在逆變電路中占有突出的地位。逆變電路可以從不同的角度進(jìn)行分類。如按換流方式分類、按輸出相數(shù)分類，也可按直流電源的性質(zhì)分類。按直流電源的性質(zhì)分類，可分為電壓型和電流型兩大類。4.1換流方式■換流方式的分類換流過(guò)程是指電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱為換相。在換流過(guò)程中，有的支路由通態(tài)轉(zhuǎn)為斷態(tài)，有的由斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)。從斷態(tài)向通態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)，無(wú)論支路是由全控型還是半控型電力電子器件組成，只要給門極適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)，就可使其開(kāi)通。但從通態(tài)向斷態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)情況有所不同。全控型器件可以通過(guò)對(duì)門極的控制使其關(guān)斷，而對(duì)于半控型的晶閘管來(lái)說(shuō)，就不能通過(guò)對(duì)門極的控制使其關(guān)斷，必須利用外部條件或采取其他措施才能使其關(guān)斷。所以對(duì)于晶閘管器件，其換流方式主要是研究如何使其關(guān)斷。4.1換流方式■換流方式的分類◆器件換流。利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流稱為器件換流（DeviceCommutation）。在采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中，其換流方式即為器件換流。◆電網(wǎng)換流。由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流（LineCommutation）。在換流時(shí)，只要把負(fù)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。如前面講述的可控整流電路，三相交流調(diào)壓電路和采用相控方式的交-交變頻電路也都是電網(wǎng)換流方式。4.1換流方式■換流方式的分類◆負(fù)載換流。由負(fù)載提供換流電壓的方式稱為負(fù)載換流（LoadCommutation）。凡是負(fù)載電流超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，均可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。當(dāng)負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。另外，當(dāng)負(fù)載為同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于可以控制勵(lì)磁電流使負(fù)載呈現(xiàn)容性，所以也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。4.1換流方式■換流方式的分類◆負(fù)載換流。下圖為基本的負(fù)載換流逆變電路，其4個(gè)橋臂均由晶閘管組成。負(fù)載由電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。4.1換流方式■換流方式的分類◆負(fù)載換流。實(shí)際電路中，電容往往是為了改善負(fù)載功率因數(shù)，使其略呈容性而接入的。在直流側(cè)串入了一個(gè)很大的電感Ld，因而在工作過(guò)程中可以認(rèn)為id基本沒(méi)有脈動(dòng)，所以負(fù)載電流基本呈現(xiàn)為矩形波。又由于負(fù)載是工作在對(duì)基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，故對(duì)基波的阻抗很大而對(duì)諧波的阻抗很小，因此負(fù)載電壓uo的波形接近于正弦波。4.1換流方式■換流方式的分類◆負(fù)載換流。設(shè)在t1時(shí)刻前VT1、VT4為通態(tài)，VT2、VT3為斷態(tài)，uo、io均為正，VT2、VT3上施加電壓為uo。在t1時(shí)刻觸發(fā)VT2、VT3，負(fù)載電壓uo通過(guò)VT2、VT3分別加在VT4、VT1上，使其承受反壓而關(guān)斷，電流也從VT1、VT4上轉(zhuǎn)移至VT2、VT3上。觸發(fā)VT2、VT3的時(shí)刻必須在uo過(guò)零點(diǎn)之前并留有一定的裕量，才能保證換流順利完成。從VT2、VT3到VT1、VT4的換流過(guò)程和上述情況類似。4.1換流方式■換流方式的分類◆強(qiáng)迫換流。設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）。強(qiáng)迫換流通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流。在強(qiáng)迫換流方式中，由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓的方式稱為直接耦合式強(qiáng)迫換流，其工作原理圖見(jiàn)下頁(yè)圖（a）。當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容C按圖示極性充電。如果合上開(kāi)關(guān)S，就可以使晶閘管由于施加反壓而關(guān)斷。4.1換流方式■換流方式的分類◆強(qiáng)迫換流工作原理圖如果通過(guò)換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來(lái)提供換流電壓或換流電容，則稱為電感耦合式強(qiáng)迫換流，如圖中（b）、（c）所示。4.1換流方式■換流方式的分類—強(qiáng)迫換流

