《電力電子技術(shù)》西安交通大學(xué)王兆安第五版第4章逆變電路.ppt

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1、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 本章小結(jié) 2/47 引言 逆變的概念 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)接負(fù)載，為 無源逆變 ，本章主要講述無源逆變。 逆變與變頻 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）和直交變換兩部分組 成，后一部分就是逆變。 逆變電路的 主要應(yīng)用 各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。 交流電機(jī)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。 3/47 4.1

2、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 4/47 4.1.1 逆變電路的基本工作原理 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 4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。 負(fù)載 a) b) t S 1 S 2 S 3 S 4 i o u o U d u o i o t 1 t 2 當(dāng)開關(guān) S1、 S4閉合， S2、 S3斷開時，負(fù)載電壓 uo為正；當(dāng)開關(guān) S1、 S4斷開， S2、 S3閉合時， uo為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電。 改變 兩組開關(guān)的切換頻率 ，即可改變輸出 交流電的頻率 。 電阻負(fù)載時，負(fù)載電流 io和 uo的波形相同，相

3、位也相同。 阻感負(fù)載時， io相位滯后于 uo，波形也不同。 圖 4-1 逆變電路及其波形舉例 5/47 4.1.2 換流方式分類 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 。 研究換流方式主要是研究 如何使器件關(guān)斷 。 換流方式分為以下幾種 器件換流（ Device Commutation） 利用 全控型器件的自關(guān)斷能力 進(jìn)行換流。 在采用 IGBT 、電力 MOSFET 、 GTO 、 GTR等全控 型器件的電路中的換流方式是器件換流。 電網(wǎng)換流（ Line Commutation） 電網(wǎng) 提供 換流電壓 的換流方式。 將負(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。不

4、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。 6/47 4.1.2 換流方式分類 a) u t t t t O O O O i i t 1 b) o u o i o i o u VT i VT 1 i VT 4 i VT 2 i VT 3 u VT 1 u VT 4 圖 4-2 負(fù)載換流電路及其工作波形 負(fù)載換流 （ Load Commutation） 由 負(fù)載 提供 換流電壓 的換流方式。 負(fù)載 電流 的 相位超前 于負(fù)載 電壓 的場合， 都可實現(xiàn)負(fù)載換流，如電容性負(fù)載和同步電 動機(jī)。 圖 4-2a是基本的負(fù)載換流逆變電路，整 個負(fù)載工作在接近 并聯(lián)諧振狀態(tài) 而略呈

5、容性 ， 直流側(cè)串大電感，工作過程可認(rèn)為 id基本沒 有脈動。 負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小， 所以 uo接近 正弦波 。 注意觸發(fā) VT2、 VT3的時刻 t1必須在 uo過 零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完 成。 7/47 4.1.2 換流方式分類 強(qiáng)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(qiáng) 迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。 通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)， 因此也稱為 電容換流 。 分類 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。 電感耦合式強(qiáng)迫換流 ：通過換流電路內(nèi)的 電容和電感的耦合來提供

6、換流電壓或換流電流。 直接耦合式強(qiáng)迫換流 如圖 4-3， 當(dāng)晶閘管 VT處于通態(tài)時，預(yù)先給 電容充電。當(dāng) S合上，就可使 VT被施加反壓而關(guān) 斷。 也叫電壓換流。 圖 4-3 直接耦合式 強(qiáng)迫換流原理圖 8/47 4.1.2 換流方式分類 電感耦合式強(qiáng)迫換流 圖 4-4a中晶閘管在 LC振蕩 第一個半周期 內(nèi)關(guān)斷，圖 4-4b中晶閘管在 LC振蕩 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。 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。 也叫 電流換流 。 圖 4-4 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖 換流方式總結(jié) 器

7、件換流 只適用于 全控型器件 ，其余三種方式主要是針對 晶閘管 而言的。 器件換流和強(qiáng)迫換流屬于 自換流 ，電網(wǎng)換流和負(fù)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 變?yōu)榱?，則稱為 熄滅 。 9/47 4.2 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 10/47 4.2 電壓型逆變電路 引言 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。 電流型 逆變電路：直流側(cè)是電流源。 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)電壓基本無脈動。 由于直流電壓源的 鉗位作用 ，

