第10单元 逆变电路.ppt

1、第10章 有源逆变电路,10.1 逆变的概念 10.2 三相半波逆变电路 10.3 三相桥式逆变电路 10.4 逆变失败原因分析及逆变角的限制 习题及思考题,10.1.1 整流与逆变的关系 前面两章讨论的是把交流电能通过晶闸管变换为直流电能并供给负载的可控整流电路。但生产实际中，往往还会出现需要将直流电能变换为交流电能的情况。例如，应用晶闸管的电力机车，当机车下坡运行时，机车上的直流电机将由于机械能的作用作为直流发电机运行，此时就需要将直流电能变换为交流电能回送电网，以实现电机制动。 又如， 运转中的直流电机，要实现快速制动，较理想的办法是将该直流电机作为直流发电机运行，并利用晶闸管将直流电能

2、变换为交流电能回送电网， 从而实现直流电机的发电机制动。,10.1 逆 变 的 概 念,相对于整流而言，逆变是它的逆过程，一般习惯于称整流为顺变，则逆变的含义就十分明显了。下面的有关分析将会说明，整流装置在满足一定条件下可以作为逆变装置应用。即同一套电路， 既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态， 这样的电路统称为变流装置。 变流装置如果工作在逆变状态，其交流侧接在交流电网上， 电网成为负载， 在运行中将直流电能变换为交流电能并回送到电网中去， 这样的逆变称为“有源逆变”。 如果逆变状态下的变流装置，其交流侧接至交流负载，在运行中将直流电能变换为某一频率或可调频率的交流电能供给负载，这样的

3、逆变则称为“无源逆变”或变频电路。,相对于整流而言，逆变是它的逆过程，一般习惯于称整流为顺变，则逆变的含义就十分明显了。下面的有关分析将会说明，整流装置在满足一定条件下可以作为逆变装置应用。即同一套电路， 既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态， 这样的电路统称为变流装置。 变流装置如果工作在逆变状态，其交流侧接在交流电网上， 电网成为负载， 在运行中将直流电能变换为交流电能并回送到电网中去， 这样的逆变称为“有源逆变”。 如果逆变状态下的变流装置，其交流侧接至交流负载，在运行中将直流电能变换为某一频率或可调频率的交流电能供给负载，这样的逆变则称为“无源逆变”或变频电路。,图 3-1 两个

4、电源间能量的传送 (a) 同极性连接E1E2; (b) 同极性连接E2E1； (c) 反极性连接,10.1.2 电源间能量的变换关系(功率的传递）,图3-1(a)表示直流电源E1和E2同极性相连。当E1E2时， 回路中的电流为,式中R为回路的总电阻。此时电源E1输出电能E1I，其中一部分为R所消耗的I2R，其余部分则为电源E2所吸收的E2I。 注意上述情况中，输出电能的电源其电势方向与电流方向一致， 而吸收电能的电源则二者方向相反。,在图3-1(b)中，两个电源的极性均与图3-1(a)中相反，但还是属于两个电源同极性相连的形式。如果电源E2E1，则电流方向如图，回路中的电流I为,此时，电源E2

5、输出电能，电源E1吸收电能。 在图3-1(c)中，两个电源反极性相连， 则电路中的电流I为,此时电源E1和E2均输出电能，输出的电能全部消耗在电阻R上。 如果电阻值很小，则电路中的电流必然很大；若R=0，则形成两个电源短路的情况。,综上所述， 可得出以下结论： (1) 两电源同极性相连，电流总是从高电势流向低电势电源， 其电流的大小取决于两个电势之差与回路总电阻的比值。如果回路电阻很小， 则很小的电势差也足以形成较大的电流，两电源之间发生较大能量的交换。 (2) 电流从电源的正极流出，该电源输出电能；而电流从电源的正极流入，该电源吸收电能。电源输出或吸收功率的大小由电势与电流的乘积来决定，若电

6、势或者电流方向改变，则电能的传送方向也随之改变。 (3) 两个电源反极性相连，如果电路的总电阻很小，将形成电源间的短路， 应当避免发生这种情况。 ,图 3-2 直流卷扬系统 (a) 提升重物； (b) 放下重物,10.1.3 有源逆变电路的工作原理,1整流工作状态（0/2） 由第9章的学习已知，对于单相全控整流桥，当控制角在0/2之间的某个对应角度触发晶闸管时，上述变流电路输出的直流平均电压为Ud=Udo cos，因为此时均小于/2，故Ud为正值。在该电压作用下，直流电机转动，卷扬机将重物提升起来，直流电机转动产生的反电势为ED，且ED略小于输出直流平均电压Ud，此时电枢回路的电流为,2 中间

