第4章 逆变电路

1、第第4章章 逆变电路逆变电路 4.1 换流方式换流方式 4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路电流型逆变电路 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结本章小结引言引言逆变的概念逆变的概念 与整流相对应，与整流相对应，直流电直流电变成变成交流电交流电。 交流侧接电网，为交流侧接电网，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，本章主要讲述无源逆变。，本章主要讲述无源逆变。逆变与变频逆变与变频 变频电路：分为变频电路：分为交交变频交交变频和和交直交变频交直交变频两种。两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两

2、部分组成，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。后一部分就是逆变。逆变电路的逆变电路的主要应用主要应用 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。电力电子装置的核心部分都是逆变电路。2/47变频器的基本概念变频器的基本概念一一. .变频器的基本工作原理变频器的基本工作原理1.变频器的电路构成整流器整流器: :将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能, 可以是不可控的，也可以是可控的。

3、变频器的基本概念变频器的基本概念一一. .变频器的基本工作原理变频器的基本工作原理1.变频器的电路构成滤波器滤波器: :将脉动的直流量滤波成平直的直流量,可以对直流电压滤波(用电容),也可以对直流电流滤波(用电感) 因为逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1，总会有无功功率的交换，要靠中间直流环节的储能元件来缓冲。逆变器逆变器: :将直流电能逆变为交流电能,直接供给负载,它的输出频率和电压均与交流输入电源无关,称为无源逆变器。它是变频器的核心。变频器的基本概念变频器的基本概念一一. .变频器的基本工作原理变频器的基本工作原理1.变频器的电

4、路构成有源逆变交流侧和电网连结,电路将直流电逆变成交流电输送到电网中去。有源逆变概念有源逆变概念2.变频器的工作原理改变对负载的供电电压改变对负载的供电频率对变频器的要求：以单相桥式逆变电路为例S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。用可控开通、关断的电力电子开关来切换电流方向，将直流电能转换成交流电能。变频器的基本概念变频器的基本概念一一. .变频器的基本工作原理变频器的基本工作原理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为负直流电交流电2.变频器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。改变两组开关切换频

5、率，可改变输出交流电频率。电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流io和和uo的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。阻感负载时，阻感负载时，io相位滞后于相位滞后于uo，波形也不同，波形也不同。改变改变Ud电压或开关的导通时间，可改变输出交流电电压大小。电压或开关的导通时间，可改变输出交流电电压大小。2.变频器的工作原理变频器的基本概念变频器的基本概念一一. .变频器的基本工作原理变频器的基本工作原理单相交交变频电路原理图用于低速大功率的电机传动阻感负载工作过程分析：t1前：前：S1、S4通，通，uo和和io均为正。均为正。t1时刻断开时刻断开S1、S4，合上，合上S2、S3，uo变

6、负，但变负，但io不能立刻反向。不能立刻反向。io从电源负极流出，经从电源负极流出，经S2、负载和、负载和S3流回正极，负载电感能量流回正极，负载电感能量向电源反馈，向电源反馈，io逐渐减小，逐渐减小，t2时刻降为零，之后时刻降为零，之后io才反向并增大才反向并增大2.变频器的工作原理变频器的基本概念变频器的基本概念一一. .变频器的基本工作原理变频器的基本工作原理3.变频器常用的调压方法(1)(1)可控整流器调压可控整流器调压 根据负载对变频器输出电压的要求，通过相控整流器根据负载对变频器输出电压的要求，通过相控整流器实现对变频器输出电压的调节。实现对变频器输出电压的调节。分为分为可控整流器

7、调压可控整流器调压、直流斩波器调压直流斩波器调压和和逆变器自身调压逆变器自身调压三种。三种。特点：特点：电路组成简单，低压深控时候电网侧功率因数下电路组成简单，低压深控时候电网侧功率因数下降严重，谐波含量大。一般用于电压变化不大的场合。降严重，谐波含量大。一般用于电压变化不大的场合。变频器的基本概念变频器的基本概念一一. .变频器的基本工作原理变频器的基本工作原理斩波调压方案斩波调压方案DC/DC斩波器斩波器逆逆变变器器负负载载二极二极管整管整流器流器滤波器滤波器（2 2）直流斩波器调压）直流斩波器调压 采用不可控整流器，保证变频器电源侧有较高的功率因数，采用不可控整流器，保证变频器电源侧有较

