第六章 無源逆變電路

1、May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-1,第六章 無源逆變電路,,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-2,6.1 無源逆變電路的原理及分類,無源逆變直流 ? 交流（向負載直接供電）變頻器既能調(diào)壓又能調(diào)頻無源逆變器旋轉(zhuǎn)變頻器靜止變頻器交－交變頻器直－交變頻器,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-3,,單相橋式逆變電路示意圖組成：主電路門控電路控制電路,May

2、1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-4,,單相橋式逆變電路的原理（R負載）主電路波形圖輸出電壓（圖 b）輸出電流（圖 c）直流輸入電流（圖 d）,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-5,,單相橋式逆變電路的原理（L負載）主電路波形圖輸出電壓（圖 b）輸出電流（圖 c）直流輸入電流（圖 d）,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-6,,單相半橋GTO逆變電路及波形

3、主電路波形圖輸出電壓（圖 b）輸出電流（圖 c）,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-7,,單相零式逆變電路及波形主電路波形圖見右圖,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-8,,感性負載下SCR單相零式逆變電路,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-9,,M相零式逆變電路的簡化原理圖,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-10,逆變器的基本類型,按結(jié)構(gòu)

4、分類橋式零式按電網(wǎng)相數(shù)分類單相多相按器件分類半控型全控型,按調(diào)制方法分類SPWM階梯波按導(dǎo)通的角度分類180?120?按強迫換流的特點諧振型并聯(lián)電容型等,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-11,逆變器的基本類型（續(xù)）,按儲能元件的性質(zhì)分類電壓型逆變器電流型逆變器,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-12,6.2 三相橋式逆變電路的原理及參數(shù),電路結(jié)構(gòu),May 1

5、, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-13,,根據(jù)各管導(dǎo)通時間分：180? 導(dǎo)通型120?導(dǎo)通型線電壓由相電壓相減得出,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-14,,180 ?導(dǎo)通型各階段的等值電路及電壓值,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-15,,180 ?導(dǎo)通型三相逆變器的輸出波形 相電壓波形 線電壓波形,May 1, 2000,北

6、方交通大學(xué)電氣工程系,6-16,,180 ?導(dǎo)通型三相逆變器的參數(shù)相電壓表達式線電壓表達式,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-17,,180 ?導(dǎo)通型三相逆變器的參數(shù)（續(xù)）相電壓有效值線電壓有效值,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-18,,120 ?導(dǎo)通型三相逆變器的輸出波形 相電壓波形 線電壓波形,May 1, 2000,

7、北方交通大學(xué)電氣工程系,6-19,,180 ? 導(dǎo)通方式和 120 ?導(dǎo)通方式的比較：120 ?方式上下兩管間有60 ?的間隙，對換流有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，則始終有一相斷開，在換流時會引起較高的感應(yīng)電勢，而180 ?方式無論在三角形還是星形接法時，正常工作都不會產(chǎn)生過電壓，故180 ?方式應(yīng)用較為普遍。,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-20,,感性負載情況負載電流滯后角小于60 ?（a）

8、A相電壓波形（b）A相電流波形（c）T1的電流波形（d）D4的電流波形（e）直流輸入電流,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-21,,感性負載情況（續(xù)）負載電流滯后角大于60 ?,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-22,,感性負載下逆變器中可能有三種電流：功率電流 它通過兩個或三個逆變管，將能量從直流電源送到負載。環(huán)路電流 它在逆變器內(nèi)部經(jīng)過一個逆變管和一個反饋二極管，形成環(huán)

9、流，但此環(huán)流不經(jīng)過電源。反饋電流 它通過兩個反饋二極管將負載的能量反饋到直流電源中去。,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-23,,逆變器的能量反饋及電機的再生制動圖電壓型的能量反饋 電流型的能量反饋,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-24,,逆變器 － 感應(yīng)電動機系統(tǒng)的電壓矢量,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-25,6.3 IGBT三相逆變電路

10、和三點式逆變電路,IGBT三相逆變器電路圖,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-26,,六階梯波時的電壓、電流波形PWM時的電壓、電流波形,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-27,,IGBT的選擇電壓定額的選擇額定電壓 = 輸入的AC電源電壓× ＋再生電壓增加值＋浪涌電壓 簡化公式： US：交流電源的峰值電壓K1：

