1、第三章逆變(n bin)電路31 電力電子器件的換流方式32 有源逆變電路 33 無源逆變電路 34 負載換流式逆變電路35 電壓(diny)型逆變電路36 電流型逆變電路共五十三頁第三章逆變(n bin)電路 在實際應用中除了將交流電能變換直流電能外，還需將直流電能換成交流電能，這種對應于整流的逆向過程稱為逆變。完成(wn chng)這一變換過程的電路稱為逆變電路。在一定條件下，同一晶閘管電路既可作整流又可作逆變，這種電路為變流電路或變流器。如果將逆變電路的交流側接到交流電網上，直流電逆變成與電網同頻率的交流電反送至電網上，稱為有源逆變。如果將電路的交流側直接與負載連接，將直流電逆變成某一頻

2、率或頻率可調的交流電供給負載，稱為無源逆變。共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.1 電力(dinl)電子器件的換流方式 電流從一個支路向另一個支路的轉移的過程稱為換流，換流又常被稱為換相。 一般來說，電力電子電路有四種換流方式：1.器件換流 利用全控型器件自身具有的自關斷能力實現換流稱為器件換流。2.電網換流 由電網提供換流電壓稱為電網換流。 3.負載換流 由負載提供換流電壓稱為負載換流。 共五十三頁4.脈沖換流 設置附加的換流電路，向導通的晶閘管施加反向電壓或從導通的晶閘管控制級施加反向電流(dinli)，使晶閘管強迫關斷，稱為脈沖換流。又稱強迫換流。 脈沖換流有脈沖電壓換流和脈沖電流

3、換流兩種。第三章逆變(n bin)電路3.1 電力電子器件的換流方式共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.2 有源逆變(n bin)電路 有源逆變電路主要應用于直流電機的可逆調速、繞線轉子異步電動機的串級調速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等領域。3.2.1 有源逆變的工作原理1.直流電能的傳遞 有兩個電源，一個是電池，一個是具有電動勢的直流電動機，其電路的連接方式有三種。 共五十三頁由上述分析可知：（1）兩個電源同極相接時，電流總是從電動勢高處流向電動勢低處，電路中電流的大小為兩電動勢之差與回路(hul)電阻的比值。如果回路(hul)電阻很小，很小的電動勢差也可產生足夠大的電流，使兩個電源系統(tǒng)

4、之間交換很大的功率。（2）電流從正端流出的電源輸出功率，電流從正端流入的電源接受功率。（3）兩個直流電源反極性相接時，如果回路電阻很小，回路中的電流將很大，這實際上相當于兩個電源短路。在工作中應嚴防這種事故的發(fā)生。第三章逆變(n bin)電路3.2 有源逆變電路共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.2 有源逆變(n bin)電路2.有源逆變的工作原理共五十三頁1)電動(din dn)機M電動(din dn)運行 電路工作在整流狀態(tài)，晶閘管的控制角在090之間，電動機作電動運行。這時交流電源通過晶閘管輸出電能，電動機則輸入電能。當UdEM時電路的電流值為 Id=（UdEM）/R 式中，R為回

5、路的總電阻。一般情況下，R值很小，因此電路經常工作在UdEM第三章逆變(n bin)電路3.2 有源逆變電路2.有源逆變的工作原理電路分析共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.2 有源逆變(n bin)電路2.有源逆變的工作原理電路分析2）電動機M發(fā)電回饋制動運行 如圖3-5b所示，EMUd ，電流反向。為了防止兩電動勢順向串聯形成短路，則要求Ud的極性也必須反過來，即上負下正，電流Id從直流電動機流向整流電路，這時電路的電流為 Id=（EMUd）/R 此時電動機運行于發(fā)電狀態(tài)，其產生的直流電能通過變流電路逆變?yōu)榻涣麟娔芊邓椭岭娋W，電路進入逆變工作狀態(tài)。共五十三頁 在圖3-5b波形中，t1