◆在圖（b）中，接通開(kāi)關(guān)S后，LC振蕩電流將反向流過(guò)晶閘管VT，與VT的負(fù)載電流相減，直到VT的合成正向電流減至零后，再流過(guò)二極管VD?！粼趫D（c）中，接通開(kāi)關(guān)S后，LC振蕩電流先正向流過(guò)VT并和VT中原有負(fù)載電流疊加，經(jīng)半個(gè)振蕩周期后，振蕩電流反向流過(guò)晶閘管VT，直到VT的合成正向電流減至零后再流過(guò)二極管VD。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(kāi)始流過(guò)電流時(shí)關(guān)斷。二極管上的管壓降就是加在晶閘管上的反向電壓。4.1換流方式■換流方式的分類

圖(a)中，給晶閘管加反向電壓使其關(guān)斷的換流方法稱為電壓換流；圖(b)、(c)中，先使晶閘管電流減為零，然后通過(guò)反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓實(shí)現(xiàn)換流的方法稱為電流換流。四種換流方式中，只有器件換流適合于全控型器件，其余三種方式主要是針對(duì)晶閘管的。器件換流和強(qiáng)迫換流都是因?yàn)槠骷蜃兞髌鞅旧淼脑蚨鴮?shí)現(xiàn)換流的，二者屬于自換流；電網(wǎng)換流和負(fù)載換流不是依靠變流器自身原因，而是借助于外部手段（電網(wǎng)電壓或負(fù)載電壓）來(lái)實(shí)現(xiàn)換流的，它們屬于外部換流。4.2電壓型逆變電路逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓源型逆變電路(VSI，VoltageSourceInverter)；直流側(cè)是電流源的稱為電流源型逆變電路(CSI，CurrentSourceInverter)。例：全橋逆變電路4.2電壓型逆變電路■電壓型逆變電路主要有以下特點(diǎn)：◆直流側(cè)為電壓源，或并有大電容器，相當(dāng)于電壓源。此時(shí)直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。◆由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。但交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同?！舢?dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋無(wú)功功率提供通道，在每個(gè)逆變橋臂上均并聯(lián)有反饋二極管。4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆半橋逆變電路。4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆半橋逆變電路。它有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)的二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)串聯(lián)的足夠大的電容，兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)便成為直流電源的中點(diǎn)。負(fù)載聯(lián)接在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆半橋逆變電路。

設(shè)開(kāi)關(guān)器件V1和V2的柵極信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏、半周反偏，且二者互補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，其工作波形如圖（b）所示。輸出電壓uo為矩形波，其幅值為Um=Ud/2。輸出電流io的波形隨負(fù)載情況而異。設(shè)t2時(shí)刻前V1為通態(tài)，V2為斷態(tài)。在t2時(shí)刻給V1關(guān)斷信號(hào)，給V2導(dǎo)通信號(hào)，則V1關(guān)斷，但負(fù)載電流io不能立即改變方向，于是VD2導(dǎo)通續(xù)流。到t3時(shí)刻io降為零，VD2截止，V2才導(dǎo)通，io開(kāi)始反向。4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆半橋逆變電路。同樣，在t4時(shí)刻給V2關(guān)斷信號(hào)、V1導(dǎo)通信號(hào)，則V2關(guān)斷，負(fù)載電流io不能立即反向，所以VD1先導(dǎo)通續(xù)流，t5時(shí)刻io降為零，VD1截止，V1才導(dǎo)通。當(dāng)V1或V2為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；當(dāng)VD1或VD2為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓反方向，負(fù)載中存儲(chǔ)的能量向直流側(cè)反饋，即負(fù)載電感將其吸收的無(wú)功能量反饋回直流側(cè)。4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆半橋逆變電路。反饋回的能量暫時(shí)儲(chǔ)存在直流側(cè)電容器中，直流側(cè)電容器起著緩沖這些無(wú)功能量的作用。由于二極管VD1、VD2是負(fù)載向直流側(cè)反饋能量的通道，故稱為反饋二極管；同時(shí)它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。