11、電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，K1 1.15K2：直流中間回路有反饋時的泵升電壓K2 1.2K3：必要的電壓安全系數(shù)，K3 1.3～1.5,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-28,,電流定額的選擇cos? : 電動機的功率因數(shù)U : 交流電源相電壓有效值K4 : 電流的安全系數(shù)，取K4 = 2K5 : 電流脈動率，取K5 = 1.2,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系

12、,6-29,,三點式（三電平）逆變電路示意圖,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-30,,三點式（三電平）逆變電路的 A 相電路 (a) Holtz電路 (b) Nabae電路,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-31,,三點式逆變器的輸出電壓波形逆變器的相電壓波形 (a) 方波輸出

13、(b) PWM方式輸出,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-32,,三點式逆變電路在不同控制角時的負載相電壓波形,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-33,,GTO的定額選擇電壓定額US：交流電源的電壓有效值K1：電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，K1 1.15K2：直流中間回路的反饋電壓，K2 1.2電流定額IL：負載電流的有效值K4 、K5：考慮安全裕量和電流脈動，這里取

14、 2和1.2。,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-34,,續(xù)流二極管的定額和特性選擇續(xù)流二極管的電流定額為主管GTO電流定額的1/3左右。二極管的反向恢復(fù)特性及 Ldi r/dt,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-35,,定義相對軟恢復(fù)度為?，反向恢復(fù)電荷為Qr，則 ? = ta / tbta ：反向恢復(fù)電流 ir 從零開始到

15、峰值的時間tb ：反向恢復(fù)電流 ir 從峰值降到接近零的時間,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-36,6.4 SCR及IGBT諧振式逆變電路,SCR的幾種換流方法電網(wǎng)換流利用電網(wǎng)電壓自動過零并變負來換流強迫換流電壓換流型電流換流型負載換流,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-37,,并聯(lián)諧振式晶閘管逆變器,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-38,,串聯(lián)諧振式晶閘管逆變器

16、 T > 2T0 工況,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-39,,串聯(lián)諧振式晶閘管逆變器（續(xù)）T = 2T0 工況 T < 2T0 工況,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-40,,全控型器件構(gòu)成的諧振型逆變器,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-41,6.5 McMurray SCR三相逆變電路,電路原理,May 1,

17、 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-42,,分析換流時假設(shè)：在換流過程中負載電流不變。直流電源電壓不變。晶閘管的開通時間 ton和晶閘管的關(guān)斷時間 toff 都是微秒級，相對換流過程快得多，可以忽略不計。,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-43,,換流過程,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-44,,麥氏電路感性負載時換流過程的波形(a) 電流波形(b)相電壓波形(c)電容器電壓波形

18、,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-45,,具有恒流充電階段的換流過程波形,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-46,6.6 電流型（源）逆變電路,優(yōu)點：由于有大電感抑流，短路的危險性也比電壓型逆變器小得多。電路對晶閘管關(guān)斷時間（即晶閘管的快速性）的要求比電壓型逆變器的要求低，電路相對電壓型也比較簡單，造價略低。,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-47,,全控型電力電子器件的電流型

19、逆變電路主電路,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-48,,波形圖(a) 相電壓(b) 線電壓(c) PWM時 的相電流,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-49,,表達式相電流線電流,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-50,,理想情況下，相電流中：基波電流的幅值為基波電流有效值為相電流的有效值為,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6

20、-51,,SCR電流型逆變器的原理和換流過程主電路,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-52,,換流過程,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-53,,換流過程（續(xù)）,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-54,,SCR電流型逆變器的基波參數(shù)晶閘管承受反向電壓時間 tot0: 晶閘管承受反向電壓的時間2Id/3：恒流充電電流,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-5

21、5,,換流電容器的最大電壓UC0?1: 換流充電角度?2：振蕩充電角度，即二極管換流電角度t‘: 振蕩起始點作為時間坐標的時間,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-56,,SCR電流型逆變器的波形(a) 相電流(b) 換流電容電壓(c) 線電壓(d) 晶閘管電壓電流型逆變器再生運行,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-57,6.7 逆變電路的調(diào)壓、脈寬調(diào)制和諧波消除,