6、-t2之間，Ud EM，電路(dinl)處于整流狀態(tài)，由于平波電抗器L的存在，不會產生較大短路電流；t2-t3之間，EMUd，電路實現有源逆變；t3-t4之間，EM+di/dt Ud ，電路繼續(xù)保持逆變狀態(tài)。由以上分析可知，工作過程中雖存在整流狀態(tài)，但逆變狀態(tài)處于主導地位，因此整個過程屬于逆變。第三章逆變(n bin)電路3.2 有源逆變電路2.有源逆變的工作原理電路分析共五十三頁實現有源逆變必須同時具備兩個條件：（1）一定要有直流電動勢源，其極性必須與晶閘管的導通方向一致，且其值應大于變流器直流側的平均電壓Ud。（2）變流器必須工作在90的區(qū)間(q jin)，使Ud0。 為了保證變流回路中的

7、電流連續(xù)，負載回路應串入大電感。此外，由于半控橋或有續(xù)流二極管的電路不能輸出負電壓，也不允許直流側出現負極性的電動勢，不能實現有源逆變。第三章逆變(n bin)電路3.2 有源逆變電路2.有源逆變的工作原理共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.2 有源逆變(n bin)電路3.2.2 三相半波有源逆變電路共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.2 有源逆變(n bin)電路3.2.2 三相半波有源逆變電路 圖3-6為三相半波電動機負載電路。電動機電動勢EM的極性如圖所示，當EM Ud ，控制角90，即的移相范圍在90180時，可實現有源逆變。逆變電路直流輸出電壓為：Ud=1.17U2co

8、s （3-1） 由于逆變時90所以cos計算不方便，引入逆變角，令=，則上式為 Ud=-1.17U2cos （3-2）共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.2 有源逆變(n bin)電路3.2.2 三相半波有源逆變電路 圖3-6b為=30時，逆變電路的電壓波形。在=30時，給VT1驅動信號，VT1因承受正向電壓EM而導通。電動機提供電能，逆變輸出電壓Ud=UA。電路中開關元件按電源相序，以120間隔依次開通和關斷，得到Ud的波形。其輸出電壓的平均值Ud為負值。因回路中有大電感，id=Id。 圖3-6c為=30時，VT1兩端電壓波形。逆變時，當一個晶閘管導通后，另外兩晶閘管承受反向電壓。VT

9、1導通120,uVT1=0；VT2導通120，VT1關斷，uVT1=uAB；VT3導通120，VT1關斷，uVT1=uAC。晶閘管可能承受的最大反向電壓為 u2共五十三頁3.2.3 三相(sn xin)橋式有源逆變電路第三章逆變(n bin)電路3.2 有源逆變電路 三相橋式整流電路用作有源逆變時，就成為三相橋式有源逆變電路。與三相半波逆變電路一樣，當移相范圍在90180，即移相范圍在900時，電路工作在逆變狀態(tài)，其輸出電壓Ud為負值。 每隔600依次觸發(fā)晶閘管，使晶閘管VT1VT6依次導通，電流連續(xù)時，每個晶閘管導通1200，觸發(fā)脈沖必須是雙窄脈沖或者是寬脈沖。直流側電壓為 Ud=2.34U

10、2cos （3-3）式中，U2為逆變電路輸相如電壓。 共五十三頁3.2.3 三相橋式有源逆變(n bin)電路第三章逆變(n bin)電路3.2 有源逆變電路共五十三頁3.2.4 有源逆變(n bin)最小逆變(n bin)角的限制第三章逆變(n bin)電路3.2 有源逆變電路 由于變壓器漏抗的影響，使電流不能瞬間完成，造成兩相鄰晶閘管換相時，有一小段時間兩個晶閘管同時導通，這段時間所對應的電角度稱為換相重疊角，如圖3-8所示。如果逆變角太小，即時，從圖3-8所示的波形中可清楚看到，在t1時刻觸發(fā)晶閘管VT2換相，由于，在到達自然換相點2后，換相還未結束，此時UA已高于UB，晶閘管VT2承受