7、状态（=/2） 当卷扬机将重物提升到要求高度时，自然就需在某个位置停住，这时只要将控制角调到等于/2的位置，变流器输出电压波形中，其正、负面积相等，电压平均值Ud为零， 电动机停转（实际上采用电磁抱闸断电制动），反电势ED也同时为零。此时，虽然Ud为零，但仍有微小的直流电流存在， 有关波形如图3-3(b)所示。注意，此时电路处于动态平衡状态，与电路切断、电动机停转具有本质的不同。,3 有源逆变工作状态（/2） 上述卷扬系统中，当重物放下时，由于重力对重物的作用， 必将牵动电机使之向与重物上升相反的方向转动，电机产生的反电势ED的极性也将随之反相。如果变流器仍工作在/2 的整流状态，从上面曾分析

8、过的电源能量流转关系不难看出，此时将发生电源间类似短路的情况。为此，只能让变流器工作在/2的状态，因为当/2时，其输出直流平均电压Ud为负，出现类似图3-1(b)中两电源极性同时反向的情况，此时如果能满足EDUd，则回路中的电流为,电流的方向是从电势ED的正极流出，从电压Ud的正极流入，电流方向未变。显然，这时电动机为发电状态运行， 对外输出电能，变流器则吸收上述能量并馈送回交流电网去，此时的电路进入到有源逆变工作状态。 上述三种变流器的工作状态可以用图3-3所示波形表示。 图中反映出随着控制角的变化，电路分别从整流到中间状态， 然后进入有源逆变的过程。,图 3-3 直流卷扬机系统的电压电流波

9、形 (a) 整流； (b) 中间状态； (c) 有源逆变,现在应深入分析的问题是，上述电路在/2时是否能够工作？如何理解此时输出直流平均电压Ud为负值的含义? 上述晶闸管供电的卷扬系统中，当重物下降，电动机反转并进入发电状态运行时，电机电势ED实际上成了使晶闸管正向导通的电源。当/2时，只要满足Ed|u2|，晶闸管就可以导通工作，在此期间，电压ud大部分时间均为负值， 其平均电压Ud自然为负，电流则依靠电机电势ED及电感Ld两端感应电势的共同作用加以维持。正因为上述工作特点，才出现了电机输出能量，变流器吸收并通过变压器向电网回馈能量的情况。,1） 外部条件 务必要有一个极性与晶闸管导通方向一致

10、的直流电势源。 这种直流电势源可以是直流电机的电枢电势，也可以是蓄电池电势。它是使电能从变流器的直流侧回馈交流电网的源泉，其数值应稍大于变流器直流侧输出的直流平均电压。,2） 内部条件 要求变流器中晶闸管的控制角/2， 这样才能使变流器直流侧输出一个负的平均电压，以实现直流电源的能量向交流电网的流转。 上述两个条件必须同时具备才能实现有源逆变。 必须指出，对于半控桥或者带有续流二极管的可控整流电路，因为它们在任何情况下均不可能输出负电压，也不允许直流侧出现反极性的直流电势，所以不能实现有源逆变。,有源逆变条件的获得，必须视具体情况进行分析。例如上述直流电机拖动卷扬机系统，电机电势ED的极性可随

11、重物的“提升”与“下降”自行改变并满足逆变的要求。对于电力机车，上、下坡道行驶时，因车轮转向不变，故在下坡发电制动时，其电机电势ED的极性不能自行改变，为此必须采取相应措施， 例如可利用极性切换开关来改变电机电势ED的极性， 否则系统将不能进入有源逆变状态运行。,图 3-4 三相半波共阴极逆变电路及有关波形 (a) 整流工作状态； (b) 逆变工作状态,10.2 三相半波逆变电路,10.2.1 电路的整流工作状态（0/2） 图3-4(a)所示电路中，=30时依次触发晶闸管，其输出电压波形如图黑实线所示。因负载回路中接有足够大的平波电感，故电流连续。对于=30的情况，输出电压瞬时值均为正，其平均