8、高的功率因数，在直流环节中设置直流斩波器完成电压调节。在直流环节中设置直流斩波器完成电压调节。特点：特点：电路增加了斩波环节，提高了电网侧功率因数，电路增加了斩波环节，提高了电网侧功率因数，调压方便调压方便3.变频器常用的调压方法变频器的基本概念变频器的基本概念一一. .变频器的基本工作原理变频器的基本工作原理逆变器自身控制方案逆变器自身控制方案（3）逆变器自身调压）逆变器自身调压 采用不可控整流器，通过逆变器自身的电子开关进行斩波采用不可控整流器，通过逆变器自身的电子开关进行斩波控制，使输出电压为脉冲列。改变输出电压脉冲列的脉冲宽控制，使输出电压为脉冲列。改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，便可达

9、到调节输出电压的目的。这种方法称为脉宽调制度，便可达到调节输出电压的目的。这种方法称为脉宽调制(Pulse Width Modulation-PWM)S1S2S3S4iouoUd负载负载a)tuoT/20TtuoT/20Tb)3.3.变频器常用的调压方法变频器常用的调压方法变频器的基本概念变频器的基本概念一一. .变频器的基本工作原理变频器的基本工作原理根据调制波形的不同，可分为：单脉冲调制：单脉冲调制：在输出电压波形的半周期内只有一个脉冲。在输出电压波形的半周期内只有一个脉冲。多脉冲调制：多脉冲调制：在输出电压波形的半周期内有多个脉冲。在输出电压波形的半周期内有多个脉冲。正弦波脉宽调制：正弦

10、波脉宽调制：在输出电压波形的半周期内为多脉冲调在输出电压波形的半周期内为多脉冲调制，而且每制，而且每 个脉冲的宽度按正弦规律变化。个脉冲的宽度按正弦规律变化。（3）逆变器自身调压）逆变器自身调压S1S2S3S4iouoUd负载O tuouofuUd- -Ud特点：特点：电路结构简单，性能优良，控制电路复杂电路结构简单，性能优良，控制电路复杂3.变频器常用的调压方法变频器的基本概念变频器的基本概念一一. .变频器的基本工作原理变频器的基本工作原理S1S2S3S4iouoUd负载O tuouofuUd- -Ud二二. .变频器中逆变器的基本类型变频器中逆变器的基本类型1.1.按直流输入端滤波器分类

11、按直流输入端滤波器分类电压型逆变器：电流型逆变器：中间直流环节采用大电容作为滤波器，逆变器的输入电压平直且电源阻抗很小，类似于电压源。中间直流环节采用大电感作为滤波器，逆变器的输入电流平直且电源阻抗很大，类似于电流源。2.2.按电子开关的开关频率分类（三相逆变器）按电子开关的开关频率分类（三相逆变器）0180 导电型逆变器0120 导电型逆变器变频器的基本概念变频器的基本概念电压型变频器电流型变频器三三. .逆变器中的电子开关逆变器中的电子开关1.逆变器对电子开关的要求：对正向电流既能控制开通，又能控制关断对正向电流既能控制开通，又能控制关断。高开关速度和低能量损耗。高开关速度和低能量损耗。有

12、足够的电压和电流定额。有足够的电压和电流定额。提供滞后电流通路。实现负载与电源间的无功交换。提供滞后电流通路。实现负载与电源间的无功交换。电压型逆变器采用电压型逆变器采用逆导型逆导型电力电子开关。电力电子开关。逆导型逆导型由由单向导电电子开关单向导电电子开关与开关二极管与开关二极管反并联反并联而成。而成。变频器的基本概念变频器的基本概念三三. .逆变器中的电子开关逆变器中的电子开关2.器件换流方式：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相换相变频器的基本概念变频器的基本概念开通：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。

13、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。三三. .逆变器中的电子开关逆变器中的电子开关2.换流方式：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。换相。分为分为器件换流、电网换流、负载换流和强迫换流器件换流、电网换流、负载换流和强迫换流四种。四种。后三种后三种用于晶闸管电路用于晶闸管电路。（1）器件换流：）器件换流：采用全控型器件。采用全控型器件。变频器的基本概念变频器的基本概念（2）电网换流：）电网换流：利用电网提供换流电压（例可控整流电路）。利用电网提供换流电压（例可控整流电路）。器件换流原理图三三

