第5章无源逆变

1、2021/3/141 逆变的概念逆变的概念 逆变逆变与整流相对应与整流相对应, ,直流电变成交流电。直流电变成交流电。 交流侧接电网交流侧接电网, ,为为有源逆变有源逆变。 交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变无源逆变。 无源逆变主要应用无源逆变主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。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。等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。 在整流和在整流和有源逆变电路有源逆变电路中中, ,工作状态的晶闸管处于交流

2、工作状态的晶闸管处于交流 电压作用下电压作用下, ,其关断是靠所承受的电压自动地降到零或靠别其关断是靠所承受的电压自动地降到零或靠别 的晶闸管导通而的晶闸管导通而引入电网的负电压引入电网的负电压来完成的。而在无源逆来完成的。而在无源逆 变电路中，晶闸管处于直流电压作用下，若不采取措施是变电路中，晶闸管处于直流电压作用下，若不采取措施是 无法关断的。所以说，整流与有源逆变电路的主要矛盾是无法关断的。所以说，整流与有源逆变电路的主要矛盾是 触发导通，而触发导通，而无源逆变电路无源逆变电路的主要矛盾则是的主要矛盾则是实现关断实现关断。 本章讲述无源逆变本章讲述无源逆变 2021/3/142 逆变电路

3、根据不同的分类方法主要有如下几种逆变电路根据不同的分类方法主要有如下几种: : （1 1）根据逆变器所用电力电子器件和换流方式不同）根据逆变器所用电力电子器件和换流方式不同, ,可分可分 为为: :器件换流器件换流, ,电网换流，负载换流和强迫换流电网换流，负载换流和强迫换流四种。器件四种。器件 换流只适用于全控型器件，即有自关断能力的器件。如换流只适用于全控型器件，即有自关断能力的器件。如 IGBTIGBT、电力、电力MOSFETMOSFET、GTRGTR等。其余三种方式主要是针对晶等。其余三种方式主要是针对晶 闸管而言的。闸管而言的。 （2 2）根据逆变器的主电路结构的不同可分为半桥逆变器

4、）根据逆变器的主电路结构的不同可分为半桥逆变器, , 全桥逆变器全桥逆变器, ,二电平、三电平、多电平逆变器。二电平、三电平、多电平逆变器。 （3 3）根据逆变器直流侧电源的性质不同分为）根据逆变器直流侧电源的性质不同分为电压型电压型和和电电 流型流型两大类。为了使直流电源的电压恒定两大类。为了使直流电源的电压恒定, ,采用采用大电容大电容作作 为储能和滤波元件的逆变器为储能和滤波元件的逆变器, ,称为电压型逆变器（称为电压型逆变器（Voltage Voltage Source Inverter, VSISource Inverter, VSI）; ;为了使直流电源的电流恒定，为了使直流电源的

5、电流恒定， 采用采用大电感大电感作为储能和滤波元件的逆变器，称为电流型逆作为储能和滤波元件的逆变器，称为电流型逆 变器（变器（Current Source Inverter, CSICurrent Source Inverter, CSI）。）。 2021/3/143 如何实现逆变如何实现逆变? 单相桥式整流单相桥式整流 u2正半周正半周, VT1和和VT4通通 u2负半周负半周, VT2和和VT3通通 整流 如何实现逆变? 2021/3/144 以以单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原为例说明最基本的工作原 理理 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 负载负载 a)

6、a)b)b) t t S S 1 1 S S 2 2 S S 3 3 S S 4 4 i i o o u u o o U U d d u u o o i i o o t t 1 1 t t 2 2 S S1 1SS4 4是桥式电路的是桥式电路的4 4个臂个臂, ,由电力电子器件及辅助由电力电子器件及辅助 电路组成。电路组成。 2021/3/145 S S1 1、S S4 4闭合闭合, ,S S2 2、S S3 3断开时断开时, ,负载电压负载电压u uo o为正。为正。 S S1 1、S S4 4断开，断开，S S2 2、S S3 3闭合时，负载电压闭合时，负载电压u uo o为负。为负。 直

7、流电直流电 交流电交流电 2021/3/146 逆变电路最基本的工逆变电路最基本的工 作原理作原理 改变两改变两 组开关切换频率组开关切换频率, ,可可 改变输出交流电频率。改变输出交流电频率。 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例 a) b) t uo i o t1t2 电阻负载电阻负载时时, ,负载电流负载电流i io o和和 u uo o的波形相同的波形相同, ,相位也相相位也相 同。同。 阻感负载阻感负载时时, ,i io o相位滞后相位滞后 于于u uo o, ,波形也不同。波形也不同。 2021/3/147 5.2 5.2 换流方式分类换流方式分类 换流换流电流从一个支路向另一