12、电压自然为正值。对于在0/2范围内的其它移相角，即使输出电压的瞬时值ud有正也有负，但正面积总是大于负面积，输出电压的平均值Ud也总为正，其极性如图为上正下负，而且Ud略大于ED。此时电流Id从Ud的正端流出，从ED的正端流入，能量的流转关系为交流电网输出能量， 电机吸收能量以电动状态运行。,10.2.2 电路的逆变工作状态（/2） 假设此时电动机端电势已反向，即下正上负，设逆变电路移相角=150，依次触发相应的晶闸管，如图在t1时刻触发a相晶闸管V1，虽然此时ua=0，但晶闸管V1因承受ED 的作用，仍可满足导电条件而工作，并相应输出ua相电压。V1被触发导通后， 虽然ua已为负值，因 ED

13、的存在，且| ED |ua|，V1仍然承受正向电压而导通，即使不满足| ED | ua |，由于平波电感的存在，释放电能，L的感应电势也仍可使V1承受正向电压继续导通。因电感L足够大，故主回路电流连续，V1导电120后由于V2的被触发而截止，V2被触发导通后，由于此时ubua，故V1承受反压关断，完成V1与V2之间的换流，这时电路输出电压为ub，如此循环往复。,电路输出电压的波形如图3-4(b)中黑实线所示。当在/2范围内变化时，其输出电压的瞬时值ud在整个周期内也是有正有负或者全部为负， 但是负电压面积将总是大于正面积，故输出电压的平均值Ud为负值。其极性如图为下正上负。此时电机端电势ED稍

14、大于Ud ，主回路电流Id方向依旧，但它从ED的正极流出，从Ud的正极流入，这时电机向外输出能量，以发电机状态运行，交流电网吸收能量，电路以有源逆变状态运行。,因晶闸管V1、V2、V3的交替导通工作完全与交流电网变化同步， 从而可以保证能够把直流电能变换为与交流电网电源同频率的交流电回馈电网。一般均采用直流侧的电压和电流平均值来分析变流器所连接的交流电网究竟是输出功率还是输入功率。这样，变流器中交流电源与直流电源能量的流转就可以按有功功率Pd=UdId来分析，整流状态时，Ud0，Pd0则表示电网输出功率； 逆变状态时，Ud 0， Pd 0则表示电网吸收功率。,在整流状态中，变流器内的晶闸管在阻

15、断时主要承受反向电压， 而在逆变状态工作中，晶闸管阻断时主要承受正向电压。变流器中的晶闸管，无论在整流或是逆变状态，其阻断时承受的正向或反向电压峰值均应为线电压的峰值，在选择晶闸管额定参数时应予注意。 为分析和计算方便，通常把逆变工作时的控制角改用表示，令=-，称为逆变角。规定=时作为计算的起点，和的计量方向相反，的计量方向是由右向左。变流器整流工作时，/2， 相应的/2， 而在逆变工作时， /2而/2。,逆变时，其输出电压平均值的计算公式可改写成,从/2逐渐减小时，其输出电压平均值Ud的绝对值逐渐增大，其符号为负值。逆变电路中，晶闸管之间的换流完全由触发脉冲控制，其换流趋势总是从高电压向更低

16、的阳极电压过渡。这样，对触发脉冲就提出了格外严格的要求，其脉冲必须严格按照规定的顺序发出，而且要保证触发可靠，否则极容易造成因晶闸管之间的换流失败而导致的逆变颠覆。,10.3.1 逆变工作原理及波形分析,图 3-5 三相桥式有源逆变电路及有关波形 (a) 电路； (b) 输入电压； (c) 输出电压,(a) 电路,10.3 三相桥式逆变电路,图 3-5 三相桥式有源逆变电路及有关波形 (a) 电路； (b) 输入电压； (c) 输出电压,三相桥式逆变电路结构如图3-5(a)所示。如果变流器输出电压Ud与直流电机电势ED的极性如图所示（均为上负下正）， 当电势ED略大于平均电压Ud时，回路中产生