14、. .逆变器中的电子开关逆变器中的电子开关2.换流方式：变频器的基本概念变频器的基本概念负载换流原理图ttwttOOOOiit1uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4（3）负载换流：）负载换流：由由负载提供换流电压的换流方式，用于负负载提供换流电压的换流方式，用于负载为容性场合。载为容性场合。 直流侧串电感，工作过程可认为直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动，基本没有脉动，整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。负载对整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以uo接近正弦波接近

15、正弦波。三三. .逆变器中的电子开关逆变器中的电子开关2.器件换流方式：(4)强迫换流：强迫换流：附加强迫换流环节实现晶闸管的关断。附加强迫换流环节实现晶闸管的关断。变频器的基本概念变频器的基本概念直接耦合强迫换流原理图电感耦合式强迫换流原理图换流方式总结：器件换流器件换流适用于适用于全控型器件全控型器件。其余其余三种方式三种方式针对针对晶闸管晶闸管。器件换流和强迫换流器件换流和强迫换流属于属于自换流自换流。电网换流和负载换流电网换流和负载换流属于属于外部换流外部换流。三三. .逆变器中的电子开关逆变器中的电子开关变频器的基本概念变频器的基本概念换流与熄灭的关系当电流不是从一个支路向另一个支路

16、转移，而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，则称为是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭熄灭。熄灭原理图4.1 换流方式换流方式 4.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 4.1.2 换流方式分类换流方式分类26/474.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理27/47以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 S1S4是桥式电路的是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2 当开关当开

17、关S1、S4闭合，闭合，S2、S3断开时，负载电压断开时，负载电压uo为正；当开关为正；当开关S1、S4断开，断开，S2、S3闭合时，闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。为负，这样就把直流电变成了交流电。 改变改变两组开关的切换频率两组开关的切换频率，即可改变输出，即可改变输出交流电的频率交流电的频率。 电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流io和和uo的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，阻感负载时，io相位滞后于相位滞后于uo，波形也不同。，波形也不同。图图4-1 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例 4.1.2 换流方式分类换流方式分类换流换流 电

18、流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相换相。 研究换流方式主要是研究研究换流方式主要是研究如何使器件关断如何使器件关断。换流方式分为以下几种换流方式分为以下几种 器件换流（器件换流（Device Commutation） 利用利用全控型器件的自关断能力全控型器件的自关断能力进行换流。进行换流。 在采用在采用IGBT 、电力、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。件的电路中的换流方式是器件换流。 电网换流（电网换流（Line Commutation） 电网电网提供提供换流电压换流电压的换流方式。

19、的换流方式。 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关将负的电网电压施加在欲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力，但不适用于没有交断。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。流电网的无源逆变电路。28/474.1.2 换流方式分类换流方式分类29/47a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4图图4-2 负载换流电路及其工作波形负载换流电路及其工作波形 负载换流（负载换流（Load Commutation） 由由负载负载提供提供换流电压换流电压的换流方式。的换流方式。 负载

20、负载电流电流的的相位超前相位超前于负载于负载电压电压的场合，的场合，都可实现负载换流，如电容性负载和同步电都可实现负载换流，如电容性负载和同步电动机。动机。 图图4-2a是基本的负载换流逆变电路，整是基本的负载换流逆变电路，整个负载工作在接近个负载工作在接近并联谐振状态并联谐振状态而略呈而略呈容性容性，直流侧串大电感，工作过程可认为直流侧串大电感，工作过程可认为id基本没基本没有脉动。有脉动。 负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以所以uo接近接近正弦波正弦波。 注意触发注意触发VT2、VT3的时刻的时刻t1必须在必须在uo过过零前并留有足够的裕量，才能使

21、换流顺利完零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。成。4.1.2 换流方式分类换流方式分类30/47强迫换流（强迫换流（Forced Commutation） 设置设置附加的换流电路附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强，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。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，通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为因此也称为电容换流电容换流。 分类分类 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流：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。 电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流：通

22、过换流电路内的：通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流 如图如图4-3，当晶闸管，当晶闸管VT处于通态时，预先给处于通态时，预先给电容充电。当电容充电。当S合上，就可使合上，就可使VT被施加反压而关被施加反压而关断。断。 也叫电压换流。也叫电压换流。 图图4-3 直接耦合式直接耦合式强迫换流原理图强迫换流原理图 4.1.2 换流方式分类换流方式分类31/47电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流 图图4-4a中晶闸管在中晶闸管在LC振荡振荡第一个半周期第一个半周期内关断，图内关断，图4-4b中晶闸