8、个支路转移电流从一个支路向另一个支路转移 的过程的过程, ,也称为也称为换相换相。 开通开通: :适当的门极驱动信号就可使器件开通。适当的门极驱动信号就可使器件开通。 关断关断: : 全控型器件可通过门极关断。全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管半控型器件晶闸管, ,必须利用外部条件才能关断。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一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压, ,才才 能关断。能关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 2021/3/148 1) 1) 器件换流器件换流（Device Commutatio

9、nDevice Commutation） 利用全控型器件的自关断能力进行换流。利用全控型器件的自关断能力进行换流。 在采用在采用IGBT IGBT 、电力、电力MOSFET MOSFET 、GTO GTO 、GTRGTR等全控型等全控型 器件的电路中的换流方式是器件换流。器件的电路中的换流方式是器件换流。 2) 2) 电网换流电网换流（Line Line CommutationCommutation） 电网提供换流电压的换流方式。电网提供换流电压的换流方式。 将负的电网电压施加在欲将负的电网电压施加在欲 关断的晶闸管上即可使其关断。关断的晶闸管上即可使其关断。 不需要器件具有门极可关断能不需要

10、器件具有门极可关断能 力力, ,但但不适用于没有交流电网的不适用于没有交流电网的 无源逆变电路无源逆变电路。 uAuBuC 通通通 1VT2VT VT1 VT3 VT2 uA uB uC R 3VT 2021/3/149 3 3）负载换流）负载换流（Load CommutationLoad Commutation） 由负载提供换流电压的换流方式。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负载电流的相位超前于负载电压的场合, ,都可实现负载都可实现负载 换流。换流。 负载电流相位超前于负载电压的场合负载电流相位超前于负载电压的场合 负载为电容性负载时负载为电容性负载时 负

11、载为同步电动机时负载为同步电动机时 实现负载换流实现负载换流 2021/3/1410 图图5-3 5-3 负载换流电路负载换流电路 如图是基本的如图是基本的负载换流负载换流电路电路, ,4 4个桥臂均由晶闸管组成。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。整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。 直流侧串电感直流侧串电感, ,工作过程可认为工作过程可认为i id d 基本没有脉动。基本没有脉动。 负载两端电压经电容滤去高次谐波后，负载两端电压经电容滤去高次谐波后，u uo o接近正弦波。接近正弦波。 2021/3/1411 wt wt wt wt O O O O i

12、i t1 uo uo i o io uVT iVT1iVT4 iVT2iVT3 uVT 1 u VT4 l T T1 1时刻前时刻前: :VTVT1 1、VTVT4 4为通为通 态态, ,VTVT2 2、VTVT3 3为断态为断态, ,u uo o、i io o均均 为正，为正，VTVT2 2、VTVT3 3上施加的电压上施加的电压 即为即为u uo o l t t1 1时刻触发时刻触发VTVT2 2、VTVT3 3使其开使其开 通，通，u uo o通过通过VTVT2 2、VTVT3 3本别加到本别加到 VTVT4 4、VTVT1 1上使其承受反向电压上使其承受反向电压 而关断，电流从而关断，

13、电流从VTVT1 1、VTVT4 4换到换到 VTVT3 3、VTVT2 2 l 触发触发VTVT2 2、VTVT3 3时刻，时刻， t t1 1必须必须 在在u uo o过零前并留有足够裕量，过零前并留有足够裕量， 才能使换流顺利完成才能使换流顺利完成 电流超前电压一个角度电流超前电压一个角度,且且 (w(w为逆变器工作角频率）为逆变器工作角频率） g t w 2021/3/1412 4)强迫换流强迫换流（Forced Commutation） 由换流电路内电容由换流电路内电容 直接提供换流电压直接提供换流电压 直接耦合式直接耦合式 强迫换流强迫换流 通过换流电路内的通过换流电路内的 电容和

14、电感的耦合电容和电感的耦合 来提供换流电压或来提供换流电压或 换流电流换流电流 电感耦合式电感耦合式 强迫换流强迫换流 设置附加的换流电路设置附加的换流电路,给欲关断的晶闸管强迫施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加反压或反电流的换流方式称为强迫换流强迫换流。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现通常利用附加电容上所储存的能量来实现,因此因此 也称为也称为电容换流电容换流。 分类分类 2021/3/1413 直接耦合式直接耦合式强迫换流强迫换流 VT1VT1导通导通, ,C C充电左（充电左（）右（）右（+ +）, ,为换流做准备为换流做准备; ; VT2VT2导通，导通，C