17、的电流Id为,电流Id的流向是从ED的正极流出而从Ud的正极流入，即电机向外输出能量，以发电状态运行；变流器则吸收能量并以交流形式回馈到交流电网，此时电路即为有源逆变工作状态。,10.3.1 逆变工作原理及波形分析,电势ED的极性由电机的运行状态决定，而变流器输出电压Ud的极性则取决于触发脉冲的控制角。欲得到上述有源逆变的运行状态，显然电机应以发电状态运行，而变流器晶闸管的触发控制角应大于/2，或者逆变角小于/2。有源逆变工作状态下，电路中输出电压的波形如图3-5(c)实线所示。此时，晶闸管导通的大部分区域均为交流电的负电压， 晶闸管在此期间由于ED的作用仍承受极性为正的相电压，所以输出的平均

18、电压就为负值。,三相桥式逆变电路一个周期中的输出电压由6个形状相同的波头组成，其形状随的不同而不同。 该电路要求6个脉冲，两脉冲之间的间隔为/3， 分别按照1， 2， 3， ， 6的顺序依次发出，其脉冲宽度应大于/3或者采用“双窄脉冲”输出。 上述电路中， 晶闸管阻断期间主要承受正向电压， 而且最大值为线电压的峰值。, 由于三相桥式逆变电路相当于两组三相半波逆变电路的串联， 故该电路输出平均电压应为三相半波逆变电路输出平均电压的两倍， 即,式中U2为交流侧变压器副边相电压有效值。,输出电流平均值为,式中，RB为变压器绕组的等效电阻；RD为变流器直流侧总电阻。,10.3.2 电路中基本电量的计算

19、,输出电流的有效值为,式中IN为第N次谐波电流有效值。N的取值由波形的谐波分析展开式确定。,晶闸管流过电流的平均值为,晶闸管流过电流的有效值为,电路在逆变状态运行时，如果出现晶闸管换流失败，则变流器输出电压与直流电压将顺向串联并相互加强， 由于回路电阻很小，必将产生很大的短路电流，以至可能将晶闸管和变压器烧毁，上述事故称之为逆变失败或叫做逆变颠覆。,10.4 逆变失败原因分析及逆变角的限制,造成逆变失败的原因，可归纳为以下四个方面。 1. 触发电路工作不可靠 因为触发电路不能适时、准确地供给各晶闸管触发脉冲，造成脉冲丢失或延迟以及触发功率不够，均可导致换流失败。一旦晶闸管换流失败，势必形成一只

20、元件从承受反向电压导通延续到承受正向电压导通，Ud反向后将与ED顺向串联，出现逆变颠覆。,2. 晶闸管出现故障 如果晶闸管参数选择不当，例如额定电压选择裕量不足， 或者晶闸管存在质量问题，都会使晶闸管在应该阻断的时候丧失了阻断能力，而应该导通的时候却无法导通。 读者不难从有关波形图上分析发现，晶闸管出现故障也将导致电路的逆变失败。,3. 交流电源出现异常 从逆变电路电流公式,可看出，电路在有源逆变状态下，如果交流电源突然断电或者电源电压过低，上述公式中的Ud都将为零或减小，从而使电流Id增大以至发生电路逆变失败。,4. 电路换相时间不足 有源逆变电路的控制电路在设计时，应充分考虑到变压器漏电感

21、对晶闸管换流的影响以及晶闸管由导通到关断存在着关断时间的影响，否则将由于逆变角太小造成换流失败，从而导致逆变颠覆的发生。现以共阴极三相半波电路为例， 分析由于太小而对逆变电路产生的影响，电路结构及有关波形如图3-6所示。,设电路变压器漏电感引起的电流重叠角为，原来的逆变角为1，触发a相对应的V1导通后，将逆变角1改为，且，如图所示。这时正好V2和V3进行换流，二者的换流是从t2为起点向左角度的t1时刻触发V3管开始的，此时， V2的电流逐渐下降，V3的电流逐渐上升，由于，到达t2时刻（=0），晶闸管V2中的电流尚未降至零，故V2此时并未关断，以后V2承受的阳极电压高于V3承受的阳极电压， 所以

22、它将继续导通，V3则由于承受反压而关断。V2继续导通的结果是使电路从逆变过渡到整流状态，电机电势与变流器输出电压顺向串联，造成逆变失败。,在设计逆变电路时，应考虑到最小角的限制，用min角除受上述重叠角的影响外，还应考虑到元件关断时间tq（对应的电角度为）以及一定的安全裕量角，从而取 min= 一般取min为3035，以保证逆变时正常换流。 一般在触发电路中均设有最小逆变角保护，触发脉冲移相时， 确保逆变角不小于min。,图 3-6 变压器漏抗对逆变的影响 (a) 电路； (b) 输出电流、 电压波形,1. 区别下列概念： （1） 整流与待整流; （2） 逆变与待逆变; （3） 有源逆变与无源

