电力电子技术第3章直流-交流变换电路课件.ppt

1、第3章 直流-交流变换电路3.1 逆变的概念 逆变电路逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。把直流电逆变成交流电的电路。按负载性质的不同，逆变分为有源逆变和无源逆变。按负载性质的不同，逆变分为有源逆变和无源逆变。1）有源逆变）有源逆变把逆变电路的输出接到交流电源上，把逆变电路的输出接到交流电源上，把经逆变得到的与交流电源同频率的交流电能返送到把经逆变得到的与交流电源同频率的交流电能返送到该电源中，这样的逆变称作有源逆变该电源中，这样的逆变称作有源逆变。2）无源逆变或变频）无源逆变或变频把直流电变换为交流电能，把直流电变换为交流电能，直接向非电源负载供电的电路，称为无源逆变电路直接向非电源负载供电

2、的电路，称为无源逆变电路。3.1.13.1.1 逆变电路的基本类型逆变电路可按下列几种方法进行分类：1、按逆变输出去向分、按逆变输出去向分有源逆变：输出交流电给交流电网的逆变电路。无源逆变：输出交流电直接给负载的逆变电路。2、按组成电路的电力电子器件分、按组成电路的电力电子器件分半控型逆变电路：由晶闸管等半控型器件组成的逆变电路。全控型逆变电路：由全控型器件GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT等组成的逆变电路。3 3、按直流电源的性质分、按直流电源的性质分电压型逆变电路：直流侧并联大电容，使直流电源近似为恒压源的逆变电路。电流型逆变电路：直流侧串联大电感，使直流电源近似为恒流源的逆变电路

3、。4 4、按逆变电路输出端相数分、按逆变电路输出端相数分分为单相、三相和多相逆变电路。实际的逆变装置往往涉及到上述多个分类：如：三相电压型无源逆变电路就涉及了1、3、4三个分类。3.1.23.1.2 逆变电路中的换流方式 电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流。逆变电路中有下列几种换流方式：1、电网电压换流、电网电压换流利用电网的电压反向施加在欲关断的晶闸管上使其关断的换流方式称为电网电压换流。这种换流不需要全控型器件，也无需附加换流电路，但不适用于没有交流电网的电路。2、器件换流、器件换流采用IGBT、P-MOSFET、GTO、GTR等全控型器件，利用全控型器件的自关断能力进行换流。3

4、 3、强迫换流设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向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存储的能量来实现。强迫换流可使输出频率不受电源频率的限制，但需附加换流电路，同时还要增加晶闸管的电压、电流定额，对晶闸管的动态特性要求也高。（1）直接耦合式强迫换流：由换流电路内的电容直接提供换流电压的方式称为直接耦合式强迫换流。其原理如图3-1所示。图图3-1 直接耦合式强迫换流原理图直接耦合式强迫换流原理图（2）电感耦合式强迫换流：如通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压和换流电流，则称为电感耦合式强迫换流，其原理如图3-2所示。(a)前半周期关断电感耦合电

5、路前半周期关断电感耦合电路 (b)后半周期关断电感耦合电路后半周期关断电感耦合电路 图图3-2 电感耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流原理图图3-2(a)中，晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断。过程：接通S后，LC振荡电流反向流过VT，与VT的负载电流相减，直到流过VT的合成电流减至零后再流过VD。VD上的管压降就是施加在VT上的反向电压。图3-2(b)中，晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断。过程：接通S后，LC振荡电流先正向流过VT并和VT中原有负载电流叠加，经半个振荡周期后，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VD。在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极

6、管开始流过电流时关断，二极管上的管压降就是施加在晶闸管上的反向电压。这种先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管压降施加反向电压的换流方式又称为电流换流。4 4、负载换流 由负载提供换流电压的方式称为负载换流。凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，例如电容性负载，均可实现负载换流。图3-3为负载换流方式的并联谐振式逆变电路。负载为阻-感串联后和电容并联，附加电容的目的是使整个负载工作在接近并联谐振而略呈容性的状态。电路的工作波形如图3-3(b)所示。直流侧串入大电感使直流输出电流平直，4个桥臂开关的切换仅使电流流通路径改变，所以负载电流基本呈矩形波。因为负载工作在对基波电流接近并联谐振的状

7、态，故对基波的阻抗很大而对谐波的阻抗很小，因此负载电压u0波形接近正弦波。a)电路原理图 b)工作波形图3-3 采用负载换流方式的并联谐振式逆变电路及其工作波形 在t1前，VT1、VT4导通，VT2、VT3关断，u0、i0均为正。此时VT2、VT3承受正压；在t1时触发VT2、VT3使其开通，负载电压u0通过VT2、VT3分别反向加在VT1、VT4上，使其关断，负载电流就从VT1、VT4分别转移到VT2、VT3上。触发VT2、VT3的t1时，必须在u0过零前并留有足够的裕量，才能使应阻断的元件被旋加足够的反压时间，使其可靠关断，保证换流顺利完成，实现换相。从VT2、VT3向VT1、VT4换相的