23、管在中晶闸管在LC振荡振荡第二个半周期第二个半周期内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。 在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。 也叫也叫电流换流电流换流。图图4-4 电感耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流原理图 换流方式总结换流方式总结 器件换流器件换流只适用于只适用于全控型器件全控型器件，其余三种方式主要是针对，其余三种方式主要是针对晶闸管晶闸管而言的。

24、而言的。 器件换流和强迫换流属于器件换流和强迫换流属于自换流自换流，电网换流和负载换流属于，电网换流和负载换流属于外部换流外部换流。 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，则称为变为零，则称为熄灭熄灭。 4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路32/474.2 电压型逆变电路电压型逆变电路引言引言33/47根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类 电压型电压型逆变电路：直

25、流侧是电压源。逆变电路：直流侧是电压源。 电流型电流型逆变电路：直流侧是电流源。逆变电路：直流侧是电流源。电压型逆变电路的特点电压型逆变电路的特点 直流侧为直流侧为电压源电压源或并联或并联大电容大电容，直流侧电压基本无脉动。，直流侧电压基本无脉动。 由于直流电压源的由于直流电压源的钳位作用钳位作用，输出电压为，输出电压为矩形波矩形波，输出电流因负，输出电流因负载阻抗不同而不同。载阻抗不同而不同。 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，逆变桥各臂并联能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管反馈二极管。图图4-5

26、 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）电压型逆变电路举例（全桥逆变电路） 4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路34/47a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2图图4-6 单相半桥电压型逆单相半桥电压型逆变电路及其工作波形变电路及其工作波形 半桥逆变电路半桥逆变电路 在直流侧接有两个相互串联的足够大在直流侧接有两个相互串联的足够大的的电容电容，两个电容的，两个电容的联结点联结点便成为直流电便成为直流电源的源的中点中点，负载联接在直流电源中点和两，负载联接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。 工作原理工作

27、原理 设开关器件设开关器件V1和和V2的栅极信号在一的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。者互补。 输出电压输出电压uo为为矩形波矩形波，其幅值为，其幅值为Um=Ud/2。 电路带电路带阻感负载阻感负载，t2时刻给时刻给V1关断关断信号，给信号，给V2开通信号，则开通信号，则V1关断，但感性关断，但感性负载中的电流负载中的电流io不能立即改变方向，于是不能立即改变方向，于是VD2导通续流，当导通续流，当t3时刻时刻io降零时，降零时，VD2截止，截止，V2开通，开通，io开始反向，由此得出如图所示开始反向，由此得出如图所示的电流波形。的电

28、流波形。 4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路35/47a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2图图4-6 单相半桥电压型逆单相半桥电压型逆变电路及其工作波形变电路及其工作波形 V1或或V2通时，通时，io和和uo同方向同方向，直流侧向负载提供能量；直流侧向负载提供能量；VD1或或VD2通时，通时，io和和uo反向反向，电感中贮，电感中贮能向直流侧反馈。能向直流侧反馈。VD1、VD2称为称为反馈二极管反馈二极管,它又起着使负载电流它又起着使负载电流连续的作用，又称连续的作用，又称续流二极管续流二极管。优点是简单，使用器

29、件少；其缺优点是简单，使用器件少；其缺点是输出交流电压的幅值点是输出交流电压的幅值Um仅为仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容器串，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡；因此，半桥电路常用于压的均衡；因此，半桥电路常用于几几kW以下以下的小功率逆变电源。的小功率逆变电源。 4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路36/47全桥逆变电路全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成共四个桥臂，可看成两个半桥电路两个半桥电路组合而成。组合而成。 两对桥臂交替导通两对桥臂交替导通180。 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。输出电压和

30、电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。 在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压在这种情况下，要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。来实现。 Ud的矩形波的矩形波uo展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得tttUu5sin513sin31sin4do其中基波的幅值其中基波的幅值Uo1m和基波有效值和基波有效值Uo1分别为分别为 ddo1m27.14UUUdd1o9 . 022UUU图图4-5 全桥逆变电路全桥逆变电路 (4-1)(4-2)(4-3)4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路37/47a)b)图图4-7 单相全桥逆变电单相全桥逆变