8、輸出電壓為 矩形波 ，輸出電流因負(fù) 載阻抗不同而不同。 阻感負(fù)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) 反饋二極管 。 圖 4-5 電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路） 11/47 4.2.1 單相電壓型逆變電路 a) t t O O ON b) o U m - U m i o t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 V 1 V 2 V 1 V 2 VD 1 VD 2 VD 1 VD 2 圖 4-6 單相半橋電壓型逆 變電路及其工作波形 半橋逆變電路 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 聯(lián)結(jié)點 便成為直流電 源的 中點 ，負(fù)載

9、聯(lián)接在直流電源中點和兩 個橋臂聯(lián)結(jié)點之間。 工作原理 設(shè)開關(guān)器件 V1和 V2的柵極信號在一 個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二 者互補(bǔ)。 輸出電壓 uo為 矩形波 ，其幅值為 Um=Ud/2。 電路帶 阻感負(fù)載 ， t2時刻給 V1關(guān)斷 信號，給 V2開通信號，則 V1關(guān)斷，但感性 負(fù)載中的電流 io不能立即改變方向，于是 VD2導(dǎo)通續(xù)流，當(dāng) t3時刻 io降零時， VD2截止， V2開通， io開始反向，由此得出如圖所示 的電流波形。 12/47 4.2.1 單相電壓型逆變電路 a) t t O O ON b) o U m - U m i o t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t

10、6 V 1 V 2 V 1 V 2 VD 1 VD 2 VD 1 VD 2 圖 4-6 單相半橋電壓型逆 變電路及其工作波形 V1或 V2通時， io和 uo同方向 ， 直流側(cè)向負(fù)載提供能量； VD1或 VD2通時， io和 uo反向 ，電感中貯 能向直流側(cè)反饋。 VD1、 VD2稱為 反饋二極管 ,它又起著使負(fù)載電流 連續(xù)的作用，又稱 續(xù)流二極管 。 優(yōu)點是簡單，使用器件少；其缺 點是輸出交流電壓的幅值 Um僅為 Ud/2，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 壓的均衡；因此，半橋電路常用于 幾 kW以下 的小功率逆變電源。 13/47 4.2.1 單相電壓型逆變電路 全

11、橋逆變電路 共四個橋臂，可看成 兩個半橋電路 組合而成。 兩對橋臂交替導(dǎo)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。 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)。 Ud的矩形波 uo展開成傅里葉級數(shù)得 tttUu 5s i n513s i n31s i n4 do 其中基波的幅值 Uo1m和基波有效值 Uo1分別為 ddo1m 27.14 UUU dd1o 9.0 22 UUU 圖 4-5 全橋逆變電路 (4-1) (4-2) (4-3) 14/47 4.2.1 單相電壓型逆變電路 a) b) 圖 4-7 單相全橋逆變電 路的移相調(diào)壓方

12、式 移相調(diào)壓方式 V3的基極信號比 V1落后 （ 0 180 ）。 V3、 V4的柵極信號分別比 V2、 V1 的前移 180 -。輸出電壓是正負(fù)各為 的脈 沖。 工作過程 t1時刻前 V1和 V4導(dǎo)通， uo=Ud。 t1時刻 V4截止，而因負(fù)載電感中的電流 io不能突變， V3不能立刻導(dǎo)通， VD3導(dǎo)通續(xù) 流， uo=0。 t2時刻 V1截止，而 V2不能立刻導(dǎo)通， VD2導(dǎo)通續(xù)流，和 VD3構(gòu)成電流通道， uo=- Ud。 到負(fù)載電流過零并開始反向時， VD2和 VD3截止， V2和 V3開始導(dǎo)通， uo仍為 -Ud。 t3時刻 V3截止，而 V4不能立刻導(dǎo)通， VD4導(dǎo)通續(xù)流， uo再

13、次為零 。 改變 就可調(diào)節(jié)輸出電壓 。 15/47 4.2.1 單相電壓型逆變電路 圖 4-8 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 兩個 IGBT，經(jīng)變壓器耦 合給負(fù)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 量的反饋通道 。 Ud和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比 為 1： 1： 1時， uo和 io波形及幅值與全橋 逆變電路完全相同。 與全橋電路相比較 比全橋電路少用 一半開關(guān)器件 。 器件承受的電壓為 2Ud，比全橋 電路高一倍。 必須有一個 變壓器 。 16/47 4.2.2 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。 三相橋式