8、过程和上述情况类似。上述4种换流方式中，器件换流适用于全控型器件。其余3种方式主要是针对晶闸管而言，都是借助于外部手段而实现换流的，这样的电路称为强迫换流电路。3.2 3.2 电网电压换流式有源逆变电路3.2.1 单相双半波有源逆变电路1、电路结构、电路结构 图图3-4 2、工作原理、工作原理1）整流状态（）整流状态（090）当当等于零时，输出电压瞬时值等于零时，输出电压瞬时值ud在整个周期内全在整个周期内全部为正；当部为正；当900时，时，ud在整个周期内有正有在整个周期内有正有负，但正面积总是大于负面积，故平均值负，但正面积总是大于负面积，故平均值Ud为正为正值，其极性是上正下负，如上图值

9、，其极性是上正下负，如上图a。通常。通常Ud略大于略大于E，此时电流，此时电流Id从从Ud的正端流出，从的正端流出，从E的正端流进。的正端流进。电机电机M吸收电能，作电动运行，电路把从交流电吸收电能，作电动运行，电路把从交流电网吸收的电能转变成直流电能输送给电动机，电网吸收的电能转变成直流电能输送给电动机，电路工作在整流状态，电机路工作在整流状态，电机M工作在电动状态工作在电动状态。2）逆变状态（）逆变状态（90180）逆变是将电机吸收的直流电能转变成交流反馈回电网。逆变是将电机吸收的直流电能转变成交流反馈回电网。由于晶闸管的单向导电性，负载电流由于晶闸管的单向导电性，负载电流I Id d不能

10、改变方向，只不能改变方向，只有将有将E E反向，即电机作发电运行才能回馈电能；为避免反向，即电机作发电运行才能回馈电能；为避免U Ud d与与E E顺接，此时将顺接，此时将U Ud d的极性也反过来，如上图的极性也反过来，如上图b b示。要使示。要使U Ud d反向，反向，应该大于应该大于9090。当当在在9090180180间变动时，输出电压瞬时值间变动时，输出电压瞬时值u ud d在整在整个周期内有正有负，但负面积大于正面积，故平均值个周期内有正有负，但负面积大于正面积，故平均值U Ud d为为负值，见上图负值，见上图b b所示。此时所示。此时E E略大于略大于U Ud d，电流，电流I

11、Id d的流向是从的流向是从E E的正端流出，从的正端流出，从U Ud d的正端流入，逆变电路吸收从电机反送的正端流入，逆变电路吸收从电机反送来的直流电能，并将其转变成交流电能反馈回电网，这就来的直流电能，并将其转变成交流电能反馈回电网，这就是该电路的有源逆变状态。是该电路的有源逆变状态。（a）=60的整流状态的整流状态 （b）=120的逆变状态的逆变状态单相双半波电路单相双半波电路=60的整流和的整流和=120的逆变时的仿真波形的逆变时的仿真波形要使整流电路工作在逆变状态，须满足要使整流电路工作在逆变状态，须满足两个条件：两个条件：1 1）变流器的输出）变流器的输出U Ud d能够改变极性能

12、够改变极性（内部条件）。（内部条件）。由于晶闸管的单向导电性，电流由于晶闸管的单向导电性，电流I Id d不能改变方向，不能改变方向，为实现有源逆变，须改变为实现有源逆变，须改变U Ud d的极性。即让变流器的的极性。即让变流器的控制角控制角9090即可。即可。2 2）须有外接的提供直流电能的电源）须有外接的提供直流电能的电源E E。E E也要能改也要能改变极性，且有变极性，且有 （外部条件）。（外部条件）。3、逆变角、逆变角逆变时的控制角称为逆变角逆变时的控制角称为逆变角，规定以规定以=处作处作为计量为计量角的起点，大小由计量起点向左计算。满角的起点，大小由计量起点向左计算。满足如下关系：足

13、如下关系：dUE 3.2.2 逆变失败与最小逆变角的限制1、逆变失败、逆变失败可控整流电路运行在逆变状态时，一旦发生换相可控整流电路运行在逆变状态时，一旦发生换相失败，电路又重新工作在整流状态，外接的直流失败，电路又重新工作在整流状态，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，使变流器的电源就会通过晶闸管电路形成短路，使变流器的输出平均电压输出平均电压U Ud d和直流电动势和直流电动势E E变成顺向串联，由变成顺向串联，由于变流电路的内阻很小，将出现很大的短路电流于变流电路的内阻很小，将出现很大的短路电流流过晶闸管和负载，这种情况称为逆变失败，或流过晶闸管和负载，这种情况称为逆变失败，或称为