11、反向電壓關斷，而應該關斷的VT1仍承受正向電壓繼續(xù)導通，電動勢順向串聯，逆變失敗。共五十三頁3.2.4 有源逆變(n bin)最小逆變(n bin)角的限制第三章逆變(n bin)電路3.2 有源逆變電路 為了防止逆變失敗，逆變角必須限制在某一允許的最小角度內。 最小逆變角min為 +30-50 為了可靠防止進入min區(qū)內，常在觸發(fā)電路中加一套保護線路，以保證控制脈沖不會進入min區(qū)域內，防止逆變失敗。共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.3 無源逆變(n bin)電路 無源逆變是將直流電轉換為負載所需要的不同頻率和電壓值的交流電。無源逆變技術在科研、國防、生產和生活中應用廣泛，如感應加熱

12、、功率超聲應用、電火花加工、列車照明、脈沖電鍍電源、不間斷電源、高頻直流焊機、交流傳動的變頻調速、高頻電子鎮(zhèn)流器、快速充電等等。實現無源逆變的電路稱為無源逆變器。共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.3 無源(w yun)逆變電路3.3.1 無源逆變電路的工作原理共五十三頁 圖3-9a為單相橋式逆變電路示意圖。圖中S1-S4構成橋式電路的四個橋臂，它們由電力電子器件組成，U為直流電源，R是電阻性負載。當從頻率f交臂(jio b)切換開關S1、S4和S2、S3時，在電阻R上可得到如圖3-9b所示的交變電壓波形，其周期T=1/f,這樣就將直流電變換成了交流電U0。改變兩組開關的切換頻率，就可改

13、變輸出交流電U0的頻率；改變輸入直流電源電壓的大小，可改變交流電的幅值。第三章逆變(n bin)電路3.3 無源逆變電路3.3.1 無源逆變電路的工作原理共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.3 無源逆變(n bin)電路3.3.2 無源逆變電路的分類逆變器基本上分為單相與三相兩大類，單相逆變器適應中小功率，三相逆變器適用于中大功率。按特點進行分類。按輸入直流電源特點分類（1）電壓型：輸入直流電源為恒壓源。（2）電流型：輸入直流電源為恒流源。共五十三頁按電路的結構特點分類(fn li)（1）半橋式逆變電路（2）全橋式逆變電路（3）推挽式逆變電路按所用器件的換流方式分類（1）負載換流型逆變電

14、路（2）脈沖換流逆變電路（3）自換流型逆變電路按輸出波形特點分類（1）正弦波逆變器（2）方波及其它非正弦波逆變器第三章逆變(n bin)電路3.3 無源逆變電路3.3.2 無源逆變電路的分類共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.4 負載(fzi)換流式逆變電路 在晶閘管逆變電路中，采用負載換流方式時，要求負載電流略超前于負載電壓，即負載略呈容性。 本節(jié)主要介紹兩種負載換流式逆變電路，串聯式諧振逆變電路和并聯式諧振逆變電路。 諧振式逆變電路是指當負載與電容構成RLC電路且滿足諧振條件時的逆變電路。諧振式逆變電路有電壓型串聯式諧振和電流型并聯式諧振兩種。串聯式諧振逆變電路，其輸出電壓為方波，負

15、載電流波形接近正弦波；并聯式諧振逆變電路輸出電壓接近正弦波，負載電流波形為方波。共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.4 負載(fzi)換流式逆變電路3.4.1 串聯式諧振逆變電路1.電路結構共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.4 負載換流式逆變(n bin)電路3.4.1 串聯式諧振逆變電路2工作原理 串聯式諧振逆變電路電流、電壓的主要波形如圖3-11所示。因為是電壓型逆變電路，其輸出電壓為方波，其中包含基波和各次諧波。工作時，將逆變頻率調諧在負載諧振頻率附近，負載對基波電壓呈現低阻抗，對諧波分量呈現高阻抗，負載流過較大的基波電流，而高次諧波電流可忽略不計，即負載端可獲得正弦的輸出

16、電流。 共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.4 負載換流式逆變(n bin)電路3.4.2 并聯諧振式逆變電路 圖3-12為并聯諧振式逆變電路的原理圖。其直流電源Vc由工頻交流電源經三相可控整流獲得，經過大電感Ld濾波，通過并聯逆變電路將直流電逆變?yōu)橹蓄l交流供給負載，屬于電流型逆變電路。逆變電路有四個橋臂，橋臂分別由一個快速晶閘管和換流電抗器串聯組成。 1電路結構共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.4 負載換流式逆變(n bin)電路3.4.2 并聯諧振式逆變電路2工作原理共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.4 負載(fzi)換流式逆變電路3.4.2 并聯諧振式逆變電路2工作