14、逆變電路 基本工作方式是 180 導(dǎo)電方式 。 同一相（即同一半橋）上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度 差 120 ，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(jìn)行，也稱為 縱向換流 。 圖 4-9 三相電壓型橋式逆變電路 假想中點 17/47 4.2.2 三相電壓型逆變電路 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN u UN u UV i U i d u VN u WN u NN U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 圖 4-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形

15、工作波形 對于 U相輸出來說，當(dāng)橋臂 1導(dǎo)通時， uUN=Ud/2，當(dāng)橋臂 4導(dǎo)通時， uUN=-Ud/2， uUN的波形是 幅值為 Ud/2的矩形波 ， V、 W兩相的情況和 U相類似。 負(fù)載線電壓 uUV、 uVW、 uWU可由下 式求出 U N W N WU W N V N VW V N U N UV uuu uuu uuu 負(fù)載各相的相電壓分別為 NN W N WN NN VNVN NN UNUN uuu uuu uuu (4-4) (4-5) 18/47 4.2.2 三相電壓型逆變電路 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f)

16、 g) h) u UN u UN u UV i U i d u VN u WN u NN U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 圖 4-10 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 )(31)(31 WNVNUN W N V N U N N N uuuuuuu 設(shè)負(fù)載為三相對稱負(fù)載，則有 uUN+uVN+uWN=0，故可得 )(31 W N VN UNNN uuuu 負(fù)載參數(shù)已知時，可以由 uUN的波形 求出 U相電流 iU的波形，圖 4-10g給出的 是阻感負(fù)載下 時 iU的波形。 3/ 把橋臂 1、 3、 5的電流加起來，就可 得到直流側(cè)電流 i

17、d的波形，如圖 4-10h所 示，可以看出 id每隔 60 脈動一次。 (4-6) (4-7) 19/47 4.2.2 三相電壓型逆變電路 基本的數(shù)量關(guān)系 把輸出線電壓 uUV展開成傅里葉級數(shù)得 n k tn n t U ttttt U u s i n)1( 1 s i n 32 13s i n 13 1 11s i n 11 1 7s i n 7 1 5s i n 5 1 s i n 32 d d UV 式中， ， k為自然數(shù)。 16 kn 輸出線電壓有效值 UUV為 d 2 0 2 UVUV 8 1 6.0d2 1 UtuU 其中基波幅值 UUV1m和基波有效值 UUV1分別為 ddU V

18、 1 m 1.1 32 UUU ddU V 1 mUV1 78.0 6 2 UU UU (4-8) (4-9) (4-10) (4-11) 20/47 4.2.2 三相電壓型逆變電路 把 uUN展開成傅里葉級數(shù)得 n tnntU tttttUu s i n1s i n2 13s i n13 111s i n11 17s i n715s i n51s i n2 d d UN 式中， ， k為自然數(shù)。 16 kn 負(fù)載相電壓有效值 UUN為 d 2 0 2 UNUN 471.0d2 1 UtuU 其中基波幅值 UUN1m和基波有效值 UUN1分別為 ddU N 1 m 637.0 2 UUU dU

19、 N1 mU N1 45.02 U UU 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 “先斷后通” 的方法。 (4-12) (4-13) (4-14) (4-15) 21/47 UUV7 =2 Ud/（ 3.14 7 ） =22.3（ V） 4.2.2 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， Ud=200V。試求輸出相電 壓的基波幅值 UUN1m和有效值 UUN1、輸出線電壓的基波幅值 UUV1m和有效值 UUV1、輸出線電壓中 7次諧波的有效值 UUV7。 解： 2 dU N1 mU N1 45.02 U UU ddU N 1 m