電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，使用的器件少；其缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡，所以常用于幾kW以下的小功率逆變電源。4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆全橋逆變電路。全橋逆變電路共有四個(gè)臂，可以看成是由兩個(gè)半橋電路組合而成的。橋臂1和橋臂4為一對(duì)，橋臂2和橋臂3為另一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)橋臂各交替導(dǎo)通180。輸出電壓uo波形與半橋電路的電壓波形形狀相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，Um=Ud。在直流電壓和負(fù)載都相同的情況下，其輸出電流io波形與半橋電路的電流波形形狀也相同，僅幅值增加一倍。4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆全橋逆變電路4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆全橋逆變電路。半橋電路中VD1、V1、VD2、V2相繼導(dǎo)通的區(qū)間對(duì)應(yīng)于全橋電路中VD1和VD4、V1和V4、VD2和VD3、V2和V3相繼導(dǎo)通的區(qū)間。關(guān)于無(wú)功能量的交換，對(duì)于半橋電路的分析也完全適用于全橋逆變電路。4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆全橋逆變電路—參數(shù)計(jì)算將幅值為Ud的矩形波uo進(jìn)行傅里葉變換，可得其中基波幅值和基波有效值為4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆全橋逆變電路—參數(shù)計(jì)算上述公式對(duì)于半橋逆變電路也是適用的，只是式中的Ud應(yīng)更換為Ud/2。同時(shí)，前面分析的都是uo為正負(fù)電壓各為180的脈沖時(shí)的情況。在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值，只能通過(guò)改變直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)。4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式（阻感式負(fù)載）4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式在阻感負(fù)載時(shí)，還可采用移相的方式來(lái)調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱為移相調(diào)壓。其實(shí)質(zhì)是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。在全橋逆變電路中，各IGBT的柵極信號(hào)仍為180正偏、180反偏，并且V1和V2的柵極信號(hào)互補(bǔ)，V3和V4的柵極信號(hào)互補(bǔ)，但V3的柵極信號(hào)與V1的柵極信號(hào)相差不是180，而是落后，。也就是說(shuō)，V3、V4的柵極信號(hào)不是分別和V2、V1的柵極信號(hào)同相位，而是前移了。4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式這樣，輸出電壓uo不再是正負(fù)各為180的脈沖，而是正負(fù)各為的脈沖，各IGBT柵極信號(hào)～及輸出電壓uo、輸出電流io波形如圖（b）所示。設(shè)在t1時(shí)刻前V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓uo為Ud。在t1時(shí)刻V3、V4柵極信號(hào)反向，V4截止，但因負(fù)載電感中電流io不能突變，所以V3不能立即導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流。因?yàn)閂1和VD3同時(shí)導(dǎo)通，所以輸出電壓為零。4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式到t2時(shí)刻V1、V2柵極信號(hào)反向，V1截止，但V2不能立刻導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，輸出電壓為－Ud。到負(fù)載電流過(guò)零并開(kāi)始反向時(shí)，VD2和VD3截止，V2和V3開(kāi)始導(dǎo)通，uo仍為－Ud。在t3時(shí)刻V3、V4的柵極信號(hào)再次反向，V3截止，而V4不能立刻導(dǎo)通，VD4續(xù)流，uo再次為0。之后的過(guò)程和前述的類似。這樣，輸出電壓的正負(fù)脈沖寬度就各為。改變就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式在純電阻負(fù)載時(shí)，采用上述移相方法也可以得到相同的結(jié)果，只是VD1～VD4不再導(dǎo)通，不起續(xù)流作用。在uo為零的期間，四個(gè)橋臂均不導(dǎo)通，負(fù)載中也無(wú)電流。顯然，上述移相調(diào)壓方法并不適用于半橋逆變電路。不過(guò)在純電阻負(fù)載時(shí)，仍可采用改變正負(fù)脈沖寬度的方法來(lái)調(diào)節(jié)半橋逆變電路的輸出電壓。這時(shí)，上下兩橋臂的柵極信號(hào)不再是各180正偏、180反偏并且互補(bǔ)，而是正偏的寬度為，反偏的寬度為，兩者相位差為180。這時(shí)輸出電壓uo也是正負(fù)脈沖寬度為的矩形波。4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆帶中心抽頭變壓器的逆變電路