17、原理 因并聯諧振式逆變電路屬電流型，當逆變橋中上下臂。晶閘管以一定頻率交替觸發(fā)導通時，在負載上產生交變矩形波電流，其中包含基波和各奇次諧波。工作時，晶閘管交替觸發(fā)的頻率與負載回路的諧振頻率相接近，負載電路工作在諧振狀態(tài)，故負載對基波呈現高阻抗，而對各奇次諧波呈現低阻抗。 共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.4 負載換流式逆變(n bin)電路3.4.2 并聯諧振式逆變電路2工作原理 為了保證電路可靠換流，必須在輸出電壓u0過零前tf時刻觸發(fā)VT2、VT3，稱Tf為觸發(fā)引前時間。 tf=tr+Ktq式中，K為大于1的安全系數，一般取2-3。 負載的功率因數角Q由負載電流i0與負載電壓u0來

18、決定 =（tr/2+t ）式中，為電路的工作頻率。共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.5 電壓(diny)型逆變電路3.5.1 單相半橋逆變電路 直流側電源是電壓源的逆變電路為電壓型逆變電路。電壓型逆變電路在交流傳動、不間斷電源、有源無功補償等領域占主導地位。 半橋逆變電路有兩個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯二極管組成。直流側兩個相互串聯大電容的中點作為直流電源的中點，負載連接在直流電源中點和兩個橋臂連接點之間。 共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.5 電壓(diny)型逆變電路3.5.1 單相半橋逆變電路共五十三頁 當VT1或VT2導通時,負載電流和電壓同方向，直流側向

19、負載提供電能；當VD1或VD2導通時，負載電流和電壓反方向，負載中電感的能量向直流側反饋，反饋回的能量暫時儲存在直流側電容器中，電容器起緩沖這種無功能量的作用。 為了防止上、下橋臂的可控器件同時導通引起直流側電源的短路，要先給應關斷的器件關斷信號，然后再給應導通的器件發(fā)出開通(kitng)信號，就是在兩者之間留一個死區(qū)時間。第三章逆變(n bin)電路3.5 電壓型逆變電路3.5.1 單相半橋逆變電路共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.5 電壓(diny)型逆變電路3.5.2 單相全橋逆變電路 電路共有四個橋臂，橋臂VT1和VT4作為一組，橋臂VT2和VT3作為另一組，同一組的兩橋臂同時

20、導通與關斷，兩組橋臂交替各導通180。 共五十三頁U01=22 Ud /=0.9Ud （3-8）第三章逆變(n bin)電路3.5 電壓型逆變(n bin)電路3.5.2 單相全橋逆變電路 單相全橋逆變電路輸出電壓基波分量的幅值U01m和有效值U1分別為U01m=4Ud /=1.27Ud （3-7）共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.5 電壓(diny)型逆變電路3.5.3 三相橋式逆變電路共五十三頁 電路由三個半橋電路組成。電容器在實際中可用一個(y )，但為了分析方便畫成兩個，并有一個(y )假想的中性點N。由于輸入端施加的是直流電壓源，電力晶體管VT1-VT6始終保持正向偏置，VD

21、1-VD6是與VT1-VT6反并聯的二極管，其作用是為感性負載提供續(xù)流回路。同一半橋，上下兩個橋臂以180間隔交替開通和關斷，VT1-VT6以60的相位差依次開通和關斷，所在任一瞬間將有三個橋臂同時導通，在逆變器輸出端形成A、B、C三相電壓。第三章逆變(n bin)電路3.5 電壓型逆變電路3.5.3 三相橋式逆變電路共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.5 電壓(diny)型逆變電路3.5.3 三相橋式逆變電路 設N與N連接，負載為星形連接。在0t/3之間，VT1、VT5和VT6導通。負載電流經VT1和VT5被送到A相和C相繞組，經b相負載和VT6流回電源。在t=/3時刻，VT5的觸發(fā)脈