20、 637.0 2 UUU ddU V 1 m 1.1 32 UUU dd U V 1 m UV1 78.0 6 2 UU UU 0.45 200 90（ V） 0.637 200 127.4（ V） 1.1 200=220（ V） 0.78 200=156（ V） 3 22/47 4.3 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 23/47 4.3 電流型逆變電路 引言 直流電源為 電流源 的逆變電路稱 為電流型逆變電路。 電流型逆變電路主要特點 直流側(cè)串 大電感 ，電流基本無 脈動，相當(dāng)于電流源。 交流輸出電流為 矩形波 ，與負(fù) 載阻抗角無關(guān)，輸出電壓波

21、形和 相位因負(fù)載不同而不同。 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 極管。 電流型逆變電路中，采用 半控型 器件 的電路仍應(yīng)用較多，換流方 式有 負(fù)載換流 、 強(qiáng)迫換流 。 圖 4-11 電流型三相橋式逆變電路 24/47 4.3.1 單相電流型逆變電路 電路分析 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 制晶閘管開通時的 di/dt。 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 。 電容 C和 L 、 R構(gòu)成 并聯(lián)諧振電 路 。 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(yuǎn) 小于基波。 圖 4-1

22、2 單相橋式電流型 （并聯(lián)諧振式）逆變電路 25/47 4.3.1 單相電流型逆變電路 工作波形分析 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 流階段 。 t1t2： VT1和 VT4穩(wěn)定導(dǎo)通 階段， io=Id， t2時刻前在 C上建 立了 左正右負(fù) 的電壓。 在 t2時刻觸發(fā) VT2和 VT3開 通，開始進(jìn)入換流階段。 由于換流 電抗器 LT的作用， VT1 和 VT4不能立刻關(guān)斷，其電 流有一個減小過程， VT2和 VT3 的電流也有一個增大過程。 圖 4-13 并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形 26/47 4.3.1 單相電流型逆變電路 4個晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù) 載電容電壓經(jīng)

23、兩個并聯(lián)的放 電回路同時放電。 一個回路是經(jīng) LT1、 VT1、 VT3、 LT3回到 電容 C。 另一個回路是經(jīng) LT2、 VT2、 VT4、 LT4回到 電容 C。 當(dāng) t=t4時， VT1、 VT4電流減 至零而關(guān)斷，直流側(cè)電流 Id 全部從 VT1、 VT4轉(zhuǎn)移到 VT2、 VT3， 換流階段結(jié)束 。 圖 4-13 并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形 27/47 4.3.1 單相電流型逆變電路 t 圖 4-13 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 斷能力， t4時刻換流結(jié)束后還要使 VT1、 VT4承受一段反壓時間 t， t= t5- t4應(yīng)大 于晶閘管的關(guān)斷時間 tq

24、。 為保證可靠換流應(yīng)在 uo過零前 t = t5- t2時刻觸發(fā) VT2、 VT3， t為觸發(fā)引前時 間 ttt io超前于 uo的時間 （ 負(fù)載的功率因數(shù)角 ） t tt 2 把 t表示為電角度 （弧度）可得 22 t t (4-16) (4-17) (4-18) 28/47 4.3.1 單相電流型逆變電路 基本的數(shù)量關(guān)系 io展開成傅里葉級數(shù)可得 tttIi 5s i n513s i n31s i n4 do 負(fù)載電壓有效值 Uo和直流電壓 Ud的關(guān)系 其基波電流有效值 Io1為 dd1o 9.02 4 III 2 c o s) 2 c o s ( 22 c o s)c o s ( 2 d

25、s i n2 1 d 1 o o )( o )( d U U ttU tuU AB (4-19) (4-20) 29/47 4.3.1 單相電流型逆變電路 一般情況下 值較小，可近似認(rèn)為 cos(/2)1，再考慮到式 (4-18)可得 c o s22 od UU 或 c o s11.1c o s22 ddo UUU 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(fù)載的變化而自動調(diào)整，這種控制方式稱為 自勵方式 。 固定工作頻率的控制方式稱為 他勵方式 。 自勵方式存在 起動問題 ，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。 附加預(yù)充電起動電路。 (4-21) 30/