4.2電壓型逆變電路■單相電壓型逆變電路◆帶中心抽頭變壓器的逆變電路電路工作時(shí)交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT，通過(guò)變壓器的耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。兩個(gè)二極管的作用也是給負(fù)載電感中儲(chǔ)存的無(wú)功能量提供反饋通道。在Ud和負(fù)載參數(shù)相同、且變壓器一次側(cè)兩個(gè)繞組和二次繞組的匝數(shù)比為1:1:1的情況下，該電路的輸出電壓uo和輸出電流io的波形及幅值與全橋逆變電路的完全相同，所以參數(shù)計(jì)算與全橋電路相同。4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路。采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如下圖所示，該電路可視為由三個(gè)半橋逆變電路組成。（180°導(dǎo)通型）4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路電路中直流側(cè)通常只用一個(gè)電容器就可以了，但為分析方便，還是畫(huà)出了串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出了假想的中點(diǎn)。三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式仍采用180導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度依次相差120。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。因此，每次換流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行，所以也稱為縱向換流。4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路

◆工作波形分析

4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路

◆工作波形分析對(duì)于U相輸出來(lái)說(shuō)，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，；當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)，。因此的波形是幅值為的矩形波。V相、W相的情況和U相類似，、的波形形狀和相同，只是在相位上依次相差120。相應(yīng)波形見(jiàn)圖（a）、（b）、（c）所示。4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路

◆工作波形分析負(fù)載線電壓、、可由下式求出圖（d）是依上式畫(huà)出的的波形。4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路

◆工作波形分析設(shè)負(fù)載中點(diǎn)N與直流電源假想中點(diǎn)之間的電壓為，則負(fù)載各相的相電壓分別為將上述各式相加并整理可得：4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路

◆工作波形分析設(shè)負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)載，則有所以可得：由此可得的波形如圖（e）所示，它也是矩形波，但其頻率是頻率的3倍，幅值為幅值的1/3，即。

4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路

◆工作波形分析圖（f）給出了的波形，它由和相減得到。、的波形與相同，僅是相位上依次相差120。當(dāng)負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可以由的波形求出U相電流iU的波形。負(fù)載的阻抗角不同，iU的波形形狀和相位都有所不同。圖（g）給出的是阻感負(fù)載下小于30時(shí)iU的波形。橋臂1和橋臂4之間的換流過(guò)程和半橋電路相似。4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路

◆工作波形分析上橋臂1中的V1從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時(shí)，因負(fù)載電感中電流不能突變，下橋臂4中的VD4先導(dǎo)通續(xù)流，待負(fù)載電流降到零，橋臂4中電流反向時(shí)，V4才開(kāi)始導(dǎo)通。負(fù)載阻抗角越大，VD4導(dǎo)通的時(shí)間就越長(zhǎng)。即為橋臂1導(dǎo)電的區(qū)間，其中時(shí)為VD1導(dǎo)通，時(shí)為V1導(dǎo)通；即為橋臂4導(dǎo)電的區(qū)間，其中時(shí)為VD4導(dǎo)通，時(shí)為V4導(dǎo)通。4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路

◆工作波形分析

iV、iW的波形與iU形狀相同，相位依次相差120。把橋臂1、3、5的電流相加，就可得到直流側(cè)電流的波形id，如圖（h）所示。可以看出，id每隔60脈動(dòng)一次，而直流側(cè)電壓基本上無(wú)脈動(dòng)，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的，且脈動(dòng)的情況和id的脈動(dòng)情況大體相同。4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路

