電力電子技術(shù)第4章

第4章逆變電路(DC/AC變換）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12/27/202314.1換流方式4.1.1逆變電路的基本工作原理4.1.2換流方式分類12/27/202324.1.1逆變電路的基本工作原理負(fù)載a)S1S2S3S4iouoUd圖4-1逆變電路及其波形舉例S1~S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S4

閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正；當(dāng)S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，uo為負(fù)。直流電變成了交流電，改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。+_+_12/27/202334.1.2換流方式分類

全控型器件可通過(guò)門(mén)極得控制使其關(guān)斷，

半控型器件晶閘管，必須利用外部條件或采取其它措施才能使其關(guān)斷。一般均需給需要關(guān)斷的晶閘管施加一定時(shí)間反向電壓，才能關(guān)斷。開(kāi)通時(shí)關(guān)斷時(shí)無(wú)論支路是由全控型還是半控型電力電子器件組成，只要有適當(dāng)?shù)拈T(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就可使其開(kāi)通。器件換流

電網(wǎng)換流強(qiáng)迫換流負(fù)載換流分類12/27/202341.器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流2.電網(wǎng)換流只要把負(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)斷但不適用于沒(méi)有交流電網(wǎng)的無(wú)源逆變電路由電網(wǎng)提供換流電壓3.負(fù)載換流負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合由負(fù)載提供換流電壓12/27/202354個(gè)橋臂均由晶閘管組成負(fù)載是電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。負(fù)載工作在對(duì)基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，uo波形接近正弦波直流側(cè)串入大電感Ld，工作過(guò)程中可認(rèn)為

id基本沒(méi)有脈動(dòng)。負(fù)載電流基本呈矩形波。wtOuouoioioRLCEdLdVT1VT2VT3VT4uoioid12/27/20236

t1時(shí)刻前：VT1、VT4為通態(tài)，VT2、VT3為斷態(tài)，uo、io均為正，VT2、VT3上施加的電壓即為uot1時(shí)刻觸發(fā)VT2、VT3使其開(kāi)通，uo通過(guò)VT2、VT3分別加到VT4、VT1上使其承受反向電壓而關(guān)斷，電流從VT1、VT4換到VT3、VT2

觸發(fā)VT2、VT3時(shí)刻，

t1必須在uo過(guò)零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成wtOuouoioioRLCEdLdVT1VT2VT3VT4uoioid+_12/27/202374.強(qiáng)迫換流（電容換流）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直接耦合式強(qiáng)迫換流由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓SVT負(fù)載+圖4-3

直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖晶閘管VT通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容C按圖4-3中所示極性充電。合上開(kāi)關(guān)S，就可使晶閘管被施加反向電壓而關(guān)斷12/27/20238電感耦合式強(qiáng)迫換流通過(guò)換流電路內(nèi)電容和電感的耦合提供換流電流CL+VDSCVT負(fù)載+LSVT負(fù)載VDb)a)圖4-4電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖圖4-4a中晶閘管在LC振蕩第一個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷圖4-4b中晶閘管在LC振蕩第二個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷12/27/20239電感耦合式強(qiáng)迫換流通過(guò)換流電路內(nèi)電容和電感的耦合提供換流電流CL+VDSCVT負(fù)載+LSVT負(fù)載VDb)a)圖4-4電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖圖a中，接通S后，LC振蕩電流將反向流過(guò)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。12/27/202310圖b中，接通S后，LC振蕩電流先正向流過(guò)VT并和VT中原有的負(fù)載電流疊加，經(jīng)過(guò)半個(gè)振蕩周期