26、47 4.3.2 三相電流型逆變電路 t O t O t O t O I d i V i W u UV U 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 基本工作方式是 120 導(dǎo)電方式 ，每個臂 一周期內(nèi)導(dǎo)電 120 ，每個時刻上下橋臂組 各有一個臂導(dǎo)通。 換流方式為 橫向換流 。 波形分析 輸出電流波形和負(fù)載性質(zhì)無關(guān)，正負(fù)脈 沖各 120 的 矩形波 。 輸出電流和三相橋整流帶大電感負(fù)載時 的交流電流波形相同，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)， 大體 為正弦波 ，但疊加了一些脈沖。 輸出交流電流的基波有效值 IU1和

27、直流電 流 Id的關(guān)系為 dd1U 78.0 6 III (4-22) 31/47 4.3.2 三相電流型逆變電路 圖 4-15 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(jī)調(diào)速 系統(tǒng)。 電路分析 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)使用。 120 導(dǎo)電工作方式 ，輸出波形 和圖 4-14的波形大體相同。 采用 強(qiáng)迫換流 方式，電容 C1 C6為換流電容。 換流過程分析 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 極性為正，另一端為負(fù)，不與導(dǎo)通晶閘 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

28、反。 32/47 4.3.2 三相電流型逆變電路 - + U V W + - U V W a) + - U V W b) - + U V W c) d) VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d i V i V i U = I d - i V 等效換流電容 概念：圖 4-16中的換流電容 C13就是圖 4-14中的 C3與 C5

29、串聯(lián)后 再與 C1并聯(lián)的等效電容。 分析從 VT1向 VT3換流的過程 假設(shè)換流前 VT1和 VT2通， C13電壓 UC0左正右負(fù) 。 換流階段分為 恒流放電 和 二極管換流 兩個階段。 t1時刻觸發(fā) VT3導(dǎo)通 ， VT1被施以反壓而 關(guān)斷 ， Id從 VT1換到 VT3， C13通過 VD1、 U相負(fù)載、 W相負(fù)載、 VD2、 VT2、直流電源和 VT3放電，放電電流恒 為 Id，故稱 恒流放電階段 ，如圖 4 16b。 圖 4-16 換流過程各階段的電流路徑 33/47 4.3.2 三相電流型逆變電路 - + U V W + - U V W a) + - U V W b) - + U

30、V W c) d) VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d i V i V i U = I d - i V 圖 4-16 換流過程各階段的電流路徑 uC13下降到零之前， VT1承受反壓，反壓時間大于 tq就能保證可靠關(guān)斷。 t2時刻 uC13降到零，之后 C13反向充電，忽略負(fù)載電阻壓降，則二極管 VD3導(dǎo)通， 電流為 iV

31、， VD1電流為 iU=Id-iV， VD1和 VD3同時導(dǎo)通，進(jìn)入 二極管換流階段 。 隨著 C13電壓增高，充電電流漸小， iV漸大， t3時刻 iU減到零， iV=Id， VD1承受 反壓而關(guān)斷，二極管換流階段結(jié)束。 t3以后，進(jìn)入 VT2、 VT3穩(wěn)定導(dǎo)通階段 。 34/47 4.3.2 三相電流型逆變電路 t t O u O i U CO u C13 u C5 u C3 - U CO I d i U i V t 1 t 2 t 3 圖 4-17 串聯(lián)二極管晶閘管 逆變電路換流過程波形 從 VT1向 VT3換流的過程中，如果負(fù) 載為 交流電動機(jī) ，則在 t2時刻 uC13降至 零時，如

32、電機(jī)反電動勢 eVU0，則 VD3 仍承受反向電壓而不能導(dǎo)通。直到 uC13 升高到 與 eVU相等 后， VD3才承受正向 電壓而導(dǎo)通，進(jìn)入 VD3和 VD1同時導(dǎo)通 的二極管換流階段。 波形分析 圖 4-17給出了電感負(fù)載時 uC13、 iU 和 iV的波形圖。 uC1的波形和 uC13完全相同。 uC3從 零 變到 -UC0， uC5從 UC0變到 零 ，變化幅度是 C1的一半。 這些電壓恰好符合相隔 120 后從 VT3到 VT5換流時的要求，為下次換流 準(zhǔn)備好了條件。 35/47 4.3.2 三相電流型逆變電路 O O O O O t t t O t t VT 4 導(dǎo)通 U V W