31、电路的移相调压方式路的移相调压方式 移相调压方式移相调压方式 V3的基极信号比的基极信号比V1落后落后 （0 180）。）。V3、V4的栅极信号分别比的栅极信号分别比V2、V1的前移的前移180- 。输出电压是正负各为。输出电压是正负各为 的脉的脉冲。冲。 工作过程工作过程 t1时刻前时刻前V1和和V4导通，导通， uo=Ud。 t1时刻时刻V4截止，而因负载电感中的电流截止，而因负载电感中的电流io不能突变，不能突变，V3不能立刻导通，不能立刻导通，VD3导通续导通续流，流，uo=0。 t2时刻时刻V1截止，而截止，而V2不能立刻导通，不能立刻导通，VD2导通续流，和导通续流，和VD3构成电

32、流通道，构成电流通道，uo=-Ud。 到负载电流过零并开始反向时，到负载电流过零并开始反向时，VD2和和VD3截止，截止，V2和和V3开始导通，开始导通，uo仍为仍为-Ud。 t3时刻时刻V3截止，而截止，而V4不能立刻导通，不能立刻导通，VD4导通续流，导通续流，uo再次为零再次为零。 改变改变 就可调节输出电压就可调节输出电压。4.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路38/47图图4-8 带中心抽头变带中心抽头变压器的逆变电路压器的逆变电路 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 交替驱动交替驱动两个两个IGBT，经变压器耦，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。合给

33、负载加上矩形波交流电压。 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无功能量的反馈通道量的反馈通道。 Ud和负载参数相同，变压器匝比和负载参数相同，变压器匝比为为1：1：1时，时，uo和和io波形及幅值与全桥波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。逆变电路完全相同。 与全桥电路相比较与全桥电路相比较 比全桥电路少用比全桥电路少用一半开关器件一半开关器件。 器件承受的电压为器件承受的电压为2Ud，比全桥，比全桥电路高一倍。电路高一倍。 必须有一个必须有一个变压器变压器。 4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路39/47三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

34、合成一个三相逆变电路。三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 基本工作方式是基本工作方式是180导电方式导电方式。 同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差差120 ，任一瞬间有，任一瞬间有三个桥臂三个桥臂同时导通。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，也称为纵向换流纵向换流。图图4-9 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路 假想中点假想中点4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路40/47tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)u

35、UNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形电压型三相桥式逆变电路的工作波形 工作波形工作波形 对于对于U相输出来说，当桥臂相输出来说，当桥臂1导通时，导通时，uUN=Ud/2，当桥臂，当桥臂4导通时，导通时，uUN=-Ud/2，uUN的波形是的波形是幅值为幅值为Ud/2的矩形波的矩形波，V、W两相的情况和两相的情况和U相类似。相类似。 负载线电压负载线电压uUV、uVW、uWU可由下可由下式求出式求出 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu负载各相的相电压分别为负载各相的相电压分别为 NN WNWN

36、NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu(4-4)(4-5)4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路3/41/47tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形电压型三相桥式逆变电路的工作波形 把上面各式相加并整理可求得把上面各式相加并整理可求得)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu设负载为三相对称负载，则有设负载为三相对称负载，则有uUN+uVN+uWN=0，故可得，故可得 )(31 WN VN UNNNuuu

37、u负载参数已知时，可以由负载参数已知时，可以由uUN的波形的波形求出求出U相电流相电流iU的波形，图的波形，图4-10g给出的给出的是阻感负载下是阻感负载下 时时iU的波形。的波形。 把桥臂把桥臂1、3、5的电流加起来，就可的电流加起来，就可得到直流侧电流得到直流侧电流id的波形，如图的波形，如图4-10h所所示，可以看出示，可以看出id每隔每隔60脉动一次。脉动一次。 (4-6)(4-7)4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路42/47基本的数量关系基本的数量关系 把输出线电压把输出线电压uUV展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得 nktnntUtttttUusin)1(1sin3

38、213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV式中，式中， ，k为自然数。为自然数。16 kn输出线电压有效值输出线电压有效值UUV为为 d202UVUV816.0d21UtuU其中基波幅值其中基波幅值UUV1m和基波有效值和基波有效值UUV1分别为分别为 ddUV1m1 .132UUUddUV1mUV178. 062UUUU(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路43/47 把把uUN展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得 ntnntUtttttUusin1sin213sin13111sin1117sin715s