振蕩電流反向流過(guò)VT，直到VT的合成正向電流減至零后，再流過(guò)二極管VD。電感耦合式強(qiáng)迫換流通過(guò)換流電路內(nèi)電容和電感的耦合提供換流電流CL+VDSCVT負(fù)載+LSVT負(fù)載VDb)a)圖4-4電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖12/27/2023114.2電壓型逆變電路4.2.1單相電壓型逆變電路4.2.2三相電壓型逆變電路12/27/2023124.2.1單相電壓型逆變電路1．半橋逆變電路半橋逆變電路有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂有一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)是直流電源的中點(diǎn)。負(fù)載聯(lián)結(jié)在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。圖4-6單相半橋電壓型逆變電路+-RLa)UdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud212/27/202313ttOOb)uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2+-RLa)UdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2圖4-6單相半橋電壓型逆變電路t2時(shí)刻以前V1通，V2斷

t2時(shí)刻給V1關(guān)斷信號(hào)，給V2開(kāi)通信號(hào)，則V1關(guān)斷，但感性負(fù)載中io不能立即改變方向，于是VD2導(dǎo)通續(xù)流。io下降。

t3時(shí)刻io降為零時(shí)，VD2截止，V2開(kāi)通，io開(kāi)始反向。

t4時(shí)刻給V2關(guān)斷信號(hào)，給V1開(kāi)通信號(hào)，V2關(guān)斷，VD1先導(dǎo)通續(xù)流，t5時(shí)刻V才開(kāi)通。輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2輸出電流io波形隨負(fù)載情況而異。+_+_12/27/202314ttOOb)uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2+-RLa)UdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2圖4-6單相半橋電壓型逆變電路+_對(duì)電壓波形進(jìn)行定量分析將幅值為Uo的矩形波uo展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)，得其中基波有效值Uo1分別為輸出電壓有效值為12/27/202315半橋逆變電路特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單，使用器件少缺點(diǎn)輸出交流電壓幅值Um僅為Ud/2，直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，工作時(shí)要控制兩個(gè)電容器電壓均衡半橋逆變電路常用于幾kW以下的小功率逆變電源12/27/202316全橋逆變電路+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio圖4-5電壓型全橋逆變電路(全橋逆變電路）電壓型全橋逆變共4個(gè)橋臂，橋臂1和4為一對(duì)，橋臂2和3為另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通180°4.2.1單相電壓型逆變電路12/27/202317ttOOONb)uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1、4V2、3V1、4V2、3VD1、4VD2、3VD1、4VD2、3圖4-6單相全橋電壓型逆變電路+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio+_+_12/27/202318ttOOONb)uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1、4V2、3V1、4V2、3VD1、4VD2、3VD1、4VD2、3圖4-6單相全橋電壓型逆變電路+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio+_全橋逆變電路是單相逆變電路中應(yīng)用最多的，對(duì)電壓波形進(jìn)行定量分析將幅值為Uo的矩形波uo展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)，得其中基波有效值Uo1分別為輸出電壓有效值為12/27/202319例、單相全橋逆變電路中，Ud

=300V，向Rd=8Ω，L=0.02H，的阻感負(fù)載供電，求1、3、5次諧波電流的大小及功率。解:3512/27/202320采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓實(shí)際就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度移相調(diào)壓圖4-7單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式a)

各IGBT柵極信號(hào)為180°正偏，180°反偏，且V1和V2柵極信號(hào)互補(bǔ)，V3和V4柵極信號(hào)互補(bǔ)

V3的基極信號(hào)不是比V1落后180°，而是只落后q

(0<q<180°)

V3、V4的柵極信號(hào)分別比V2、V1的前移180°-q

輸出電壓uo是正負(fù)各為q的脈沖+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio12/27/202321tOtOtOtOtOqb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo

t1時(shí)刻前V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓uo為ud

t1時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)反向，V4截止，因io不能突變，V3不能立即導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流，因V1和VD3同時(shí)導(dǎo)通，所以輸出電壓為零+_+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio12/27/202322

t2時(shí)刻V1和V2柵極信號(hào)反向，V1截止，

V2不能立即導(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)零開(kāi)始反向，VD2和VD3截止，V2和V3開(kāi)始導(dǎo)通，uo仍為-UdtOtOtOtOtOqb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio+_12/27/202323