◆電路參數(shù)計(jì)算對(duì)三相橋式逆變電路的輸出電壓作定量分析，把輸出線電壓展開(kāi)成付里葉級(jí)數(shù)可得式中，，k為自然數(shù)。4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路

◆電路參數(shù)計(jì)算輸出線電壓有效值為基波幅值和基波有效值分別為4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路

◆電路參數(shù)計(jì)算對(duì)負(fù)載相電壓進(jìn)行分析。把展開(kāi)成付里葉級(jí)數(shù)可得

式中，，k為自然數(shù)。4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路

◆電路參數(shù)計(jì)算負(fù)載相電壓有效值為

基波幅值和基波有效值分別為4.2電壓型逆變電路■三相電壓型逆變電路在上述180導(dǎo)電方式逆變器中，為防止同一相上下兩個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源的短路，應(yīng)采取“先斷后通”的方法。即：先給應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留有一定的時(shí)間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開(kāi)通信號(hào)，即在兩者之間留一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短要視器件的開(kāi)關(guān)速度而定，器件的開(kāi)關(guān)速度越快，所留的死區(qū)時(shí)間就可以越短。該方法也適用于上、下橋臂采用通斷互補(bǔ)方式的電路。4.2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，180導(dǎo)電方式，，試求輸出相電壓的基波幅值和有效值、輸出線電壓的基波幅值和有效值、輸出線電壓中7次諧波的有效值。解：4.2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，180導(dǎo)電方式，，試求輸出相電壓的基波幅值和有效值、輸出線電壓的基波幅值和有效值、輸出線電壓中7次諧波的有效值。解：4.3電流型逆變電路在逆變電路中，直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。實(shí)際上理想直流電流源并不多見(jiàn)，一般是在逆變電路直流側(cè)串聯(lián)一個(gè)大電感，因?yàn)榇箅姼兄械碾娏髅}動(dòng)很小，因此可近似看成直流電流源。如下圖：4.3電流型逆變電路■電流型逆變電路的主要特點(diǎn)◆直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗?！綦娐分虚_(kāi)關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負(fù)載阻抗情況的不同而不同?！舢?dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電感起緩沖無(wú)功能量的作用。因?yàn)榉答仧o(wú)功能量時(shí)直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開(kāi)關(guān)器件反并聯(lián)二極管。4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路下圖是一種單相橋式電流型逆變電路的原理圖。4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路

電路由4個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器LT。LT用來(lái)限制晶閘管開(kāi)通時(shí)的di/dt，各橋臂的LT之間不存在互感。使橋臂1、4和橋臂2、3以1000～2500Hz的中頻輪流導(dǎo)通，就可以在負(fù)載上得到中頻交流電。該電路是采用負(fù)載換相方式工作的，要求負(fù)載電流略超前于負(fù)載電壓，即負(fù)載略呈容性。實(shí)際負(fù)載一般是電磁感應(yīng)線圈，用來(lái)加熱置于線圈內(nèi)的鋼料。4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路因?yàn)槭请娏餍湍孀冸娐?，故其交流輸出電流波形接近矩形波，其中包含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。因基波頻率接近負(fù)載電路諧振頻率，故負(fù)載電路對(duì)電流基波呈現(xiàn)高阻抗，而對(duì)諧波呈現(xiàn)低阻抗，諧波在負(fù)載電路上產(chǎn)生的壓降很小，因此負(fù)載電壓的波形接近于正弦波。在交流電流的一個(gè)周期內(nèi)，有兩個(gè)穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路◆波形分析

設(shè)t1～t2之間為晶閘管VTl和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，負(fù)載電流io=Id，近似為恒值，t2時(shí)刻之前在電容C上（即負(fù)載上）建立了左正右負(fù)的電壓。4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路