14、逆变颠覆。称为逆变颠覆。造成逆变失败的原因造成逆变失败的原因：（1 1）触发电路工作不可靠触发电路工作不可靠。不能适时、准确地给各。不能适时、准确地给各晶闸管分配触发脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等。晶闸管分配触发脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等。（2）晶闸管发生故障晶闸管发生故障。器件失去阻断能力，或器件。器件失去阻断能力，或器件不能导通。不能导通。（3）交流电源异常交流电源异常。在逆变工作时，电源发生缺相。在逆变工作时，电源发生缺相或突然消失而造成逆变失败。或突然消失而造成逆变失败。（4）换相裕量角不足，引起换相失败换相裕量角不足，引起换相失败。应考虑变压。应考虑变压器漏抗引起的换相重叠角、晶闸管

15、关断时间等因器漏抗引起的换相重叠角、晶闸管关断时间等因素的影响。素的影响。交流侧电抗对逆变换相过程的影响图图3-5 2、最小逆变角最小逆变角确定的方法确定的方法 最小逆变角最小逆变角的大小要考虑以下因素：的大小要考虑以下因素：1）换相重叠角）换相重叠角。此值与电路形式、工作电流大小、触发角。此值与电路形式、工作电流大小、触发角大小有关。即大小有关。即 根据根据=-，设，设=，则则：2）晶闸管关断时间）晶闸管关断时间 tq 所对应的电角度所对应的电角度。折算后的电角度。折算后的电角度约约4度度5度；度；mUXIsin2)cos(cos2BdmUXIsin21cos2Bd 3）安全裕量角）安全裕量

16、角。考虑到脉冲调整时不对称、电网波。考虑到脉冲调整时不对称、电网波动、畸变与温度等影响，还必须留一个安全裕量角，一动、畸变与温度等影响，还必须留一个安全裕量角，一般取般取为为10度左右。度左右。综上所述，最小逆变角为：综上所述，最小逆变角为：为了可靠防止为了可靠防止进入进入min区内，在要求较高的场合，可区内，在要求较高的场合，可在触发电路中加一套保护线路，使在触发电路中加一套保护线路，使在减小时不能进入在减小时不能进入min区内，或在区内，或在min处设置产生附加安全脉冲的装置，处设置产生附加安全脉冲的装置，万一当工作脉冲进入万一当工作脉冲进入min区内时，由安全脉冲在区内时，由安全脉冲在m

17、in处处触发晶闸管，防止逆变失败。触发晶闸管，防止逆变失败。00min35303.2.3 3.2.3 有源逆变的应用两组晶闸管反并联时电动机的可逆运行下图为两组晶闸管反并联电路的框图。设下图为两组晶闸管反并联电路的框图。设P P为正组，为正组，N N为反组，为反组，电路有四种工作状态。电路有四种工作状态。（1）正组整流）正组整流上左图为正组整流工作状态。设上左图为正组整流工作状态。设P在控制角在控制角作用下输出整作用下输出整流电压流电压Ud，加于电动机，加于电动机M使其正转。当使其正转。当P组处于整流工作组处于整流工作状态时，反组状态时，反组N不能也工作在整流状态，否则会使电流不能也工作在整流

18、状态，否则会使电流Id1不经过负载不经过负载M，而只在两组晶闸管之间流通，这种电流称，而只在两组晶闸管之间流通，这种电流称为环流，环流实质上是两组晶闸管电源之间的短路电流。为环流，环流实质上是两组晶闸管电源之间的短路电流。因此，当正组整流时，反组应关断或处于待逆变状态。所因此，当正组整流时，反组应关断或处于待逆变状态。所谓待逆变，就是谓待逆变，就是N组由逆变角组由逆变角控制处于逆变状态但无逆变控制处于逆变状态但无逆变电流。要做到这一点，可使电流。要做到这一点，可使 。这样，正组。这样，正组P的平的平均 电 流 供 电 动 机 正 转，反 组均 电 流 供 电 动 机 正 转，反 组 N处 于