15、 C上电压反向加至上电压反向加至VT1VT1，换流，换流，C C反向充电。反向充电。 也叫也叫电压换流电压换流。 2021/3/1414 图5-4 电感耦合式 强迫换流原理图 电感耦合式电感耦合式强迫换流 先使晶闸管电流减为零， 然后通过反并联二极管使其 加上反向电压。 也叫电流换流电流换流。 2021/3/1415 电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流 通过换流电路内电容和电感的耦合提供换流电压或换流电流 C L + VD S C VT 负载负载 + L S VT 负载负载 VD b)a) 电感耦合式强迫换流原理图 图5-4a中晶闸管在LC振荡第 一个半周期内关断 图5-4b中晶闸管在LC振

16、荡第 二个半周期内关断 图a中,接通S后,LC振荡电流将反 向流过VT，与VT的负载电流相 减，直到VT的合成正向电流减至 零后，再流过二极管VD。 LC 图b中，接通S后，LC振荡电流先正向流过VT并和VT中原有的负载电流 叠加，经过半个振荡周期 振荡电流反向流过VT，直到VT的合成正向电流减至零后，再流 过二极管VD。 2021/3/1416 给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流 电压换流电压换流 电流换流电流换流 先使晶闸管电流减为零,然后通过反并联二极管使其加 反向电压的换流 器件换流 只适用于全控型器件 电网换流 负载换流 针对晶闸管 强迫换流 换流方式总结换流方式总结: 2021/

17、3/1417 器件换流 强迫换流 因器件或变流器自身原因引起换流 自换流 电网换流 负载换流 借助于外部手段（电网电压或负载电压）换流 外部换流 自换流逆变电路自换流逆变电路 采用自换流方式逆变的电路 外部换流逆变电路外部换流逆变电路 采用外部换流方式逆变的电路 熄灭熄灭 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 2021/3/1418 5.3 负载换流逆变电路负载换流逆变电路 由于负载换流由于负载换流, ,通常是利用负载与换流电容构通常是利用负载与换流电容构 成成RLCRLC回路回路, ,当电路满足谐振条件时，这类逆变当电路满足谐振条件时，这类逆变 电路称为负载

18、谐振式逆变电路，或简称谐振式电路称为负载谐振式逆变电路，或简称谐振式 逆变器。逆变器。 根据换流电容和负载的连接方式不同可分为根据换流电容和负载的连接方式不同可分为: 并联谐振式逆变器并联谐振式逆变器 串联谐振式逆变器两种。串联谐振式逆变器两种。 2021/3/1419 5.3.1 并联谐振式逆变器并联谐振式逆变器 这种逆变器的换流电容和负载并联这种逆变器的换流电容和负载并联, ,构成并联式构成并联式 谐振逆变器。谐振逆变器。 Ld VT 1VT2 VT3 VT4 L1 L2L4 L3 LS C RS Id io uo a b c VT1 VT2 VT3 VT4 VT 5 VT 6 Ud 图图

19、5.5 并联逆变器的主电路并联逆变器的主电路 2021/3/1420 单相电流型逆变电路（负载换流型）单相电流型逆变电路（负载换流型） 1) 1) 电路原理电路原理 图55 单相桥式电流型 （并联谐振式）逆变电路 由四个桥臂构成由四个桥臂构成, ,每个每个 桥臂的晶闸管各串联桥臂的晶闸管各串联 一个电抗器一个电抗器, ,用来限制用来限制 晶闸管开通时的晶闸管开通时的d di i/d/dt t。 工作方式为工作方式为负载换相负载换相。 电容电容C C和和L L 、R R构成并构成并 联谐振电路。联谐振电路。 输出电流波形接近矩输出电流波形接近矩 形波，含基波和各奇形波，含基波和各奇 次谐波，且谐

20、波幅值次谐波，且谐波幅值 远小于基波。远小于基波。 2021/3/1421 并联逆变器的换流过程 2021/3/1422 5.3.2 串联谐振式逆变器串联谐振式逆变器 这种逆变器的换向电容和负载（电感线圈这种逆变器的换向电容和负载（电感线圈L L）串联利用）串联利用 负载回路串联谐振的原理进行换流负载回路串联谐振的原理进行换流, ,故称之为串联谐振式故称之为串联谐振式 逆变器（简称串联逆变器）逆变器（简称串联逆变器） 图图5.7 串联逆变器的主电路串联逆变器的主电路 dUCd VT1 VT2 VT3 VT4 VD1 VD2 VD3 VD4 AB uR R uL L uC C ia 1VD3VD