◆波形分析在t2時(shí)刻觸發(fā)晶閘管VT2和VT3，因在t2前VT2和VT3的陽(yáng)極電壓等于負(fù)載電壓uo，為正值，故VT2和VT3開(kāi)通，開(kāi)始進(jìn)入換流階段。由于每個(gè)晶閘管都串有換流電抗器LT，故VT1和VT4在t2時(shí)刻不能立刻關(guān)斷，其電流有一個(gè)逐漸減小的過(guò)程。同樣VT2和VT3的電流也有一個(gè)逐漸增大的過(guò)程。t2時(shí)刻后，4個(gè)晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電容電壓經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電（如圖中的虛線所示）。4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路

◆波形分析在這個(gè)過(guò)程中，VTl、VT4電流逐漸減小，VT2、VT3電流逐漸增大。當(dāng)t

=

t4

時(shí)，VT1、VT4電流減至零而關(guān)斷，直流側(cè)電流全部從VTl、VT4轉(zhuǎn)移到VT2、VT3，換流階段結(jié)束。稱為換流時(shí)間。因?yàn)樨?fù)載電流，所以在t3時(shí)刻（即時(shí)刻）過(guò)零，t3時(shí)刻大體位于t2和t4時(shí)刻的中點(diǎn)。4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路

◆波形分析晶閘管在電流減小到零后，尚需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力。因此，在t4時(shí)刻換流結(jié)束后，還應(yīng)使VT1、VT4繼續(xù)承受一段反壓時(shí)間才能保證其可靠關(guān)斷。應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間。如果VTl、VT4尚未恢復(fù)阻斷能力就被加上正向電壓，將可能重新導(dǎo)通，致使逆變失敗。4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路

◆波形分析為保證可靠換流，應(yīng)在負(fù)載電壓uo過(guò)零前時(shí)刻（）去觸發(fā)VT2、VT3，稱為觸發(fā)引前時(shí)間，從波形圖中可得。從圖中還可以看出，負(fù)載電流io超前于負(fù)載電壓uo的時(shí)間為，則。把表示為電角度（弧度）可得4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路

◆波形分析圖中t4～t6之間是VT2、VT3的穩(wěn)定導(dǎo)通階段。t6時(shí)刻以后又進(jìn)入從VT2、VT3導(dǎo)通向VT1、VT4導(dǎo)通的換流階段，其過(guò)程和前面的分析類似。晶閘管的觸發(fā)脈沖uG1～uG4、晶閘管承受的電壓uVT1～uVT4以及A、B間的電壓uAB也都示于圖中。4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路

◆波形分析在換流過(guò)程中，上下橋臂的LT上的電壓極性相反，如果不考慮晶閘管壓降，則uAB=0。可以看出，uAB的脈動(dòng)頻率為交流輸出電壓頻率的兩倍。在uAB為負(fù)的部分，逆變電路從直流電源吸收的能量為負(fù)，即補(bǔ)償電容C的能量向直流電源反饋。這實(shí)際上反映了負(fù)載和直流電源之間無(wú)功能量的交換。在直流側(cè)，Ld起到緩沖這種無(wú)功能量的作用。4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路

◆電路參數(shù)計(jì)算如果忽略換流過(guò)程，io可近似看成矩形波。展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)可得其基波電流有效值為4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路

◆電路參數(shù)計(jì)算如果忽略電抗器Ld的損耗，則uAB的平均值應(yīng)等于Ud。若再忽略晶閘管壓降，則從圖中uAB的波形可得4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路

