第七章 变频电路(第一部分：交直交变频器

1、第七章第七章 变频电路变频电路电力电子技术电力电子技术Power Electronics Technology第七章第七章 变频电路变频电路第一节第一节变频电路基本概念变频电路基本概念第二节第二节谐振型逆变电路谐振型逆变电路谐振型谐振型逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理换流方式分类换流方式分类电压型逆变电路电压型逆变电路单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路电流型逆变电路电流型逆变电路单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路第三节第三节三相逆变电路三相逆变电路三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路第一节第一节变频电路基本概念变频电路基本概念逆变概念逆变概念

2、 逆变逆变与整流相对应，直流电变成交流电与整流相对应，直流电变成交流电交流侧接电网，为有源逆变交流侧接电网，为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逆变与变频逆变与变频变频电路：交交变频和交直交变频两种变频电路：交交变频和交直交变频两种交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变一部分就是逆变 逆变电路的应用逆变电路的应用蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路供电时，需要逆变电路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、

3、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第二节谐振型逆变电路第二节谐振型逆变电路负载a)b)图5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2一、一、 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 单相桥式逆变电路为例单相桥式逆变电路为例S1S4是桥式电路的是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及个臂，由电力电子器件及辅助电路组成辅助电路组成S1、S4闭合，闭合，S2、S3断开时，负载电压断开时，负载电压uo为正为正 逆变电路及其波形举例 S1, S4断开断开, S2、S3闭合时，闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电为负，把直流电变成了

4、交流电 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变负变负,但但io不能立刻反向不能立刻反向io从电源负极流出从电源负极流出, 经经S2,负载和负载和S3流回正极流回正极, 负载电感能量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时刻降为零时刻降为零,之后之

5、后io才反向并增大才反向并增大负载a)b)图5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2换流换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相也称换相开通：开通：适当的门极驱动信号就可使其开通适当的门极驱动信号就可使其开通关断：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，才能关断才能关断研究换流方式主要是研究如何使研究换流方式主要是研究如何使器件关断器件关断本章换流及换流方式问题

6、最为全面集中本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此在本章因此在本章讲述讲述换流方式换流方式1. 器件换流器件换流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（Device Commutation）2. 电网换流电网换流由电网提供换流电压称为电网换流（由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路电路不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件3. 负载换流负载换流由负载提供换流电压称为负载

7、换流（由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）负载电流相位超前于负载电压负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流的场合，都可实现负载换流负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流换流 基本的负载换流逆变电路：基本的负载换流逆变电路：采用晶闸管采用晶闸管负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近在接近并联谐振并联谐振状态而略呈容性状态而略呈容性 电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入 直流侧串入大电感直流侧串入大电感L

8、d， id基本没有脉动基本没有脉动ttttRLCOOOOiit1b)a)图5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4负载换流电路及其工作波形 工作过程（工作过程（工作波形图工作波形图b）4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦波形接近正弦t1前：前：VT1、VT4通，通，VT2、VT3断，断，uo、io

9、均为正，均为正，VT2、VT3电压即为电压即为uot1时：触发时：触发VT2、VT3使其开通，使其开通，uo加到加到VT4、VT1上使其承受上使其承受反压而关断，电流从反压而关断，电流从VT1、VT4换到换到VT3、VT2t1必须在必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成ttttRLCOOOOiit1b)a)图5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4设置附加的换流电路设置附加的换流电路，给欲关断，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流

10、的换流方式称为强迫换流向电流的换流方式称为强迫换流（Forced Commutation）通常利用附加电容上储存的能通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流量来实现，也称为电容换流直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流由换流由换流电路内电容提供换流电压电路内电容提供换流电压VT通态时，先给电容通态时，先给电容C充电。充电。合上合上S就可使晶闸管被施加反就可使晶闸管被施加反压而关断压而关断SVT负载+-图5-3直接耦合式强迫换流原理图4. 强迫换流强迫换流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：通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流感耦合提供换流电压或换