t3時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)再次反向，V3截止，

V4不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，

uo再次為零輸出電壓uo的正負(fù)脈沖寬度各為θ，改變?chǔ)?/p>

，可調(diào)節(jié)輸出電壓tOtOtOtOtOqb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo+_+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio+_12/27/202324半橋逆變電路也可采用移相調(diào)壓么？純電阻負(fù)載時(shí)可以。采用移相調(diào)壓來(lái)調(diào)節(jié)半橋逆變電路的輸出電壓，上下兩橋臂柵極信號(hào)不再是各180°正偏、180°反偏且互補(bǔ)，而是正偏寬度為θ，反偏寬度為360°-θ，兩者相位差為180°。這時(shí)輸出電壓uo也是正負(fù)脈沖的寬度各為θ。tttqb)uG1uG2uo_++-Ra)UdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2+_12/27/202325+_半橋逆變電路也可采用移相調(diào)壓么？為什么阻感負(fù)載不可以？tb)uottquG1uG2+-RLa)UdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2+_小電感12/27/2023264.2.2三相電壓型逆變電路圖4-9三相電壓型橋式逆變電路

電壓型三相橋式逆變電路也是180°導(dǎo)電方式。在任一瞬間將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。

VT612~VT123~VT234~VT345~VT456~VT561每橋臂導(dǎo)電角度180°，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流N'N+-ABCV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD62UdUd212/27/202327N'N+-ABCV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD62UdUd228UdUdUd/32Ud/3Ud/32Ud/3ABCBAC12/27/2023282912/27/202329三橋式逆變電路輸出線電壓uUV展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得式中，n=6k±1,k為自然數(shù)輸出線電壓有效值UUV為基波有效值為(4-8)(4-9)(4-11)12/27/202330三橋式逆變電路負(fù)載相電壓uUN展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得式中，n=6k±1,k為自然數(shù)負(fù)載相電壓有效值UUN為(4-12)(4-13)基波有效值為(4-15)12/27/202331N'N+-ABCV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD62UdUd2為了防止同一相上下兩橋臂開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起的直流側(cè)電源短路，要采取“先斷后通”的方法。120導(dǎo)電型VT61VT12VT23VT45VT34VT56(B)N+-ACUdiB=0UBN=0UB=UN

-+Ud2-+Ud2(A)N+-BCUd-+Ud2-+Ud212/27/2023324.3電流型逆變電路4.3.1單相電流型逆變電路4.3.2三相電流型逆變電路(B)N+-ACUd-+Ud2-+Ud2(A)N+-BCUd-+Ud2-+Ud2(C)N+-BAUd-+Ud2-+Ud2(B)N+-CAUd-+Ud2-+Ud2(A)N+-CBUd-+Ud2-+Ud2(C)N+-ABUd-+Ud2-+Ud2VT61VT12VT23VT45VT34VT5612/27/2023334.3.1單相電流型逆變電路圖4-12單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路串聯(lián)一個(gè)電抗器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。

采用負(fù)載換相方式，要求負(fù)載電流略超前于負(fù)載電壓。ABCRLLdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4uoio12/27/2023344.3.1單相電流型逆變電路圖4-12單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路R和L串聯(lián)為電爐的等效電路，因功率因數(shù)很低，故并聯(lián)補(bǔ)償電容器C。則C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振式逆變電路。因基波頻率接近負(fù)載電路諧振頻率，故與基波頻率有關(guān)的電壓易通過(guò)，而非基波（諧波）頻率的電壓不易通過(guò)。諧波在負(fù)載電路上產(chǎn)生的壓降很小，因此負(fù)載電壓波形接近正弦波。ABCRLLdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4uoio12/27/2023354.3.1單相電流型逆變電路圖4-12單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路由于負(fù)載換流時(shí)要求負(fù)載電流超前電壓，因此負(fù)載電路總體工作在容性小失諧的情況下。由于輸入串入大電感，所以交流輸出電流波形接近矩形波。ABCRLLdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4uoio12/27/202336tOtttOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7uouABIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4ABCRLLdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4uoio+_換流時(shí)間t4-t2=tγVT管繼續(xù)受反壓時(shí)間

tβ=t5-t4觸發(fā)引前時(shí)間

tδ=tβ＋tγ電流超前電壓時(shí)間

tφ=tβ＋tγ/2φ=β＋γ/2+_tftgtdtb阻抗角12/27/202337如忽略換流過(guò)程，io可近似成矩形波，展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)