39、in51sin2ddUN 式中，式中， ，k为自然数。为自然数。16 kn 负载相电压有效值负载相电压有效值UUN为为d202UNUN471.0d21UtuU 其中基波幅值其中基波幅值UUN1m和基波有效值和基波有效值UUN1分别为分别为ddUN1m637.02UUUdUN1mUN145.02UUU为了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的短路，为了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的短路，要采取要采取“先断后通先断后通”的方法。的方法。 (4-12)(4-13)(4-14)(4-15)4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路例：三相桥式电压型逆变

40、电路，例：三相桥式电压型逆变电路，180导电方式，导电方式，Ud=200V。试求输出相电。试求输出相电压的基波幅值压的基波幅值UUN1m和有效值和有效值UUN1、输出线电压的基波幅值、输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值和有效值UUV1、输出线电压中、输出线电压中7次谐波的有效值次谐波的有效值UUV7。 解：解：2344/47UUV7 =2 Ud/（3.147 ）=22.3（V） dUN1mUN145. 02UUUddUN1m637. 02UUUddUV1m1.132UUUddUV1mUV178. 062UUUU0.4520090（V） 0.637200127.4（V） 1.1200=220

41、（V） 0.78200=156（V） 4.3 电流型逆变电路电流型逆变电路 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路45/474.3 电流型逆变电路电流型逆变电路引言引言直流电源为直流电源为电流源电流源的逆变电路称的逆变电路称为电流型逆变电路。为电流型逆变电路。电流型逆变电路主要特点电流型逆变电路主要特点 直流侧串直流侧串大电感大电感，电流基本无脉，电流基本无脉动，相当于电流源。动，相当于电流源。 交流输出电流为交流输出电流为矩形波矩形波，与负载，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同。位因负载

42、不同而不同。 直流侧电感起缓冲无功能量的作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用，不必给开关器件反并联二极管。管。电流型逆变电路中，采用电流型逆变电路中，采用半控型半控型器件器件的电路仍应用较多，换流方的电路仍应用较多，换流方式有式有负载换流负载换流、强迫换流强迫换流。46/47图图4-11 电流型三相桥式逆变电路电流型三相桥式逆变电路 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路47/47电路分析电路分析 由四个桥臂构成，每个桥臂的由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个晶闸管各串联一个电抗器电抗器，用来限，用来限制晶闸管开通时的制晶闸管开通时的di/dt。 采用采

43、用负载换相负载换相方式工作的，要方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，即求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈负载略呈容性容性。 电容电容C和和L 、R构成构成并联谐振电并联谐振电路路。 输出电流波形接近输出电流波形接近矩形波矩形波，含，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。小于基波。图图4-12 单相桥式电流型单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路（并联谐振式）逆变电路 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路48/47工作波形分析工作波形分析 在交流电流的一个周期内，在交流电流的一个周期内，有有两个稳定导通阶段两个稳定导通阶段和和两个换两个换流阶

44、段流阶段。 t1t2：VT1和和VT4稳定导通稳定导通阶段，阶段，io=Id，t2时刻前在时刻前在C上建上建立了立了左正右负左正右负的电压。的电压。 在在t2时刻触发时刻触发VT2和和VT3开开通，开始进入换流阶段。通，开始进入换流阶段。 由于换流由于换流电抗器电抗器LT的作用，的作用， VT1 和和VT4不能立刻关断，其电不能立刻关断，其电流有一个减小过程，流有一个减小过程，VT2和和VT3的电流也有一个增大过程。的电流也有一个增大过程。 图图4-13 并联谐振式逆变电路工作波形并联谐振式逆变电路工作波形 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 4个晶闸管全部导通，负个晶闸管全部导

45、通，负 载电容电压经两个并联的放载电容电压经两个并联的放 电回路同时放电。电回路同时放电。 一个回路是经一个回路是经LT1、 VT1、VT3、LT3回到回到 电容电容C。 另一个回路是经另一个回路是经LT2、 VT2、VT4、LT4回到回到 电容电容C。当当t=t4时，时，VT1、VT4电流减电流减至零而关断，直流侧电流至零而关断，直流侧电流Id全部从全部从VT1、VT4转移到转移到VT2、VT3，换流阶段结束换流阶段结束。49/47图图4-13 并联谐振式逆变电路工作波形并联谐振式逆变电路工作波形 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路tttt50/47图图4-13 并联谐振式逆变