21、5VD 4VD6VD2V D 2021/3/1423 谐振式电路的主要特点谐振式电路的主要特点: : （1 1）逆变电路输出波形为方波。并联谐振式逆变器）逆变电路输出波形为方波。并联谐振式逆变器 由恒流源供电由恒流源供电, ,输出电流为方波输出电流为方波; ;而串联谐振式逆而串联谐振式逆 变器由恒压源供电变器由恒压源供电, ,输出电压为方波。输出电压为方波。 （2 2）将逆变频率调谐在负载谐振频率附近，可获得）将逆变频率调谐在负载谐振频率附近，可获得 正弦的输出电压或电流。并联式逆变器，负载的正弦的输出电压或电流。并联式逆变器，负载的 电压波形接近正弦波；而串联式逆变器，负载的电压波形接近正弦

22、波；而串联式逆变器，负载的 电流波形接近正弦波。因此都无需通过低通滤波电流波形接近正弦波。因此都无需通过低通滤波 器来消除低次谐波。器来消除低次谐波。 （3 3）因为利用了负载的谐振特点，电流中的元器件）因为利用了负载的谐振特点，电流中的元器件 要承受很大的电压或电流，特别是功率开关器件要承受很大的电压或电流，特别是功率开关器件 会因此而承受很大的器件应力。这是谐振式逆变会因此而承受很大的器件应力。这是谐振式逆变 器的一大缺点。器的一大缺点。 2021/3/1424 5.4 电压型逆变电路 逆变电路的分类逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的根据直流侧电源性质的 不同不同 电压型逆变电路电压型逆

23、变电路又称为电压源又称为电压源 型逆变电路型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTIVoltage Source Type Inverter-VSTI 直流侧是直流侧是电压源电压源 电流型逆变电路电流型逆变电路又称为电流源又称为电流源 型逆变电路型逆变电路 Current Source Type Inverter-VSTICurrent Source Type Inverter-VSTI 直流侧是直流侧是电流源电流源 2021/3/1425 5.4 5.4 电压型逆变电路电压型逆变电路 电压型逆变电路的特点电压型逆变电路的特点 图图5-10 5-10 电压型

24、全桥逆变电路电压型全桥逆变电路 (1)(1)直流侧为电压源或并联有直流侧为电压源或并联有 大电容大电容, ,相当于一个电压源。相当于一个电压源。直直 流侧电压恒定流侧电压恒定, ,基本无脉动，基本无脉动，直直 流回路呈现低阻抗。流回路呈现低阻抗。 (2)(2)由于直流电压源的钳位作由于直流电压源的钳位作 用，用，交流侧输出电压波形为矩形交流侧输出电压波形为矩形 波波，并且和负载阻抗角无关。而，并且和负载阻抗角无关。而 交流侧输出电流波形和相位因负交流侧输出电流波形和相位因负 载阻抗情况的不同而不同。载阻抗情况的不同而不同。 (3)(3)当交流侧为阻感负载时，当交流侧为阻感负载时， 需要提供无功

25、功率，直流侧电容需要提供无功功率，直流侧电容 起缓冲无功能量的作用。逆变桥起缓冲无功能量的作用。逆变桥 各桥臂反并联二极管为交流侧向各桥臂反并联二极管为交流侧向 直流侧反馈无功能量提供通道。直流侧反馈无功能量提供通道。 2021/3/1426 5.4 5.4 电压型逆变电路电压型逆变电路 2021/3/1427 5.4.1 5.4.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 1 1）半桥逆变电路）半桥逆变电路 u u 图图5 510 10 单相半桥电压型逆变单相半桥电压型逆变 电路及其工作波形电路及其工作波形 a)a) b)b) t t t t O O O O ONON o o U U m m

26、- -U U m m i i o o t t 1 1 t t 2 2 t t 3 3 t t 4 4 t t 5 5 t t 6 6 V V 1 1 V V 2 2 V V 1 1 V V 2 2 VDVD 1 1 VDVD 2 2 VDVD 1 1 VDVD 2 2 半桥逆变电路有两个桥臂半桥逆变电路有两个桥臂, ,每个每个 桥臂有一个可控器件和一个反并桥臂有一个可控器件和一个反并 联二极管组成。联二极管组成。 在直流侧接有两个相互串联的在直流侧接有两个相互串联的 足够大的电容足够大的电容, ,两个电容的联结两个电容的联结 点是直流电源的中点。点是直流电源的中点。 负载联结在直流电源中点和两