23、逆变。 2. 为什么有源逆变工作时，变流器直流侧会出现负的直流电压， 而如果变流器带电阻负载或电阻串接大电感负载时却不能在直流侧出现负的直流电压？,习题及思考题,3. 在图3-7中，两个电机一个工作在整流电动机状态， 另一个工作在逆变发电机状态。 （1） 标出Ud、ED及id的方向； (2） 说明ED与Ud的大小关系； （3） 当与的最小值均为30时， 控制角的移相范围为多少？,图 3-7 题3图,4. 试画出三相半波共阳极接法、=60时的ud与uT3（V3管两端的电压）的波形。 5. 单相全控桥式整流电路带大电感负载时，若已知U2=220 V，负载电阻Rd=10 ，求=60时电源供给的有功功

24、率、 视在功率以及功率因数为多少？ 6. 有电路如图3-8所示，其中U2=220 V，ED=-120 V，电枢回路总电阻R=1 。 说明当逆变角=60时电路能否进行有源逆变？计算此时电机的制动电流，并画出输出电压波形。 （设电流连续）,图 3-8 题6图,7. 已知三相全控晶闸管电路中U2=230 V，ED=-290 V， 电枢回路总电阻R=0.8 ，若电路工作于逆变状态，而且电流连续。如允许Idmin=30 A，求max并按此选择晶闸管的电流及电压额定值。,10.2无源 逆变电路,引言 10.2.1 换流方式 10.2.2 电压型逆变电路 10.2.3 电流型逆变电路 10.2.4 多重逆变

25、电路和多电平逆变电路 本章小节,第10.2章 逆变电路 引言,逆变的概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变。 逆变与变频 变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。 主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。,本章节讲述无源逆变,10.2.1 换流方式,10.2.1 逆变电路的基本工作原理 10.2.2 换流方式分类,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理,10.2.

26、1 逆变电路的基本工作原理,图5-1 逆变电路及其波形举例,S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,10.2.1 逆变电路的基本工作原理,S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。,10.2.1 逆变电路的基本工作原理,逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。,图5-1 逆变电路及其波形举例,电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。,阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。,10.2.2 换流方式分类,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。,开通：

27、适当的门极驱动信号就可使器件开通。 关断： 全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。,本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在本章集中讲述。,10.2.2 换流方式分类,1) 器件换流（Device Commutation） 利用全控型器件的自关断能力进行换流。 在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。 2) 电网换流（Line Commutation） 电网提供换流电压的换流方式。 将负的电网电压施加在欲关断

28、的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。 3) 负载换流（Load Commutation） 4) 强迫换流（Forced Commutation）,10.2.2 换流方式分类,图5-2 负载换流 电路及其工作波形,由负载提供换流电压的换流方式。 负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。 如图是基本的负载换流电路，4个桥臂均由晶闸管组成。 整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。 直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动。 负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以uo接近正弦波。 注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在u

29、o过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。,4)强迫换流（Forced Commutation）,10.2.2 换流方式分类,设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。 分类,10.2.2 换流方式分类,直接耦合式强迫换流 当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关断。 也叫电压换流。,图5-3直接耦合式强迫换流原理图,10.2.2 换流方式分类,换流方式总结： 器件换流适用于全控型器件。 其余三种方式针对晶闸管。 器件换流和强迫换流属于自换流。 电网换流和负载

30、换流属于外部换流。 当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。,10.3 电压型逆变电路,1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同,10.3 电压型逆变电路,2）电压型逆变电路的特点,图5-5 电压型全桥逆变电路,(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 (2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。 (3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。,10.3 电压型逆变电路,10.3.1 单相电压型逆变电路 10.3.2 三相电压型逆变电路,10.3.1 单相电压型逆变电

31、路,1）半桥逆变电路,u,图56 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,工作原理 V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。 V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。,10.3.1 单相电压型逆变电路,优点：电路简单，使用器件少。 缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。 应用： 用于几kW以下的小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半