基波電流有效值Io1為(4-19)(4-20)12/27/202338tOtttOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7uouABIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4tftgtdtb如忽略電抗器Ld的損耗，uAB的平均值等于Ud.oπ近似認(rèn)為cos(g/2)≈1ABCRLLdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4uoio12/27/2023394.3.2三相電流型逆變電路圖4-11電流型三相橋式逆變電路基本工作方式是120°導(dǎo)電方式。VT1~VT6的順序每隔60°依次導(dǎo)通。（

VT61~VT12~VT23~VT34~VT45~VT56）每時(shí)刻上下橋臂組各有一個(gè)臂導(dǎo)通。電路工作在橫向換流方式。12/27/202340tOtOtOIdiViWiU圖4-14電流型三相橋式逆變電路輸出波形

輸出電流波形和負(fù)載性質(zhì)無(wú)關(guān)，是正負(fù)脈沖各120°的矩形波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相同，諧波分析表達(dá)式也相同輸出交流電流的基波有效值IU1和直流電流Id的關(guān)系為(4-22)iUiViW返回T56T61T12T23T34T4512/27/202341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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)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)使用，電路仍為120°導(dǎo)電工作方式，輸出波形和圖4-14的波形大體相同各橋臂之間換流采用強(qiáng)迫換流方式，電容C1~C6為換流電容M3UVW+-LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6圖4-15串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路

M3UVW+-LIdC1C2C34C5C6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6CM3UVW+LIdUdVT1VT2VT3VT4VT5VT612/27/202342M3UVW+-LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6圖4-15串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路

電容上極性判斷：對(duì)共陽(yáng)極晶閘管，電容器與導(dǎo)通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負(fù)，不與導(dǎo)通晶閘管相連的另一電容器電壓為零。共陰極晶閘管與共陽(yáng)極晶閘管情況類似，只是電容器電壓極性相反。等效換流電容概念如VT1換到VT3，C13=（C5串聯(lián)C3）并聯(lián)C1=3C/212/27/202343M3UVW+-LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6討論VT1管換流到VT3管的過(guò)程。tOtOtOIdiViWiUT56T61T12T23T34T45穩(wěn)態(tài)12/27/202344M3UVW+-LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6+-UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13恒流放電換流過(guò)程可分為兩個(gè)階段

二極管換流討論VT1管換流到VT3管的過(guò)程。tOtOtOIdiViWiUT56T61T12T23T34T45穩(wěn)態(tài)暫態(tài)12/27/202345M3UVW+-LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6+-UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13討論VT1管換流到VT3管的過(guò)程。穩(wěn)態(tài)暫態(tài)ttOuOiUCOuC13uC5uC3-UCOIdiUiVt1t2t3—+恒流放電換流過(guò)程可分為兩個(gè)階段

二極管換流12/27/202346電壓型電路輸出電壓是矩形波電流型電路輸出電流是矩形波減少矩形波中所含諧波多重逆變電路把幾個(gè)矩形波組合起來(lái)，使之接近正弦波形改變電路結(jié)構(gòu)得多電平逆變電路，它能輸出較多電平，使輸出電壓接近正弦波形12/27/202347

4.4多重逆變電路和多電平逆變電路4.4.1多重逆變電路4.4.2多電平逆變電路12/27/2023484.4.1多重逆變電路電壓型逆變電路和電流型逆變電路都可以實(shí)現(xiàn)多重化二重單相電壓型逆變電路由兩個(gè)單相全橋逆變電路組成，輸出通過(guò)變壓器T1和T2串聯(lián)起來(lái)UdT1T2u1u2uoj=600圖4-20二重單相逆變電路12/27