19、待 逆 变 状 态。由处 于 待 逆 变 状 态。由于于 ，故没有平均电流流过反组，不产生真正的，故没有平均电流流过反组，不产生真正的逆变逆变。ddUUddUU（2 2）反组逆变）反组逆变当要求正向制动时，流过电动机当要求正向制动时，流过电动机M M的电流的电流I Id d必须反向才能必须反向才能得到制动力矩，由于晶闸管的单向导电性，这只有利用反得到制动力矩，由于晶闸管的单向导电性，这只有利用反组组 N N 的 逆 变。为 此，只 要 降 低的 逆 变。为 此，只 要 降 低 且且使使 ，则，则N N组产生逆变，流过组产生逆变，流过电流电流I Id2d2，电机电流，电机电流I Id d反向，反

20、组有源逆变将电势能反向，反组有源逆变将电势能E E通过通过反组反组N N送回电网，实现回馈制动。送回电网，实现回馈制动。（3 3）反组整流）反组整流N N组整流，使电动机反转，其过程与正组整流类似。组整流，使电动机反转，其过程与正组整流类似。（4 4）正组逆变）正组逆变P P组逆变，产生反向制动转矩，其过程与组反逆变类似。组逆变，产生反向制动转矩，其过程与组反逆变类似。dU)(ddUUE3.3 器件换流式无器件换流式无源逆变（变频）电路源逆变（变频）电路 与有源逆变相比，无源逆变把变换后的交流电供给无源负载使用。当用晶闸管等半控型电力电子器件构成无源逆变器且带感性负载时，不能借助电网电压实现换

21、流，而必须另设强迫换流电路来实现换流。当用全控型器件构成逆变器主电路则相对简单得多，可采用器件换流方式。采用不同的全控型电力电子器件时（如P-MOSFET、GTR、GTO、IGBT等），其主电路结构没有原则差别，差别主要在于门极(栅极)控制电路的不同。3.3.1 电压型和电流型无源逆变电路 交-直-交变频器是把工频交流电先通过整流器整成直流，然后再通过无源逆变器，把直流电逆变成频率可调的交流电。根据交-直-交变压变频器的中间滤波环节是采用电容性元件或是电感性元件，可以将交-直-交变频器分为电压型变频器和电流型变频器两大类。逆变器dCdU+-（a）逆变器dUdIdL+-(b)逆变器dCdU+-（

22、a）逆变器dUdIdL+-(b)图3-7 电压型逆变电路 图3-8 电流型逆变电路图图3-7 电压型逆变电路电压型逆变电路 图图3-8 电流型逆变电路电流型逆变电路 当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，相当于恒压源。输出交流电压是矩形或阶梯波，这类变频装置叫做电压型变频器。图3-7所示为电压型交-直-交变频器的逆变电路部分，输入整流部分没有画出来。当中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，相当于恒流源。输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流型变频器，见图3-8所示。3.3.2 器件换流式电压型无源逆变电路1、单相半桥逆变电路单相半桥逆变电路 图图3-9

23、2、单相全桥逆变电路、单相全桥逆变电路 图图3-103、三相桥式逆变电路、三相桥式逆变电路（1 1）电路组成）电路组成电压型三相桥式逆变电路如下图所示。电压型三相桥式逆变电路如下图所示。三相桥式逆变电路：三相桥式逆变电路：180导电型交导电型交-直直-交电压型交电压型 120导电型交导电型交-直直-交电流型交电流型图图3-11（2 2）开关元件的导通规则及输出波形分析（180电压型）电压型）开关开关/区间区间0060012001800240030003600VT1导通导通导通导通导通导通VT2导通导通导通导通导通导通VT3导通导通导通导通导通导通VT4导通导通导通导通导通导通VT5导通导通导通

24、导通导通导通VT6导通导通导通导通导通导通 （3 3）每个每个60区间内的负载等效电路区间内的负载等效电路 图图3-12dUWdVWUVdVdVWUWUUUUUZZZZUUUZZZZZUU3132/31/000dU00000000UWWUdWVVWdVUUVUUUUUUUUUUU（5 5）输出线电压）输出线电压（4 4）输出相电压）输出相电压（6）60120区间的相、线电压值区间的相、线电压值 dWdVdUUUUUUU313132000dWUVWdUVUUUUU0（7）逆变器相电压和线电压计算值）逆变器相电压和线电压计算值（180电压型）电压型）（8）180逆变器输出的相电压、线电压波形逆变器

25、输出的相电压、线电压波形图图3-13（9）相、线电压波形的有效值）相、线电压波形的有效值plddUVWUVWUVldddddddUoWVUpUUUtdUtduUUUUUUUUtdUtdUtdUtduUUUU332222132)31()32()31(22 )31()32()31(22 21320220222232323232230202000（10）180导电型逆变器工作规律总结导电型逆变器工作规律总结 每个脉冲间隔每个脉冲间隔6060区间内有区间内有3 3个开关导通，它们分属于个开关导通，它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。逆变桥的共阴极组和共阳极组。在在3 3个导通元件中，若属于同一组的有