33、i V i W i U u dM VT 1 導(dǎo)通 VT 3 導(dǎo)通 VT 6 導(dǎo)通 VT 5 導(dǎo)通 VT 2 導(dǎo)通 u VT 1 圖 4-19 無換相器電動機(jī)電路工作波形 圖 4-18 無換相器電動機(jī)的基本電路 負(fù)載為同步電動機(jī) 其工作特性和調(diào)速方式都和直流電 動機(jī)相似，但沒有換向器，因此被稱為 無換向器電動機(jī) 。 采用 120 導(dǎo)電方式 ，利用電動機(jī) 反電勢 實現(xiàn)換流。 BQ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 發(fā)出觸發(fā)脈沖。 36/47 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 37/47 4.4 多重逆變電路和多電

34、平逆變電路 引言 電壓型 逆變電路的輸出電壓是矩形波， 電流型 逆 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(fù)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， 使之成為 接近正弦波 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 能夠輸出較多的電平，從而使輸出電壓向正弦波 靠近。 38/47 4.4.1 多重逆變電路 120 60 180 t O t O t O 三次諧波 三次諧波 u 1 u 2 u o 圖 4-20 二重單相逆變電路 圖 4-21 二重逆變電路的工作波形 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 壓器 T1和 T

35、2串聯(lián) 起來。 輸出波形 兩個單相的輸出 u1和 u2是 180 矩形波 。 u1和 u2相位錯開 =60 ,其中的 3次諧波 就錯開了 3 60 =180，變壓器串聯(lián)合成后， 3 次諧波互相抵消 ，總輸出電壓中不含 3次諧波。 uo波形是 120 矩形波，含 6k 1次諧波 ， 3k次諧波都被抵消。 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 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。 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 流型逆變電路多用并聯(lián)多重方式。 39/47 4.4.1 多重逆變電

36、路 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 電路分析 由兩個三相橋式逆變電路構(gòu)成， 輸出通過 變壓器串聯(lián) 合成。 兩個逆變電路均為 180 導(dǎo)通方 式 。 工作時，逆變橋 II的相位比逆 變橋 I滯后 30 。 T1為 / Y聯(lián)結(jié)，線電壓變比 為 ， T2一次側(cè) 聯(lián)結(jié)，二次側(cè)兩 繞組 曲折星形接法 ，其二次電壓相對 于一次電壓而言，比 T1的接法超前 30 ，以抵消逆變橋 II比逆變橋 I滯后 的 30 ，這樣 uU2和 uU1的 基波相位就 相同 。 如果 T2和 T1一次側(cè)匝數(shù)相同， 為了使 uU2和 uU1基波幅值相同 ， T2和 T1二次側(cè)間的匝比就應(yīng)為 。 3:

37、1 3/1 40/47 4.4.1 多重逆變電路 U A21 U UN U U2 -U B22 U U1 ( U A1 ) t O t O t O t O t O 3 1 3 1 ) ( 1 + ) U U1 U A21 -U B22 U U2 U UN ( U A1 ) U d U d 3 2 U d 3 1 U d 3 2 U d ( 1 + U d 3 1 U d 圖 4-23 二次側(cè)基波電壓合成相量圖 圖 4-24 三相電壓型二重逆變電路波形圖 工作波形 T1、 T2二次側(cè)基波電壓 合成情況的相量圖如圖 4-23 所示，圖中 UA1、 UA21、 UB22 分別是變壓器繞組 A1、 A

38、21、 B22上的基波電壓相量。 由圖 4-24可以看出， uUN 比 uU1接近正弦波。 41/47 4.4.1 多重逆變電路 基本的數(shù)量關(guān)系 把 uU1展開成傅里葉級數(shù)得 n k tn nt Uu s i n)1( 1s i n32 d U1 式中， n=6k 1， k為自然數(shù)。 uU1的基波分量有效值為 ddU 1 1 78.0 6 UUU n次諧波有效值為 n UU d U1 n 6 (4-23) (4-24) (4-25) 42/47 4.4.1 多重逆變電路 輸出相電壓 uUN的基波電壓有效值為 ddU N 1 56.1 62 UUU 其 n次諧波有效值為 UN 1dUN n 16