11、流电流 两种电感耦合式强迫换流：两种电感耦合式强迫换流：图图a中晶闸管在中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断振荡第一个半周期内关断图图b中晶闸管在中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断振荡第二个半周期内关断CL+VDSCVT负载+LSVT负载VDb)a)图5-4电感耦合式强迫换流原理图给晶闸管加上反向给晶闸管加上反向电压而使其关断的换电压而使其关断的换流也叫流也叫电压换流电压换流先使晶闸管电流减先使晶闸管电流减为零，然后通过反并为零，然后通过反并联二极管使其加联二极管使其加 反压反压的换流叫的换流叫电流换流电流换流 器件器件换流换流适用于全控型器件适用于全控型器件其余三种方式其余三种方式(电网电

12、网,负载负载,强迫强迫)针对晶闸管针对晶闸管器件换流和强迫换流器件换流和强迫换流属于自换流属于自换流电网换流和负载换流电网换流和负载换流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，则称为熄灭熄灭二、二、 电压型逆变电路电压型逆变电路逆变电路按其逆变电路按其直流电源直流电源性质不同分为两种性质不同分为两种电压型逆变电路或电压源型逆变电路电压型逆变电路或电压源型逆变电路电流型逆变电路或电流源型逆变电路电流型逆变电路或电流源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 (1)

13、直流侧为电压源或并联大电容，直流直流侧为电压源或并联大电容，直流侧侧电压基本无脉动电压基本无脉动 (2) 输出电压为矩形波，输出电流因负载输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同阻抗不同而不同 (3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂各臂并联反馈二极管并联反馈二极管+-CRL图5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路+-RLa)ttOOONb)图5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-U

14、miot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud21半桥逆变电路半桥逆变电路电路结构电路结构工作原理工作原理V1和和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，互补互补uo为矩形波，幅值为为矩形波，幅值为Um=Ud/2io波形随负载而异，感性负载时波形随负载而异，感性负载时V1或或V2通时，通时，io和和uo同方向，直流侧向负载提供能量同方向，直流侧向负载提供能量VD1或或VD2通时，通时，io和和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈反向，电感中贮能向直流侧反馈VD1、VD2称为称为反馈二极管反馈二极管,还使还使io连续，又称

15、连续，又称续流二极管续流二极管特点特点优点优点：简单，使用器件少：简单，使用器件少缺点缺点：交流电压幅值：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡控制两者电压均衡用于几用于几kW以下的小功率逆以下的小功率逆变电源变电源单相全桥、三相桥式都可看成单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合若干个半桥逆变电路的组合+-RLa)ttOOONb)图5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2两个半桥电路的组合两个半桥电路的组合1和和4一对，一对，2和和3另一对，成

16、另一对，成对桥臂同时导通，两对交替对桥臂同时导通，两对交替各导通各导通180uo波形同半桥电路的波形同半桥电路的uo，幅幅值高出一倍值高出一倍Um=Ud2 2全桥逆变电路全桥逆变电路+-CRL图5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio+-RLa)ttOOONb)图5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2io波形和图中的波形和图中的io相同，幅相同，幅值增加一倍值增加一倍单相逆变电路中应用最多的单相逆变电路中应用最多的电路结构及工作情况电路结构及工作情况tttUu5sin513sin31

17、sin4doddo1m27. 14UUUdd1o9 . 022UUU输出电压定量分析输出电压定量分析uo成傅里叶级数成傅里叶级数uo为正负各为正负各180时，要改变输出时，要改变输出电压有效值只能改变电压有效值只能改变Ud来实现来实现基波幅值基波幅值基波有效值基波有效值+-RLa)ttOOONb)图5-6UdiouoV1V2VD1VD2uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2Ud2Ud2可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压各栅极信号为各栅极信号为180正偏，正偏，180反偏，且反偏，且V1

18、和和V2互补，互补，V3和和V4互补关系不变互补关系不变V3的基极信号只比的基极信号只比V1落后落后q q ( 0 0q q 0时，时，V12和和VD1导通导通iU0时，时，V41和和VD4导通导通+-图5-25+UV+WUdVD1V11OV12VD11VD12VD4V41V42VD41VD42iULsRs线电压的电平线电压的电平相电压相减得到线电压相电压相减得到线电压两电平逆变电路的输出线电压有两电平逆变电路的输出线电压有Ud和和0三三种电平种电平三电平逆变电路的输出线电压有三电平逆变电路的输出线电压有Ud、Ud/2和和0五种电平五种电平三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路电平逆