26、个导通元件中，若属于同一组的有2 2个元件，则元个元件，则元件所对应相的相电压为件所对应相的相电压为 ，另，另1 1个元件所对应相个元件所对应相的相电压为的相电压为 。共阳极组元件所对应相的相电压为正，共阴极组元件所共阳极组元件所对应相的相电压为正，共阴极组元件所对应相的相电压为负。对应相的相电压为负。三个相电压相位互差三个相电压相位互差120120；相电压之和为；相电压之和为0 0。线电压等于相电压之差；三个线电压相位互差线电压等于相电压之差；三个线电压相位互差120120；线电压之和为线电压之和为0 0。线电压为线电压为 倍相电压。倍相电压。dU31dU3233.3.3 3.3.3 器件换

27、流式电流型无源逆变电路1 1、单相电流型逆变电路、单相电流型逆变电路（1 1）电路组成）电路组成由全控器件组成的单相电流型桥式逆变电路如图3-14(a)所示。逆变电路直流侧串联了一个大电感，可近似看成直流恒流源。(a)单相电流型桥式逆变电路单相电流型桥式逆变电路 (b)电流波形电流波形图图3-14 单相电流型桥式逆变电路单相电流型桥式逆变电路（2 2）工作原理（1）当当VTl、VT4导通，导通，VT2、VT3关断时，关断时，I0=Id。（2）反之反之I0=-Id。（3）当以频率当以频率f交替切换开关管交替切换开关管VTl、VT4和和VT2、VT3时，时，则可在负载上获得如图则可在负载上获得如图

28、3-14(b)所示的电流波形。所示的电流波形。电流型逆变电路的主要特点如下：（1 1）直流侧为电流源（串大电感），）直流侧为电流源（串大电感），直流直流电流基本无脉动。电流基本无脉动。（2 2）开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此）开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，同时与负载的性质无关。交流侧输出电流为矩形波，同时与负载的性质无关。（3 3）主电路开关元件采用自关断器件时，其反向不能承受）主电路开关元件采用自关断器件时，其反向不能承受高电压，则需在各开关器件支路串入二极管。高电压，则需在各开关器件支路串入二极管。2 2、三三相电流型逆变电路相电流型

29、逆变电路180导电型的电压型逆变器中，开关元件的换流是在同一相中进行的。换流时，若应该关断的开关元件没能及时关断，它就会和换流后同一相上的元件形成通路，使直流电源发生短路，带来换流安全问题；为此，引入120导电型的电流型逆变器，该逆变器开关元件的换流是在同一组中进行的，不存在电源短路问题。（1 1）电路组成）电路组成电路如图3-15所示，1200导电方式，任意瞬间只有两个桥臂导通，导通顺序为VT1VT2VT3VT4 VT5VT6，依次间隔600，每个桥臂导通1200。每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。输出电流波形也与负载性质无关，输出电压波形由负载性质决定。图图3-15 三相全控型

30、器件电流型逆变电路及输出电流波形三相全控型器件电流型逆变电路及输出电流波形（2）晶闸管的导通情况（）晶闸管的导通情况（120电流型）电流型）晶闸管晶闸管 区间区间0060012001800240030003600VT1导通导通导通导通VT2导通导通导通导通VT3导通导通导通导通VT4导通导通导通导通VT5导通导通导通导通VT6导通导通导通导通（3）每个）每个60区间内的负载等效电路区间内的负载等效电路 图图3-16（4）逆变器相电流计算值（逆变器相电流计算值（120电流型）电流型）相、线相、线电电 压压 区区 间间0060012001800240030003600IUNIdId0-Id-Id0

31、IVN-Id0IdId0-IdIWN0-Id-Id0IdId（5）120导电型逆变器输出的相电流波导电型逆变器输出的相电流波 图图3-17（6）120导电型导电规律总结导电型导电规律总结 每个脉冲触发间隔每个脉冲触发间隔60内，有内，有2个晶闸管元件个晶闸管元件导通，它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。导通，它们分属于逆变桥的共阴极组和共阳极组。在在2个导通元件中，每个元件所对应相的相电流个导通元件中，每个元件所对应相的相电流为为Id。而不导通元件所对应相的电流为。而不导通元件所对应相的电流为0。共阳极组中元件所通过的相电流为正，共阴极组共阳极组中元件所通过的相电流为正，共阴极组元件所通过的