27、负载联结在直流电源中点和两 个桥臂联结点之间。个桥臂联结点之间。 V V1 1和和V V2 2栅极信号在一周期内各半栅极信号在一周期内各半 周正偏、半周反偏，两者互补，周正偏、半周反偏，两者互补， 输出电压输出电压u uo o为矩形波，幅值为为矩形波，幅值为 U Um m=U=Ud d/2/2。 VD1VD1、VD2VD2称为称为反馈二极管反馈二极管, ,它又它又 起着使负载电流连续的作用，又起着使负载电流连续的作用，又 称称续流二极管续流二极管。 2021/3/1428 u 图图5 510 10 单相半桥电压型逆变单相半桥电压型逆变 电路及其工作波形电路及其工作波形 a) b) t t O

28、O ON o Um - -Um io t1t2 t3t4 t5t6 V1V2V1V2 VD1VD2VD1VD2 工作原理工作原理 t t2 2时刻以前时刻以前V1V1通通, ,V2V2断断 t2t2时刻给时刻给V1V1关断信号关断信号, ,给给 V2V2开通信号，开通信号， 则则V1V1关断，但感性负载中关断，但感性负载中ioio不能立即改不能立即改 变方向，于是变方向，于是VD2VD2导通续流。导通续流。 t t3 3时刻时刻i io o降为零时，降为零时，VD2VD2截止，截止，V2V2开开 通，通，i io o开始反向。开始反向。 t t4 4时刻给时刻给V2V2关断信号，给关断信号，给

29、V1V1开通信号，开通信号， V2V2关断，关断，VD1VD1先导通续流，先导通续流，t t5 5时刻时刻V1V1才才 开通。开通。 V1V1或或V2V2通时通时, ,负载电流负载电流ioio和电压和电压uouo同同 方向方向, ,直流侧向负载提供能量。直流侧向负载提供能量。 VD1VD1 或或VD2VD2通时，通时，ioio和和uouo反向，负载电感反向，负载电感 中贮藏的能量向直流侧反馈。即负载中贮藏的能量向直流侧反馈。即负载 电感将其吸收的无功能量反馈回直流电感将其吸收的无功能量反馈回直流 侧。直流侧电容起缓冲无功能量作用。侧。直流侧电容起缓冲无功能量作用。 2021/3/1429 半桥

30、逆变电路的优点半桥逆变电路的优点: : 电路简单电路简单, ,使用器件少。使用器件少。 缺点缺点: : 输出交流电压幅值为输出交流电压幅值为U Ud d/2/2, ,且直流侧需两电容器且直流侧需两电容器 串联，要控制两者电压均衡。串联，要控制两者电压均衡。 应用：应用： 用于几用于几kWkW以下的小功率逆变电源。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桥逆变单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变 电路的组合。电路的组合。 u可控器件是不具有门极可关断能力的晶闸管时,须附加强 迫换流电路才能正常工作。 2021/3/1430 2) 2) 全桥逆变电路全桥逆变电路 共四个桥臂共

31、四个桥臂, ,可看成两个半可看成两个半 桥电路组合而成。桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通两对桥臂交替导通180180。 输出电压合电流波形与半桥输出电压合电流波形与半桥 电路形状相同电路形状相同, ,幅值高出一幅值高出一 倍。倍。 改变输出交流电压的有效值改变输出交流电压的有效值 只能通过改变直流电压只能通过改变直流电压U Ud d来来 实现。实现。 图图5-11 5-11 单相全桥逆变电单相全桥逆变电 路的移相调压方式路的移相调压方式 t t O O t t O O t t O O t t O O t t O O ? ? b)b) u uG1G1 u u G2G2 u u G3G3 u u

32、 G4G4 u uo o i i o o t t 1 1 t t 2 2 t t 3 3 i i o o u uo o 2021/3/1431 2全桥逆变电路全桥逆变电路 图5-11 全桥逆变电路 单相逆变电路中应用最多单相逆变电路中应用最多 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 T0T/2 T/ 2 T1 T1 T T T2 T1 T2 两个半桥电 路的组合 ab 2021/3/1432 阻感负载时阻感负载时,还可采用移还可采用移 相得方式来调节输出电相得方式来调节输出电 压压移相调压移相调压。 V V3 3的基极信号比的基极信号比V V1 1落后落后q q （0 0 q q 180 180