32、桥逆变电路的组合。,10.3.1 单相电压型逆变电路,2) 全桥逆变电路,共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180。 输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。 改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。,10.3.1 单相电压型逆变电路,阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压移相调压。,V3的基极信号比V1落后q （0 q 180 ）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180q。输出电压是正负各为q的脉冲。 改变q就可调节输出电压。,10.3.1 单相电压型逆变电路,3） 带中心抽头变压器的逆变电路,图5-8 带中心抽头变压器的逆

33、变电路,Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：时，uo和io波 形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 与全桥电路的比较： 比全桥电路少用一半开关器件。 器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍。 必须有一个变压器 。,交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。 两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。,10.3.2 三相电压型逆变电路,三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路 应用最广的是三相桥式逆变电路,图5-9 三相电压型桥式逆变电路,10.3.2 三相电压型逆变电路,基本工作方式180导电方式,图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形,每桥臂导电180，同一相上下

34、两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 。 任一瞬间有三个桥臂同时导通。 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。,10.3.2 三相电压型逆变电路,波形分析,负载各相到电源中点N的电压：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2。 负载线电压 负载相电压,图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形,10.3.2 三相电压型逆变电路,负载中点和电源中点间电压 (5-6) 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7) 负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。 一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。 桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，

35、id每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。 防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通” 数量分析见教材。,电流型逆变电路主要特点 (1)直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源。,10.4 电流型逆变电路,直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。,图5-11 电流型三相桥式逆变电路,(2)交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位 因负载不同而不同。 (3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用

36、较多。 换流方式有负载换流、强迫换流。,10.4 电流型逆变电路,10.4.1 单相电流型逆变电路 10.4.2 单相电流型逆变电路,10.4.1 单相电流型逆变电路,1) 电路原理,图512 单相桥式电流型 （并联谐振式）逆变电路,由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。 工作方式为负载换相。 电容C和L 、R构成并联谐振电路。 输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。,10.4.1 单相电流型逆变电路,图513并联谐振式逆变 电路工作波形,2) 工作分析,一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段。,t1t2：VT1和VT4

37、稳定导通阶段，i=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。 t2t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段。 LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程。VT2、VT3电流有一个增大过程。 4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。 LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。,10.4.1 单相电流型逆变电路,t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。 t4t2= tg 称为换流时间。 保证晶闸管的可靠关断 晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tb。 t

38、b= t5- t4应大于晶闸管的关断时间tq。 。,io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点。,图513并联谐振式逆变 电路工作波形,为保证可靠换流应在uo过零前td= t5- t2时刻触发VT2、VT3 。. td 为触发引前时间 (5-16) io超前于uo的时间 (5-17) 表示为电角度 (5-18) w为电路工作角频率；g、b分别是tg、tb对应的电角度。 忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数 (5-19) 基波电流有效值 (5-20) 负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损 耗，忽略晶闸管压降） (5-21),10.

39、4.1 单相电流型逆变电路,10.4.1 单相电流型逆变电路,实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。 固定工作频率的控制方式称为他励方式。 自励方式存在起动问题，解决方法： 先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。 附加预充电起动电路。,10.4.2 三相电流型逆变电路,1) 电路分析 基本工作方式是120导电方式每个臂一周期内导电120，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通，换流方式为横向换流。,i,2) 波形分析 输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各120的矩形波。 输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，

40、谐波分析表达式也相同。 输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波。 输出交流电流的基波有效值。,10.4.2 三相电流型逆变电路,串联二极管式晶闸管逆变电路,图5-15 串联二极管式 晶闸管逆变电路,主要用于中大功率交流电动机调速系统。 是电流型三相桥式逆变电路。 各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。 120导电工作方式，输出波形和图5-14的波形大体相同。 强迫换流方式，电容C1C6为换流电容。,10.4.2 三相电流型逆变电路,图5-16 换流过程各阶段的电流路径,换流过程分析 电容器所充电压的规律： 对于共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电

41、压为零。 等效换流电容概念： 分析从VT1向VT3换流时，图516中的C13就是图514中的C3与C5串联后再与C1并联的等效电容。,图5-15 串联二极管式晶闸管逆变电路,10.4.2 三相电流型逆变电路,分析从VT1向VT3换流的过程: 假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负。如图516a。 换流阶段分为恒流放电和二极管换流两个阶段。 t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断。 Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段。如图516b。 uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压