32、相电流为负。元件所通过的相电流为负。每个脉冲间隔每个脉冲间隔60内的相电流之和为内的相电流之和为0。3.4 3.4 强迫换流式无源逆变电路 3.4.1 180 3.4.1 1800 0导电型的晶闸管交-直-交电压型变频器6个晶闸管按一定的规则通断，将个晶闸管按一定的规则通断，将Cd送来的直流电压送来的直流电压Ud逆变成逆变成频率可调的交流电。调压靠前级的可控整流电路完成频率可调的交流电。调压靠前级的可控整流电路完成。1、主电路组成、主电路组成图图3-18主主电路电路=整流器整流器+滤波电容滤波电容+晶闸管逆变器晶闸管逆变器整流器整流器：单相或三相整流电路。：单相或三相整流电路。滤波电容滤波电容

33、：Cd。逆变器：逆变器：VT1VT6主晶闸管；主晶闸管；VD1VD6 续流二极续流二极 管；管；RU、RV、RW为衰减电阻；为衰减电阻；L1L6为为 换流电感；换流电感；C1C6为换流电容；为换流电容；ZU、ZV、ZW三相对称负载。三相对称负载。2 2、晶闸管导通规、晶闸管导通规则则逆变器一个周期中：逆变器一个周期中：（1）6个晶闸管的导通顺序为：个晶闸管的导通顺序为：VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1，则，则各晶闸管的触发间隔为各晶闸管的触发间隔为60。（2）每组晶闸管触发间隔为）每组晶闸管触发间隔为120。每相晶闸管触。每相晶闸管触发间隔为发间隔为180。（3）按顺序，晶闸管触发间

34、隔为）按顺序，晶闸管触发间隔为60，每个晶闸，每个晶闸管维持导通管维持导通180后关断后关断(180导电型导电型)。3 3、晶闸管换流过程（略）、晶闸管换流过程（略）3.4.2 1203.4.2 1200 0导电型的晶闸管交-直-交电流型变频器1 1、主电路的组成、主电路的组成w输入端可控整流，滤波电感输入端可控整流，滤波电感L将输出强制变成直流将输出强制变成直流电流电流Id。逆变器没有调压功能，只将。逆变器没有调压功能，只将6个晶闸管按一个晶闸管按一定的规则通断，将电感定的规则通断，将电感L送来的恒流送来的恒流Id逆变成频率可逆变成频率可调的交流电。调的交流电。w负载电动机采用简化等效电路作

35、出。以e1U、e1V、e1W分别表示各相基波电流感应电动势，LlU、LlV、LlW表示各相漏电感，则图图3-20主电路主电路=整流器整流器+滤波电感滤波电感+晶闸管逆变器晶闸管逆变器整流器整流器：单相或三相整流电路。：单相或三相整流电路。滤波电感滤波电感：Ld。逆变器：逆变器：VT1VT6主晶闸管；主晶闸管；VD1VD6 隔离二极隔离二极 管；管；C13、C35、C51、C46、C62、C24 为换流电容；电动机的电感和换流电容组为换流电容；电动机的电感和换流电容组 成换流电路。成换流电路。2、晶闸管导通规则、晶闸管导通规则 1）逆变器中）逆变器中6个晶闸管的导通顺序为：个晶闸管的导通顺序为：

36、VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1，各，各晶闸管的触发间隔为晶闸管的触发间隔为60。2）每个晶闸管导通）每个晶闸管导通120电角度后被关断，由同电角度后被关断，由同一组的另一个晶闸管换流导通。一组的另一个晶闸管换流导通。3）按照每个晶闸管触发间隔为）按照每个晶闸管触发间隔为60，触发导通，触发导通后维持后维持120才被关断的特征才被关断的特征(120导电型导电型)。3 3、晶闸管换流过程（略）、晶闸管换流过程（略）3.5 3.5 负载换流式无源逆变电路3.5.1 3.5.1 并联谐振式电流型逆变电路1 1、电路组成、电路组成主电路结构如图3-22，该电路组成具有以下特点：（1）电路的换

37、流方式为负载换流，开关器件采用晶闸管。为实现负载换流，要求负载电流的相位略超前于负载电压。（2）因是电流型逆变器，故交流输出电流波形为矩形波。（3）并联谐振负载阻抗值随频率不同而变化，其幅频特性如图3-23所示。谐振负载对外加矩形波电流的基波（频率约为f0）呈高阻抗，对高次谐波呈低阻抗，负载两端主要是基波电压，非常接近正弦波。（4）为使负载呈电容性，工作频率应略高于谐振频率。电路由4个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串一个电抗器LVT，LVT间不存在互感。LVT用来限制晶闸管开通时的di/dt，使桥臂1、4和桥臂2、3以10002500Hz的中频轮流导通，由此在负载上得到中频交流电。图图3-22