◆電路參數(shù)計(jì)算一般情況下值較小，可近似認(rèn)為所以可得或者4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路上述討論中，認(rèn)為負(fù)載參數(shù)不變，逆變電路的工作頻率也是固定的。但實(shí)際中在中頻加熱和鋼料熔化過(guò)程中，感應(yīng)線圈的參數(shù)是隨時(shí)間而變化的，所以固定的工作頻率無(wú)法保證晶閘管的反壓時(shí)間大于關(guān)斷時(shí)間，可能導(dǎo)致逆變失敗。為了保證電路正常工作，必須使工作頻率能適應(yīng)負(fù)載的變化而自動(dòng)調(diào)整。這種控制方式稱為自勵(lì)方式，即逆變電路的觸發(fā)信號(hào)取自負(fù)載端，其工作頻率受負(fù)載諧振頻率的控制。4.3電流型逆變電路■單相電流型逆變電路與自勵(lì)式相對(duì)應(yīng)，固定工作頻率的控制方式稱為他勵(lì)方式。自勵(lì)方式存在著起動(dòng)的問(wèn)題，因?yàn)樵谙到y(tǒng)未投入運(yùn)行時(shí)，負(fù)載端沒(méi)有輸出，無(wú)法取出信號(hào)。解決這一問(wèn)題的方法之一是先用他勵(lì)方式，系統(tǒng)開(kāi)始工作后再轉(zhuǎn)入自勵(lì)方式。另一種方法是附加預(yù)充電起動(dòng)電路，即預(yù)先給電容器充電，起動(dòng)時(shí)將電容能量釋放到負(fù)載上，形成衰減振蕩，檢測(cè)出振蕩信號(hào)后實(shí)現(xiàn)自勵(lì)。4.3電流型逆變電路■三相電流型逆變電路

◆電路原理圖（120°導(dǎo)通型）

4.3電流型逆變電路■三相電流型逆變電路

◆電路原理圖上頁(yè)中電流型三相橋式逆變電路的基本工作方式是120導(dǎo)電方式。即每個(gè)臂一周期內(nèi)導(dǎo)電120，按VT1到VT6的順序每隔60依次導(dǎo)通。這樣，在每個(gè)時(shí)刻，上橋臂組的三個(gè)臂和下橋臂組的三個(gè)臂中都各有一個(gè)臂導(dǎo)通。換流時(shí)，是在上橋臂組或下橋臂組的組內(nèi)依次換流，故稱為橫向換流。4.3電流型逆變電路■三相電流型逆變電路

◆電路波形分析

4.3電流型逆變電路■三相電流型逆變電路

◆電路波形分析輸出交流電流波形和負(fù)載性質(zhì)無(wú)關(guān)，是正負(fù)脈沖寬度各為120的矩形波，如圖所示。輸出電流波形和三相橋式可控整流電路在大電感負(fù)載下的交流輸入電流波形形狀相同。因此，它們的諧波分析表達(dá)式也相同。輸出線電壓波形和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，圖中給出的波形大體為正弦波，但疊加了一些脈沖，這是由于逆變器中的換流過(guò)程而產(chǎn)生的。4.3電流型逆變電路■三相電流型逆變電路

◆電路參數(shù)計(jì)算輸出交流電流的基波有效值IU1和直流電流Id的關(guān)系為和電壓型三相橋式逆變電路中求輸出線電壓有效值相比（4-11式），因兩者波形形狀相同，所以兩個(gè)公式的系數(shù)相同。基波幅值為4.3電流型逆變電路■串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路

◆電路原理圖主要用于中大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。4.3電流型逆變電路■串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路

◆電路原理圖可以看出，這是一個(gè)電流型三相橋式逆變電路，因?yàn)楦鳂虮鄣木чl管和二極管串聯(lián)使用而得名。電路仍采用前述的120導(dǎo)電方式，輸出電流波形與前述的三相橋式逆變輸出波形大體相同。各橋臂之間換流采用的是強(qiáng)迫換流方式，連接于各橋臂之間的電容C1～C6即為換流電容。換流電容C13，是C3與C5串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容。設(shè)C1～C6的電容值均為C，則C13=3C/2。4.3電流型逆變電路■串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路

◆工作原理–VT1到VT3的換流過(guò)程

4.3電流型逆變電路■串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路

◆工作原理–VT1到VT3的換流過(guò)程設(shè)換流前逆變電路已