42、时间大于tq就能保证关断。,图5-16 换流过程各阶段的电流路径 a) b）,10.4.2 三相电流型逆变电路,-,+,U,V,W,-,+,U,V,W,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,V,i,V,i,U,=,I,d,-,i,V,图5-16 换流过程各阶段的电流路径 c) d）,t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。忽略负载电阻压降，则二极管VD3导通，电流为iV，VD1电流为iU=Id-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段。 随着C13电压增高，充电电流渐小，

43、iV渐大，t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。 t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段。,10.4.2 三相电流型逆变电路,波形分析 电感负载时，uC13、iU、iV及uC1、uC3、uC5波形。 uC1的波形和uC13完全相同，从UC0降为UC0 。 C3和C5是串联后再和C1并联的，电压变化的幅度是C1的一半。 uC3从零变到-UC0，uC5从UC0变到零。 这些电压恰好符合相隔120后从VT3到VT5换流时的要求。,图5-17 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形,10.4.2 三相电流型逆变电路,实例： 无换向器电动机 电流型三相桥式逆变器驱动同步电

44、动机，负载换流。 工作特性和调速方式和直流电动机相似，但无换向器，因此称为无换向器电动机。,图518 无换相器电动机的基本电路,10.4.2 三相电流型逆变电路,w,t,u,u,u,u,BQ转子位置检测器，检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲。,图5-19 无换相器电动机电路工作波形,图518 无换相器电动机的基本电路,10.5 多重逆变电路和多电平逆变电路,电压型逆变电路输出电压是矩形波， 电流型逆变电路输出电流是矩形波，含有较多谐波。 多重逆变电路把几个矩形波组合起来，接近正弦。 多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近正弦。,10.5 多重逆变电路和多电平逆变电路,5.4.1

45、 多重逆变电路 5.4.2 多电平逆变电路,10.5.1 多重逆变电路,多重逆变电路 电压型、电流型都可多重化，以电压型为例。 单相电压型二重逆变电路 两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器T1和T2串联起来。 输出波形：两个单相的输出u1和u2是180矩形波。,图5-21 二重逆变电路的工作波形,图5-20 二重单相逆变电路,10.5.1 多重逆变电路,u1和u2相位错开j =60,其中的3次谐波就错开了 360=180。 变压器串联合成后，3次谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波。 uo波形是120矩形波，含6k1次谐波，3k次谐波都被抵消。,多重逆变电路有串联多重和并联多重两种 串联

46、多重把几个逆变电路的输出串联起来，多用于电压型。 并联多重把几个逆变电路的输出并联起来，多用于电流型。,图5-21 二重逆变电路的工作波形,图5-20 二重单相逆变电路,10.5.1 多重逆变电路,三相电压型二重逆变电路的工作原理,图5-22 三相电压型二重逆变电路,由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过变压器串联合成。 两个逆变电路均为180导通方式。 逆变桥II的相位逆变桥I滞后30。 T1为/ Y联结，线电压变比为 （一次和二次绕组匝数相等)。 T2一次侧联结，二次侧两绕组曲折星形接法，其二次电压相对于一次电压而言，比T1的接法超前30，以抵消逆变桥II比逆变桥I滞后的30。这样，uU2和

47、uU1的基波相位就相同。,10.5.1 多重逆变电路,由图524可看出uUN比uU1接近正弦波。 具体数量关系见教材P147。 直流侧电流每周期脉动12次，称为12脉波逆变电路。 使m个三相桥逆变电路的相位依次错开p/(3m)，连同合成输出电压并抵消上述相位差的变压器，就可构成6m的脉波逆变电路。,图5-23 二次侧基波电压合成相量图,图5-24 三相电压型二重逆变电路波形图,10.5.2 多电平逆变电路,回顾图5-9三相电压型桥式逆变电路和图5-10的波形。 以N为参考点，输出相电压有Ud/2和-Ud/2两种电平，称为两电平逆变电路。,图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形,10.5.