39、2 U nn UU 式中， n=12k 1， k為自然數(shù)，在 uUN中已不含 5次、 7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 12次，稱為 12脈 波逆變電路 ，一般來說，使 m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， 就可以構(gòu)成 脈波數(shù)為 6m的逆變電路 。 )3/( m (4-26) (4-27) 43/47 4.4.2 多電平逆變電路 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN u UN u UV i U i d u VN u WN u NN

40、 U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 圖 4-9 三相電壓型橋式逆變電路 圖 4-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 回顧圖 4-9三相電壓型橋式 逆變電路和圖 4-10的波形， 以 N為參考點，輸出相電壓 有 Ud/2和 -Ud/2兩種電平，稱 為 兩電平逆變電路 。 44/47 4.4.2 多電平逆變電路 圖 4-25 三電平逆變電路 三電平逆變電路 電路分析 也稱 中點鉗位型 （ Neutral Point Clamped） 逆 變電路 。 每橋臂由兩個全控器件 串聯(lián)構(gòu)成，兩者都反并聯(lián)了二 極管，且中點通過鉗位二極管 和直流側(cè)中點相連 。 以 U相 為例分析工

41、作情況 V11和 V12（或 VD11和 VD12）導(dǎo)通， V41和 V42關(guān)斷時， UO間電位差為 Ud/2。 V41和 V42（或 VD41和 VD42）導(dǎo)通， V11和 V12關(guān)斷時， UO間電位差為 -Ud/2。 V12和 V41導(dǎo)通， V11和 V42關(guān)斷時， UO間電位差為 0。 V12和 V41不能同時導(dǎo)通， iU0時， V12和 VD1導(dǎo)通， iU0時， V41和 VD4導(dǎo)通。 45/47 4.4.2 多電平逆變電路 線電壓的電平 相電壓相減得到線電壓。 兩電平逆變電路的輸出線電壓有 Ud和 0三種電平， 三電平逆變電路的輸出線電壓有 Ud、 Ud/2和 0五種電 平。 三電平

42、逆變電路輸出 電壓諧波 可大大少于兩電平逆 變電路。 三電平逆變電路另一突出優(yōu)點：每個主開關(guān)器件承 受電壓為直流側(cè)電壓的一半。 用與三電平電路類似的方法，還可構(gòu)成五電平、七電平 等更多電平的電路，三電平及更多電平的逆變電路統(tǒng)稱 為多電平逆變電路。 46/47 本章小結(jié) 講述基本的逆變電路的結(jié)構(gòu)及其工作原理 四大類基本變流電路中， AC/DC和 DC/AC兩類電路更 為基本、更為重要。 換流方式 分為 外部換流 和 自換流 兩大類，外部換流包括 電網(wǎng)換 流 和 負(fù)載換流 兩種，自換流包括 器件換流 和 強(qiáng)迫換流 兩 種。 換流概念在晶閘管時代十分重要，全控型器件時代其 重要性有所下降。 47/4

43、7 本章小結(jié) 逆變電路分類方法 可按 換流方式 、 輸出相數(shù) 、 直流電源的性質(zhì)或用途 等分類。 本章主要采用按直流側(cè)電源性質(zhì)分類的方法，分為 電壓型 和 電流型 兩類。 電壓型和電流型的概念用于其他電路，會對這些電路有更深刻的認(rèn) 識，負(fù)載為大電感的整流電路可看為電流型整流電路，電容濾波的 整流電路可看成為電壓型整流電路。 與其它章的關(guān)系 本章對逆變電路的講述是很基本的，還遠(yuǎn)不完整，第 7章的 PWM控 制技術(shù) 在逆變電路中應(yīng)用最多，絕大部分逆變電路都是 PWM控制 的，學(xué)完下一章才能對逆變電路有一個較為完整的認(rèn)識。 逆變電路的直流電源往往由整流電路而來，二都結(jié)合構(gòu)成 間接交流 變流電路 。 此外，間接直流變流電路大量用于 開關(guān)電源 ，其中的核心電路仍是 逆變電路，這些將在第 10章介紹，學(xué)完第 10章后，對逆變電路及其 應(yīng)用將有更完整的認(rèn)識。