33、 ）。）。V V3 3、 V V4 4的栅极信号分别比的栅极信号分别比V V2 2、 V V1 1的前移的前移180180q q。输出输出 电压是正负各为电压是正负各为q q的脉冲。的脉冲。 改变改变q q就可调节输出电压。就可调节输出电压。 t O t O t O t O t O ? ? b) uG1 u G2 u G3 uG4 uo io t1t2 t3 io uo 图图5-11 5-11 单相全桥逆变单相全桥逆变 电路的移相调压方式电路的移相调压方式 2021/3/1433 3 3） 带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路 图图5-13 带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头

34、变压器的逆变电路 Ud和负载参数相同和负载参数相同, ,变压器匝比为变压器匝比为1:1:时时, ,uo和和io o波波 形及形及 幅值与全桥逆变电路完全相同。幅值与全桥逆变电路完全相同。 与全桥电路的比较：与全桥电路的比较： 比全桥电路少用一半开关器件。比全桥电路少用一半开关器件。 器件承受的电压为器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高，比全桥电路高 一倍。一倍。 必须有一个变压器必须有一个变压器 。 交替驱动两个交替驱动两个IGBT,经变压经变压 器耦合给负载加上矩形波交器耦合给负载加上矩形波交 流电压。流电压。 两个二极管的作用也是提供两个二极管的作用也是提供 无功能量的反馈通道。无功能量的

35、反馈通道。 2021/3/1434 5.4.2 5.4.2 三相电压型逆变电路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 应用最广的是应用最广的是三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 图图5-14 5-14 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路 2021/3/1435 2021/3/1436 180180导电型导电型: : 开关元件每隔开关元件每隔6060电角度按标号电角度按标号1 1、2 2、3 3、4 4、 5 5、6 6的次序导通的次序导通, ,每个元件导通每个元件导通180180就关断就关断, , 即同一支臂的两个元件一个导

36、通，另一个关断，即同一支臂的两个元件一个导通，另一个关断， 经过经过360360完成输出电压波形的一个周期。完成输出电压波形的一个周期。 120120导电型导电型: : 开关元件每隔开关元件每隔6060电角度按标号电角度按标号1 1、2 2、3 3、4 4、 5 5、6 6的次序导通的次序导通, ,每个元件导通每个元件导通120120就关断就关断, , 即上桥臂的一个元件导通，下桥臂也有一个导即上桥臂的一个元件导通，下桥臂也有一个导 通，经过通，经过360360完成输出电压波形的一个周期。完成输出电压波形的一个周期。 2021/3/1437 5.4.2 5.4.2 三相电压型三相电压型方波方波

37、逆变电路逆变电路 基本工作方式基本工作方式 180180导电方式导电方式 图图5-14 电压型三相桥式逆电压型三相桥式逆 变电路的工作波形变电路的工作波形 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 每桥臂导电每桥臂导电180180, ,同同 一相上下两臂交替导一相上下两臂交替导 电电, ,各相开始导电的角各相开始导电的角 度差度差120 120 。 任一瞬间有三个桥臂任一瞬间有三个桥臂 同时

38、导通。同时导通。 每次换流都是在同一每次换流都是在同一 相上下两臂之间进行，相上下两臂之间进行， 也称为也称为纵向换流纵向换流。 当负载为星型接法时当负载为星型接法时,相电压波形为六阶相电压波形为六阶 梯波梯波,所以又叫所以又叫六阶梯波电压型逆变电路六阶梯波电压型逆变电路。 2021/3/1438 V1V6触发控制信号的波形触发控制信号的波形 V1： V4： V3： V6： V5： V2： 2021/3/1439 2021/3/1440 1 2 3 4 5 6 2021/3/1441 d U 3 1 d U 3 2 d U 3 1 d U 3 1 d U 3 2 d U 3 1 2021/3/

39、1442 5.4.2 5.4.2 三相电压型逆变电路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 UNWNWU WNVNVW VNUNUV uuu uuu uuu NN WNWN NN VNVN NN UNUN uuu uuu uuu 图图5-14 电压型三相桥式逆 变电路的工作波形 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

40、 3 U d 6 2 U d 3 2021/3/1443 负载中点和电源中点间电压负载中点和电源中点间电压 负载三相对称时有负载三相对称时有u uUN UN+ +u uVNVN+ +u uWNWN=0 =0, ,于是于是 负载已知时负载已知时, ,可由可由u uUN UN波形求出 波形求出i iU U波形。波形。 一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。 桥臂桥臂1 1、3 3、5 5的电流相加可得直流侧电流的电流相加可得直流侧电流i id d的波形，的波形，i id d每每6060脉脉 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动一次，

41、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。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，应采取短路，应采取“先断后通先断后通” ” 数量分析见教材。数量分析见教材。 NN UN VN W N UNVNW N 11 ()() 33 uuuuuuu N N U N V N W N 1 () 3 uuuu 2021/3/1444 180 180 导通型三相逆变器的输出波形导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形相电压波形 线电压波形线