46、电路工作波形并联谐振式逆变电路工作波形 晶闸管需一段时间才能恢复正向阻晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，断能力，t4时刻换流结束后还要使时刻换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间承受一段反压时间t ，t= t5- t4应大应大于晶闸管的关断时间于晶闸管的关断时间tq。为保证可靠换流应在为保证可靠换流应在uo过零前过零前t = t5- t2时刻触发时刻触发VT2、VT3，t 为触发引前时为触发引前时间间 io超前于超前于uo的时间的时间 （负载的功率因数角负载的功率因数角） ttt2把把t 表示为电角度表示为电角度 （弧度）可得（弧度）可得22tt(4-16)(4-17)(4-18)

47、4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路51/47基本的数量关系基本的数量关系 io展开成傅里叶级数可得展开成傅里叶级数可得 tttIi5sin513sin31sin4do负载电压有效值负载电压有效值Uo和直流电压和直流电压Ud的关系的关系 其基波电流有效值其基波电流有效值Io1为为 dd1o9 .024III2cos)2cos(22cos)cos(2dsin21d1oo)(o)(dUUttUtuUAB(4-19)(4-20)4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路52/47一般情况下一般情况下 值较小，可近似认为值较小，可近似认为cos( /2)1，再考虑到式，再考虑到式(4

48、-18)可得可得 cos22odUU或或cos11. 1cos22ddoUUU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。 自励方式存在自励方式存在起动问题起动问题，解决方法：，解决方法： 先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。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。附加预充电起动电路。(4-21)4.3.2 三相电流型逆变电路

49、三相电流型逆变电路53/47tOtOtOtOIdiViWuUVU图5-14 电流型三相桥式逆变电路的输出波形 图5-11 电流型三相桥式逆变电路电路分析电路分析 基本工作方式是基本工作方式是120导电方式导电方式，每个臂，每个臂一周期内导电一周期内导电120，每个时刻上下桥臂组，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通。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。波形分析波形分析 输出电流波形和负载性质无关，正负脉输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各冲各120的的矩形波矩形波。 输出电流和三相桥整流带大电感负载时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，谐波分析表达式也相的交

50、流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。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，大体大体为正弦波为正弦波，但叠加了一些脉冲。，但叠加了一些脉冲。 输出交流电流的基波有效值输出交流电流的基波有效值IU1和直流电和直流电流流Id的关系为的关系为 dd1U78. 06III(4-22)4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路54/47图图4-15 串联二极管串联二极管式晶闸管逆变电路式晶闸管逆变电路 串联二极管式晶闸管逆变电路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主要用于中大功率交流电动机调速系统。系统。 电路分析电路分析 是是电流型电流型三相桥式

51、逆变电路，各三相桥式逆变电路，各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。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，输出波形和图和图4-14的波形大体相同。的波形大体相同。 采用采用强迫换流强迫换流方式，电容方式，电容C1C6为换流电容。为换流电容。 换流过程分析换流过程分析 电容器所充电压的规律：对于共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，共阴极的情管相连的电容器电压为零，共阴极的情况与此类似，只是电压极性相反。况与此类似，

52、只是电压极性相反。4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路55/47- - +UVW+ - -UVWa)+ - -UVWb)- - +UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV等效换流电容等效换流电容概念：图概念：图4-16中的换流电容中的换流电容C13就是图就是图4-14中的中的C3与与C5串联后串联后再与再与C1并联的等效电容。并联的等效电容。分析从分析从VT1向向VT3换流的过程换流的过程 假设换流

53、前假设换流前VT1和和VT2通，通，C13电压电压UC0左正右负左正右负。 换流阶段分为换流阶段分为恒流放电恒流放电和和二极管换流二极管换流两个阶段。两个阶段。 t1时刻触发时刻触发VT3导通导通，VT1被施以反压而被施以反压而关断关断，Id从从VT1换到换到VT3，C13通过通过VD1、U相负载、相负载、W相负载、相负载、VD2、VT2、直流电源和、直流电源和VT3放电，放电电流恒放电，放电电流恒为为Id，故称，故称恒流放电阶段恒流放电阶段，如图，如图416b。图图4-16 换流过程各阶段的电流路径换流过程各阶段的电流路径 4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路56/47- - +