38、单相桥式并联谐振式逆变电路单相桥式并联谐振式逆变电路 图图3-23 并联谐振负载幅频特性并联谐振负载幅频特性2 2、工作原理（1 1）不考虑换流时并联谐振逆变器的理想工作过程在图3-22中，假设晶闸管的换流是理想的，不存在换流过程。各晶闸管的触发脉冲如图3-24(a)所示，在i0的正半周，桥臂1、4导通；在i0的负半周，桥臂2、3同时导通，两对桥臂交替导通，各导通1800。负载上流过的是正负交替的矩形波，其幅值为Id。由于逆变电路的工作频率略大于谐振频率，负载呈电容性，所以负载两端的电压波形近似为正弦波，并且滞后于电流的相位一定角度。图图3-24(a)理想工作波形理想工作波形2 2、工作原理（

39、2 2）考虑换流时并联谐振逆变器的工作过程 在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。1）t1t2间为晶闸管VTl和VT4稳定导通阶段，负载电流I0=Id，为恒值。t2时刻之前在电容C上建立了左正右负的电压，VT2和VT3承受正压。图图3-24(b)考虑换流过程时并联谐振逆变器的工作波形考虑换流过程时并联谐振逆变器的工作波形2）在t2时刻触发晶闸管VT2、VT3导通，电路换流。负载两端电压施加到VTl、VT4两端，使其承受反压。因每个晶闸管都串有换相电抗器LVT，故VTl和VT4在t2时刻不能立刻关断，VT2和VT3中的电流也不能立刻增大到稳定值。此时，4个晶闸管都导通。负载电

40、容电压经两个并联回路同时放电。其中一个回路是：CLVT1VT1VT3LVT3C；另一个回路是：CLVT2VT2 VT4LVT4C，如图3-21中虚线所示。在这个过程中，VTl和VT4的电流逐渐减小，VT2、VT3的电流逐渐增大。在这一换流期间，由于时间短和大电感Ld的恒流作用，电源不会短路。3）t4时刻，VTl、VT4的电流减至零而关断，VT2、VT3的电流增到Id。VTl、VT4的电流转移到VT2、VT3，换流结束。3.5.2 3.5.2 串联谐振式电压型逆变电路1 1、电路组成、电路组成主电路结构如图3-25，该电路组成具有以下特点：1）由于直流侧为电压源，故逆变器输出电压u0为矩形波，与

41、负载大小、性质无关。2）因负载为RLC串联，在谐振频率f0附近呈低阻抗，因此u0的基波电压在负载上会产生很大的基波电流；而在其它频率时负载呈高阻抗，u0的谐波电压产生的谐波电流很小甚至可以忽略。所以在f0附近时，负载中的电流是较理想的正弦波。3）采用负载换流方式，电路结构简单，效率也较高。4）调节电路的工作频率就可改变电路的输出功率，直流端可以采用不可控整流，电路简单。图图3-25 串联串联谐振式逆变电路谐振式逆变电路 图图3-26 串联谐振式逆变电路的波形串联谐振式逆变电路的波形 2、工作原理、工作原理 串联谐振式逆变电路工作波形如图3-26所示。设晶闸管VT1、VT4导通，电流从A流向B，

42、u0左正右负。因电流超前电压，当t=t1时电流为零。当tt1时电流反向。由于VT2、VT3未导通，反向电流通过VDl、VD4续流，VTl、VT4承受反压关断。当t=t2时，触发VT2、VT3，负载两端电压极性反向，即左负右正，VDl、VD4截止，电流从VT2、VT3中流过。当tt3时，电流再次反向，电流通过VD2、VD3续流，VT2、VT3承受反压关断。当t=t4时，再触发VT2、VT3。3.6 3.6 多重逆变电路和多电平逆变电路 3.6.1 3.6.1 多重逆变电路1、串联二重单相电压型逆变电路 3-27 二重单相逆变电路二重单相逆变电路 图图3-28 二重逆变电路的工作波形二重逆变电路的

43、工作波形2 2、串联二重三相电压型逆变电路 (a)逆变电路逆变电路 (b)基波电压合成相量图基波电压合成相量图 (c)逆变电路波形图逆变电路波形图图图3-29 串联二重三相电压型逆变电路原理、相量图和工作波形串联二重三相电压型逆变电路原理、相量图和工作波形 u1和u2都是导通1800的矩形波，包含所有奇次谐波。如图3-28所示。把两个逆变电路导通的相位错开=600，则对u1和u2中的3次谐波来说，它们就错开了1800。通过变压器串联合成后，两者中所含3次谐波互相抵消，所得到的总输出电压中就不含3 次谐波。从图3-28可看出，u0的波形是导通1200的矩形波，和三相桥式1800导电方式逆变电路下