42、电压波形 2021/3/1445 180 180 导通型三相逆变器的参数导通型三相逆变器的参数 相电压表达式相电压表达式 线电压表达式线电压表达式 .)11sin 11 1 7sin 7 1 5sin 5 1 (sin 2 ttttUU dAO wwww .)11sin 11 1 7sin 7 1 5sin 5 1 (sin 32 ttttUU dAB wwww 2021/3/1446 180 180 导通型三相逆变器的参数（续）导通型三相逆变器的参数（续） 相电压有效值相电压有效值 线电压有效值线电压有效值 d dd AO U UU U471. 0 33 2 2 33 4 2 1 22 dd

43、AB UUU816. 0) 3 ( 2 4 2 2021/3/1447 120 120 导通型三相逆变器导通型三相逆变器 由于逆变是整流的逆过程由于逆变是整流的逆过程, ,因此也可模仿整流的控因此也可模仿整流的控 制规律控制开关元件的开断来实现逆变。制规律控制开关元件的开断来实现逆变。 三相桥的三相桥的6 6个元件按照三相桥式整流的规律个元件按照三相桥式整流的规律, ,每个每个 时刻有时刻有2 2个元件导通，上桥臂和下桥臂各一个。个元件导通，上桥臂和下桥臂各一个。 2021/3/1448 120 120 导通型三相逆变器的输出波形导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形相电压波形 线电压波形线电

44、压波形 2021/3/1449 180180 导通方式和导通方式和120120 导通方式的比较导通方式的比较: : 120120 方式上下两管间有方式上下两管间有6060 的间隙的间隙, ,对换流有对换流有 利利, ,但是管子的利用率低，且若采用星形接但是管子的利用率低，且若采用星形接 法，则始终有一相断开，在换流时会引起较法，则始终有一相断开，在换流时会引起较 高的感应电势，而高的感应电势，而180180 方式无论在三角形还方式无论在三角形还 是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，是星形接法时，正常工作都不会产生过电压， 故故180180 方式应用较为普遍。方式应用较为普遍。 2021/3

45、/1450 电流型逆变电路主要电流型逆变电路主要特特点点 (1) 直流侧串大电感直流侧串大电感,电流基电流基 本无脉动本无脉动,相当于电流源。相当于电流源。 5.5 电流型逆变电路电流型逆变电路 直流电源为电流源的直流电源为电流源的 逆变电路称为逆变电路称为电流型电流型 逆变电路逆变电路。 图图5-16 电流型三相桥式逆变电路电流型三相桥式逆变电路 (2) 交流输出电流为矩形波交流输出电流为矩形波,与负载阻抗角无关。输出电压与负载阻抗角无关。输出电压 波形和相位因负载不同而不同。波形和相位因负载不同而不同。 2021/3/1451 5.5 电流型逆变电路电流型逆变电路 图图5-16 电流型三相

46、桥式逆变电路电流型三相桥式逆变电路 (3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用直流侧电感起缓冲无功能量的作用,不必给开关器件反不必给开关器件反 并联二极管。并联二极管。 （Ud一般由桥式整流电路提供一般由桥式整流电路提供,电流是不能反向的。）电流是不能反向的。） 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。 换流方式有负载换流、强迫换流。换流方式有负载换流、强迫换流。 2021/3/1452 5.5.1 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

47、来限制 晶闸管开通时的di/dt。 工作方式为负载换相负载换相。 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。 2021/3/1453 图513并联谐振式逆变 电路工作波形 2) 工作分析 一个周期内有两个一个周期内有两个 导通阶段和两个换导通阶段和两个换 流阶段。流阶段。 t t1 1 t t2 2:VT1和VT4稳定导通阶段稳定导通阶段,i i = =I Id d,t t2 2时刻前 在C上建立了左正右负的电压。 t t2 2 t t4 4: :t t2 2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶换流阶 段段。 LT使VT1、V

48、T4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。 2021/3/1454 t=t4时,VT1、VT4电流减至零而关断, 换流阶段结束。 t4t2= t 称为换流时间换流时间。 保证晶闸管的可靠关断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。 tb 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

49、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 2021/3/1455 为保证可靠换流应在uo过零前td d= t5- t2时刻触发VT2、VT3 。. td 为触发引前时间触发引前时间 (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;、b分别是t 、tb b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) ttt 2 t tt b 22 t t b wb d o