22、沖下降到零，VT5迅速關斷，由于感性負載電流不能立即改變方向，VD2導通續(xù)流，C相負載失壓為零電位。其他兩相電流通路不變。當VD2中續(xù)流結束時，C相電流反向經VT2流回電源。共五十三頁 UAN1=UAN1m/ =0.45Ud （3-12）第三章逆變(n bin)電路3.5 電壓型逆變(n bin)電路3.5.3 三相橋式逆變電路 UAB1= Ud/=0.78Ud （3-10） 三相橋式逆變電路輸出線電壓UAB的有效值為 UAB=0.816Ud （3-9）其中基波分量有效值UAB1為負載相電壓有效值UAN為 UAN=0.417Ud （3-11）其中基波分量有效值UAN1為共五十三頁 假設負載為阻

23、性負載且三相負載對稱，在0t/3之間，VT1、VT5和VT6導通，逆變橋的等效電路如圖3-20所示。由圖可知，A相和C相負載上電壓為Ud/3，B相負載上電壓為2Ud/3。同理，在/3t2/3之間，A相負載上電壓為2/3Ud，B相和C相負載上電壓為1/3Ud。在2/3t之間，A相和B相負載電壓為1/3Ud，C相負載上電壓為2/3Ud。A相電壓UAN波形如圖3-21所示。B相和C相電壓波形與UAN相似，只是相位(xingwi)依次相差120。第三章逆變(n bin)電路3.5 電壓型逆變電路3.5.3 三相橋式逆變電路共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.5 電壓型逆變(n bin)電路3.5

24、.3 三相橋式逆變電路 為了防止同一相上下橋臂同時導通造成直流側電源短路，在換流時，必須采取“先斷后通”的方法。共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.5 電壓(diny)型逆變電路3.5.3 三相橋式逆變電路共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.5 電壓型逆變(n bin)電路3.5.4 電壓型逆變電路的特點電壓型逆變電路主要有以下特點：（1）由于直流電壓源的恒壓作用，交流側電壓為矩形波，并且與負載阻抗角無關，而交流側輸出的電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。（2）當交流側為電感性負載時，逆變橋臂都并聯有反饋二極管，為電感向直流側反饋能量提供通路。（3）直流側為電壓源，直流回路呈

25、現低阻抗。共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.6 電流型逆變(n bin)電路直流側為電流源的逆變電路為電流型逆變電路。 3.6.1 電流型單相橋式逆變電路共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.6 電流(dinli)型逆變電路3.6.1 電流型單相橋式逆變電路 當V1、V4導通，V2、V3關斷時，I0=Id；當V2、V3導通時，V1、V4關斷時，I0=-Id。當圖中V1、V4和V2、V3以頻率f輪流導通時，在負載即可得到如圖3-22（b）所示的電流波形。因是電流型逆變電路，所以輸出電流的波形不變，接近于矩形波，而輸出電壓波形由負載性質決定。電路中串接二極管，防止電流反向流動。共五十三

26、頁負載電流i0為矩形波，展開成傅里葉級數(j sh)，有i0=4Id/（sint+1/3sin3t+1/5sin5t+）其中基波分量（的有效值為）的幅值為： I01m=4Id/=1.27Id （3-13）基波(j b)分量的有效值為： I01=4Id/ =0.9Id （3-14） 第三章逆變電路3.6 電流型逆變電路3.6.1 電流型單相橋式逆變電路共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.6 電流(dinli)型逆變電路3.6.2 電流型三相橋式逆變電路 電流型三相橋式逆變電路的基本工作方式是120導通方式，每個開關元件導通為120，V1-V6依次以間隔60導通。任何時候只有兩個橋臂導通，不會發(fā)生同一橋臂兩元件直通現象，換流時，是在上橋臂組或下橋臂組內依次換流。共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.6 電流(dinli)型逆變電路3.6.2 電流型三相橋式逆變電路 輸出電流基波分量的有效值I1和直流電流Id的關系為I1= /Id=0.78Id （3-15） 共五十三頁第三章逆變(n bin)電路3.6.3 電流(dinli)型逆變電路的特點3.6 電流型逆變電路（1）電路中開關器件起改變直流電流流通路徑的作用，故交流側電流為矩形波，與負載性質無關。交流側輸出電壓波形及相位與負載阻抗