44、的线电压输出波形相同。其中只含6kl次谐波，3k次谐波都被抵消了。把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。3.6.2 3.6.2 多电平逆变电路 图3-30 三电平逆变电路每每个个桥臂由两个全控器件串联构成，桥臂由两个全控器件串联构成，每每个器件反并了二极个器件反并了二极管。两个串联器件的中点通过钳位二极管和直流侧电容的中管。两个串联器件的中点通过钳位二极管和直流侧电容的中点相连接。例如，点相连接。例如，U相的上下两桥臂分别通过钳位二极管相的上下两桥臂分别通过钳位二极管VDl和和VD4与与O+点相连接。点相连接。以U相

45、为例，当VT11和VT12(或VDl1和VD12)导通，VT4l和VT42关断时，U点和O+点间电位差为Ud/2；当VT41和VT42(或VD4l和VD42)导通，VT11和VT12关断时，U和O+间电位差为-Ud/2；当VT12和VT4l导通，VT11和VT42关断时，U和O+间电位差为0。实际上在最后一种情况下，VT12和VT4l不可能同时导通，哪一个导通取决于负载电流iU的方向。按图3-30所规定的方向，iU0时，VT12和钳位二极管VDl导通；iU0时，VT41和钳位二极管VD4导通。即通过钳位二极管VDl或VD4的导通把U点电位钳位在O+点电位上。通过相电压之间的相减可得到线电压。两

46、电平逆变电路的输出线电压共有Ud和0三种电平，而三电平逆变电路的输出线电压则有Ud、Ud/2和0五种电平。3.7 正弦波脉宽调制(SPWM)逆变技术脉宽调制（脉宽调制（PWM）技术）技术利用全控型器件的导通和关断，把直流电利用全控型器件的导通和关断，把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频并消除谐波的技术。压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频并消除谐波的技术。正弦正弦PWM（SPWM）输出的电压或电流波形接近于正弦波形。输出的电压或电流波形接近于正弦波形。SPWM可分为可分为电压电压SPWM、电流、电流SPWM和磁通和磁通SPWM等，其中电等，其中电压压SPWM和电流和电流

47、SPWM是从电源角度出发的是从电源角度出发的SPWM，磁通，磁通SPWM（电（电压空间矢量压空间矢量PWM）是从电机角度出发的）是从电机角度出发的SPWM方法。方法。PWM型变频器的主要特点是：型变频器的主要特点是：1）主电路只有一个可控功率环节，开关元件少，控制线路结构简单；）主电路只有一个可控功率环节，开关元件少，控制线路结构简单；2）整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变器输出电压无关，）整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变器输出电压无关，基本上接近于基本上接近于1；3）VVVF在同一环节实现，与中间储能元件无关，动态响应快；在同一环节实现，与中间储能元件无关，动态响应快；

48、4）通过对）通过对PWM控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次谐波，实现控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次谐波，实现接近正弦形的输出交流电压波形。接近正弦形的输出交流电压波形。3.7.1 3.7.1 电压正弦脉宽调制的工作原理1、电压正弦脉宽调制原理、电压正弦脉宽调制原理（1）正弦脉宽调制原理）正弦脉宽调制原理 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM）波）波是与正弦波等效的一系列等是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波，如下图幅不等宽的矩形脉冲波，如下图a所示。所示。等效的原则等效的原则是每一区间的面积相等。是每一区间的面积相等。也就是把一个正弦半波分作也就是把一个正弦半波分作n等分，

49、然后把每一等分正等分，然后把每一等分正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与之面积相等的矩形弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与之面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合，见图波每一等分的中点相重合，见图b。由由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周波形等效，称作半周波形等效，称作SPWM波形。波形。电压正弦波脉宽调制(SPWM)波形 图图3-31（2）SPWM变压变频器主电路原理图变压变频器主电路原理图 图图3-32 SPWM变压变频器主电路原

50、理图变压变频器主电路原理图（3）单极式）单极式SPWM波的形成波的形成 图图3-34（4）正弦波与双极性三角波的调制）正弦波与双极性三角波的调制（5）三相双极式正弦脉宽调制和）三相双极式正弦脉宽调制和SPWM波形波形 图图3-352、SPWM逆变器的同步调制和异步调制逆变器的同步调制和异步调制SPWM逆变器有一个重要参数逆变器有一个重要参数载波比载波比N，它被定义为载波频率它被定义为载波频率fc与调制波频率与调制波频率fr之比，之比，用用N表示，即表示，即 N=视载波比的变化与否，有同步调制与异步调制之视载波比的变化与否，有同步调制与异步调制之分。分。rcff（1）同步调制）同步调制在改变在改