22、逆變器調(diào)壓的基本方法調(diào)節(jié)輸出變壓器的變化調(diào)節(jié)逆變器的直流輸入電壓逆變器的相位位移或多重化技術(shù)（見下頁）通過對逆變器本身的控制實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-58,,逆變器相位移調(diào)壓原理,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-59,,逆變器相位移調(diào)壓輸出波形,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-60,,逆變器的正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）基本原理,May 1, 200

23、0,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-61,,單極性正弦脈寬調(diào)制(a)輸出電壓波(b)兩種控制電壓波的相交,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-62,,單極性SPWM在載波比為20時的基波與諧波,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-63,,雙極性正弦脈寬調(diào)制(a) 三角形載波 與正弦調(diào)制 波的相交(b) 輸出相電壓波,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-64

24、,,UnM：第 n 次諧波的幅值；?：基波角頻率n: 諧波次數(shù)，n = 1、3、5 …….,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-65,,由上式得出：式中 n：諧波次數(shù)，n =1、3、5、… j：脈沖次序，j =1、2、…、i輸出的基波相電壓幅值為,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-66,,雙極性SPWM在 N = 19時的基波與諧波,May 1, 2000,北方

25、交通大學(xué)電氣工程系,6-67,,SPWM 的載波比與輸出頻率,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-68,,不同開關(guān)頻率下三種逆變器的電機電流波形,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-69,,用脈寬調(diào)制消除指定的諧波分量 式中 為了消除3次和5次諧波，可令 U3M=0和 U5M=0 可求得特定的 ? 1和 ? 2,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-70,,消除3次和

26、5次兩種諧波的電壓波形,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-71,,SPWM逆變器的自然采樣與規(guī)則采樣(a) 對稱規(guī)則采樣 (b)不對稱規(guī)則采樣,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-72,6.8 PWM 型逆變器的控制系統(tǒng),微機實現(xiàn)SPWM控制的方法：表格法（ROM法）隨時計算法（RAM法）實時計算法自然采樣法規(guī)則采樣法對稱規(guī)則采樣法不對稱規(guī)則采樣法,

27、May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-73,,三相逆變器的SPWM集成電路控制,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-74,,SLE4520芯片與微機結(jié)合控制的SPWM逆變器,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-75,6.9 電力電子器件的緩沖電路,緩沖電路對不同器件的作用晶閘管GTR GTR在開關(guān)過程中的波形 vCE 和 iC 的軌跡,May 1,

28、2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-76,,GTOIGBT 關(guān)斷時的 vCE和iC 開通時的vCE和iC,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-77,,緩沖電路的基本結(jié)構(gòu) 串并聯(lián) RLCD 緩沖電路 并聯(lián) RCD 緩沖電路,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-78,,單電容電路

29、 橋臂模塊公用的RCD電路,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-79,,有反饋功能的RCD電路 不對稱有反饋功能的RCD電路,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-80,,三角形吸收電路,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-81,,緩沖電路中的雜散電感對關(guān)斷波形的影響緩沖電路中的L’s L’s 使陽極電壓產(chǎn)生尖峰,

30、May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-82,,緩沖電路中吸收電容 CS 值的確定晶閘管式中 IT：SCR的通態(tài)平均電流緩沖電路吸收電阻GTR設(shè)CS的電壓在 t = tf 時由零上升到 VCSf，則,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-83,,故在 tf 時的VCSf 通常可取為Ud的10～50％，如取VCSf = 0.5Ud也可令VCSf = 0.5UCEO ，則,May 1, 2

31、000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-84,,IGBT式中 LM：主電路電感 VCSP：CS上的最大充電電壓,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-85,,GTO (di/dt)max：GTO開通時的允許最大電流上升率(dv/dt)max：GTO關(guān)斷時的允許最大電壓上升率 ITGQM：GTO陽極最大可關(guān)斷峰值電流,May 1, 2000,北方交通大學(xué)電氣工程系,6-86,