48、2 多电平逆变电路,三电平逆变电路 也称中点钳位型 （Neutral Point Clamped） 逆变电路 每桥臂由两个全控器件串联构成，两者中点通过钳位二极管和直流侧中点相连 。,图5-25 三电平逆变电路,10.5.2 多电平逆变电路,以U相为例分析工作情况 V11和V12（或VD11和VD12）通，V41和V42断，UO间电位差为Ud/2。 V41和V42（或VD41和VD42）通，V11和V12断，UO间电位差为-Ud/2。 V12和V41导通，V11和V42关断时，UO间电位差为0。 V12和V41不能同时导通。 iU0时，V12和VD1导通。 iU0时，V41和VD4导通。,图5

49、-25 三电平逆变电路,10.5.2 多电平逆变电路,线电压的电平 相电压相减得到线电压。 两电平逆变电路的输出线电压有Ud和0三种电平。 三电平逆变电路的输出线电压有Ud、Ud/2和0五种电平。 三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路。 三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半。,逆变电路 小结,讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理 四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电路更为基本、更为重要 换流方式 分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。 晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要

50、性有所下降。,逆变电路 小结,逆变电路分类方法 可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类。 本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类。 电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深刻的认识。 负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路。 电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。,第10.6章 PWM控制技术,引言 6.1 PWM控制的基本原理 6.2 PWM逆变电路及其控制方法 6.3 PWM跟踪控制技术 6.4 PWM整流电路及其控制方法 本章节小结,第10.6章 PWM控制技术 引言,PWM (Pulse Width Modulation)控制就是

51、 脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。 前几章已涉及到PWM控制，直流斩波电路采用的就PWM技术；斩控式调压电路、矩阵式变频电路都涉及到了。,第10.6章 PWM控制技术 引言,PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。 PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。 PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术，因此，本章节和（逆变电路）相结合，才能使我们对逆变

52、电路有完整地认识。,6.1 PWM控制的基本思想,1）重要理论基础面积等效原理,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。,6.1 PWM控制的基本思想,b),图6-2 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形,具体的实例说明“面积等效原理”,a）,u (t)电压窄脉冲，是电路的输入 。 i (t)输出电流，是电路的响应。,6.1 PWM控制的基本思想,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,6.1 PWM控制的基本思想,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,SPWM波,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,6.1 PWM控制的基本思想,对

53、于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：,根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。,6.1 PWM控制的基本思想,6.1 PWM控制的基本思想,2）PWM电流波 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。,6.2 PWM逆变电路及其控制方法,目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。 逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。 本节内容构成了本章的主体。 PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。,6.2 PWM逆变电路及其控制方法,6.2

54、.1 计算法和调制法 6.2.2 异步调制和同步调制 6.2.3 规则采样法 6.2.4 PWM逆变电路得谐波分析 6.2.5 提高直流电压利用和减少开关次数 6.2.6 PWM逆变电路的多重化,6.2.1 计算法和调制法,1）计算法,根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。 本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。,6.2.1 计算法和调制法,工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。 以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断。 负载电流比电压滞后，在电压正半周，电

55、流有一段区间为正，一段区间为负。 负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud 。,2）调制法,图64 单相桥式PWM逆变电路,结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明,6.2.1 计算法和调制法,2）调制法,图64 单相桥式PWM逆变电路,V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0 负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud 。 V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。 uo总可得到Ud和零两种电平。 uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。,6.2.1

56、计算法和调制法,3）单极性PWM控制方式（单相桥逆变）,ur正半周，V1保持通，V2保持断。 当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud 。 当uruc时使V4断，V3通，uo=0 。 ur负半周，请同学们自己分析。,图6-5 单极性PWM控制方式波形,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,6.2.1 计算法和调制法,3）双极性PWM控制方式（单相桥逆变）,在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有Ud两种电平。 同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。 ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。,当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V

57、2和V3关断信号。 如io0，V1和V4通，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud 。,图6-6 双极性PWM控制方式波形,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,6.2.1 计算法和调制法,对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。,6.2.1 计算法和调制法,4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）,图6-7 三相桥式PWM型逆变电路,6.2.1 计算法和调制法,图6-7 三相桥式PWM型逆变电路,图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形,下面以U相为例分析控制规律：,当urUuc时，给V1导通

58、信号，给V4关断信号，uUN=Ud/2。 当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN=-Ud/2。 当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。 uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平。 uUV波形可由uUN-uVN得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。,6.2.1 计算法和调制法,输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成 负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成。 防直通的死区时间 同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。 死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。 死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。,图6-7 三相桥式PWM型逆变电路,图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形,6.2.1 计算法和调制法,5）特定谐波消去法 (Selected Harmonic Elimina