54、UVW+ - -UVWa)+ - -UVWb)- - +UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV图图4-16 换流过程各阶段的电流路径换流过程各阶段的电流路径 uC13下降到零之前，下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于承受反压，反压时间大于tq就能保证可靠关断。就能保证可靠关断。t2时刻时刻uC13降到零，之后降到零，之后C13反向充电，忽略负载电阻压降，则二极管反向充电，忽略负载电阻压降，则二极管VD3

55、导通，导通，电流为电流为iV，VD1电流为电流为iU=Id-iV，VD1和和VD3同时导通，进入同时导通，进入二极管换流阶段二极管换流阶段。随着随着C13电压增高，充电电流渐小，电压增高，充电电流渐小，iV渐大，渐大，t3时刻时刻iU减到零，减到零，iV=Id，VD1承受承受反压而关断，二极管换流阶段结束。反压而关断，二极管换流阶段结束。t3以后，进入以后，进入VT2、VT3稳定导通阶段稳定导通阶段。4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路57/47ttOuOiUCOuC13uC5uC3- -UCOIdiUiVt1t2t3图图4-17 串联二极管晶闸管串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波

56、形逆变电路换流过程波形 从从VT1向向VT3换流的过程中，如果负换流的过程中，如果负载为载为交流电动机交流电动机，则在，则在t2时刻时刻uC13降至降至零时，如电机反电动势零时，如电机反电动势eVU0，则，则VD3仍承受反向电压而不能导通。直到仍承受反向电压而不能导通。直到uC13升高到升高到与与eVU相等相等后，后，VD3才承受正向才承受正向电压而导通，进入电压而导通，进入VD3和和VD1同时导通同时导通的二极管换流阶段。的二极管换流阶段。 波形分析波形分析 图图4-17给出了电感负载时给出了电感负载时uC13、iU和和iV的波形图。的波形图。 uC1的波形和的波形和uC13完全相同。完全相

57、同。 uC3从从零零变到变到-UC0，uC5从从UC0变到变到零零，变化幅度是，变化幅度是C1的一半。的一半。 这些电压恰好符合相隔这些电压恰好符合相隔120后从后从VT3到到VT5换流时的要求，为下次换流换流时的要求，为下次换流准备好了条件。准备好了条件。 4.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路58/47OOOOOtttOttVT4导通UVWiViWiUudMVT1导通VT3导通VT6导通VT5导通VT2导通uVT1图图4-19 无换相器电动机电路工作波形无换相器电动机电路工作波形 图图4-18 无换相器电动机的基本电路无换相器电动机的基本电路 负载为同步电动机负载为同步电动机 其

58、工作特性和调速方式都和直流电其工作特性和调速方式都和直流电动机相似，但没有换向器，因此被称为动机相似，但没有换向器，因此被称为无换向器电动机无换向器电动机。 采用采用120导电方式导电方式，利用电动机，利用电动机反电势反电势实现换流。实现换流。 BQ是转子位置检测器，用来检测是转子位置检测器，用来检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲。发出触发脉冲。4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路和多电平逆变电路 4.4.1 多重逆变电路多重逆变电路 4.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路59/474.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路

59、和多电平逆变电路引言引言电压型电压型逆变电路的输出电压是矩形波，逆变电路的输出电压是矩形波，电流型电流型逆逆变电路的输出电流是矩形波，变电路的输出电流是矩形波，矩形波矩形波中含有较多中含有较多的的谐波谐波，对负载会产生不利影响。，对负载会产生不利影响。 常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，使之成为使之成为接近正弦波接近正弦波的波形。的波形。 也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，它也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，它能够输出较多的电平，从而使输出电压向正弦波能够输出较多的电平，从而使输出电压向正弦波靠近。靠近。 60/474.4.1 多重

60、逆变电路多重逆变电路61/4712060180tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo图图4-20 二重单相逆变电路二重单相逆变电路 图图4-21 二重逆变电路的工作波形二重逆变电路的工作波形 二重单相电压型逆变电路二重单相电压型逆变电路 两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器压器T1和和T2串联串联起来。起来。 输出波形输出波形 两个单相的输出两个单相的输出u1和和u2是是180矩形波矩形波。 u1和和u2相位错开相位错开 =60,其中的其中的3次谐波就次谐波就错开了错开了360=180，变压器串联合成后，变压器串联合成后，3次次谐波互相抵消谐波互相抵消