50、 411 sinsin 3sin 5 35 I itttwww d o1d 4 0.9 2 I II dd o 1.11 cos2 2cos UU U 2021/3/1456 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自励方式。 固定工作频率的控制方式称为他励方式他励方式。 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。 2021/3/1457 5.5.2 5.5.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路 1) 1) 电路分析电路分析 基本工作方式是基本工作方式是12012

51、0导电方式导电方式 每个臂一周期内导电每个臂一周期内导电120120, ,每每 个时刻上下桥臂组各有一个臂导通个时刻上下桥臂组各有一个臂导通, , 换流方式为换流方式为横向换流横向换流。 i i t t O O t t O O t t O O t t O O I Id d i i V V i i W W u u UVUV U U 图图5-14 5-14 电流型三相桥电流型三相桥 式逆变电路的输出波形式逆变电路的输出波形 图图5-11 5-11 电流型三相桥式逆变电电流型三相桥式逆变电 路路 2) 2) 波形分析波形分析 输出电流波形和负载性质无关输出电流波形和负载性质无关, ,正正 负脉冲各负

52、脉冲各120120的矩形波。的矩形波。 输出电流和三相桥整流带大电感负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载时的交流电流波形相同, ,谐波分谐波分 析表达式也相同。析表达式也相同。 输出线电压波形和负载性质有关，输出线电压波形和负载性质有关， 大体为正弦波。大体为正弦波。 输出交流电流的基波有效值。输出交流电流的基波有效值。 2021/3/1458 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导电工作方式导电工作方式,输出波 形和图5-

53、14的波形大体相同。 强迫换流强迫换流方式,电容C1C6为 换流电容。 2021/3/1459 - - + U V W + - - U V W a) + - - U V W b) - - + UV W c)d) VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 Id VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 Id VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 Id VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 Id iV iViU=Id - -i V 图5-16 换流过程各阶段的电流路径 换流过程分

54、析 电容器所充电压的规律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压为零。 等效换流电容概念等效换流电容概念: 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 2021/3/1460 分析从从VTVT1 1向向VTVT3 3换流换流的过程: 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恒流放电和二极管换二极管换 流流两个阶段。 t t1 1时刻触发VT3导通导通,VT1被施以

55、 反压而关断关断。 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，故称恒流放电阶段恒流放电阶段。如 图516b。 uC13下降到零之前，VT1承受反 压，反压时间大于tq就能保证关 断。 图5-16 换流过程各阶段 的电流路径 a) b） + - - UV W + - - UV W VT1 VT 2 VT3 VD1 VD 2 VD3 C 13 I d VT1 VT 2 VT3 VD1 VD 2 VD 3 C 13 I d 2021/3/1461 - - + UV W - - + UV W VT 1 VT 2 VT 3

56、 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=Id- -iV 图5-16 换流过程各阶段 的电流路径 c) d） t t2 2时刻u uC13 C13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i iV V， VD1电流为i iU U= =I Id d- -i iV V， VD1和VD3同时通，进 入二极管换流阶段二极管换流阶段。 随着C13电压增高，充 电电流渐小，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结束。 t

57、3以后，VT2、VT3稳稳 定导通阶段定导通阶段。 2021/3/1462 波形分析 电感负载时,u uC13 C13、 、i iU U、i iV V及 u uC1 C1、 、u uC3 C3、 、u uC5 C5波形。 u uC1 C1的波形和u uC13C13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。 u uC3 C3从零变到-U UC0C0， ，u uC5 C5从 U UC0 C0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。 t t O u O i UCO u C13 u C5 uC

58、3 - -U CO Id iUiV t 1 t 2 t 3 图5-17 串联二极管晶闸 管逆变电路换流过程波形 2021/3/1463 实例: 无换向器电动机 电流型三相桥式逆变器驱动同步电动机,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 2021/3/1464 BQ转子位置检测器转子位置检测器, 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 2021/3/1465 5.6 多重逆变电路和多电平逆变电路 电压型电压型逆变电路输出

59、电压是矩形波, 电流型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。 多电平逆变电路多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近 正弦。 2021/3/1466 5.6.1 多重逆变电路 多重逆变电路多重逆变电路 电压型、电流型都可多重化,以电压型电压型为例。 多重逆变电路有串联多重和并联多重两种 串联多重串联多重把几个逆变电路的输出串联起 来,多用于电压型电压型。 并联多重并联多重把几个逆变电路的输出并联起 来,多用于电流型电流型。 2021/3/1467 5.6.1 多重逆变电路 单相电压型二重逆变电路 两个单相全桥逆变电路组成,输

60、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 2021/3/1468 三相电压型二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。