无源逆变电路教育课件

第六章无源逆变电路May1,20001北方交通大学电气工程系第六章无源逆变电路May1,20001北方交通大学6.1无源逆变电路的原理及分类无源逆变直流交流（向负载直接供电）变频器既能调压又能调频无源逆变器旋转变频器静止变频器交－交变频器直－交变频器May1,20002北方交通大学电气工程系6.1无源逆变电路的原理及分类无源逆变May1,2单相桥式逆变电路示意图组成：主电路门控电路控制电路May1,20003北方交通大学电气工程系单相桥式逆变电路示意图May1,20003北方交通大学单相桥式逆变电路的原理（R负载）主电路波形图输出电压（图b）输出电流（图c）直流输入电流（图d）May1,20004北方交通大学电气工程系单相桥式逆变电路的原理（R负载）May1,20004北单相桥式逆变电路的原理（L负载）主电路波形图输出电压（图b）输出电流（图c）直流输入电流（图d）May1,20005北方交通大学电气工程系单相桥式逆变电路的原理（L负载）May1,20005北单相半桥GTO逆变电路及波形主电路波形图输出电压（图b）输出电流（图c）May1,20006北方交通大学电气工程系单相半桥GTO逆变电路及波形May1,20006北方交单相零式逆变电路及波形主电路波形图见右图May1,20007北方交通大学电气工程系单相零式逆变电路及波形May1,20007北方交通大学感性负载下SCR单相零式逆变电路May1,20008北方交通大学电气工程系感性负载下SCR单相零式逆变电路May1,20008北M相零式逆变电路的简化原理图May1,20009北方交通大学电气工程系M相零式逆变电路的简化原理图May1,20009北方交逆变器的基本类型按结构分类桥式零式按电网相数分类单相多相按器件分类半控型全控型按调制方法分类SPWM阶梯波按导通的角度分类180120按强迫换流的特点谐振型并联电容型等May1,200010北方交通大学电气工程系逆变器的基本类型按结构分类按调制方法分类May1,20逆变器的基本类型（续）按储能元件的性质分类电压型逆变器电流型逆变器May1,200011北方交通大学电气工程系逆变器的基本类型（续）按储能元件的性质分类May1,26.2三相桥式逆变电路的原理及参数电路结构May1,200012北方交通大学电气工程系6.2三相桥式逆变电路的原理及参数电路结构May1,根据各管导通时间分：180导通型120导通型线电压由相电压相减得出May1,200013北方交通大学电气工程系根据各管导通时间分：May1,200013北方交通大学180导通型各阶段的等值电路及电压值May1,200014北方交通大学电气工程系180导通型各阶段的等值电路及电压值May1,20180导通型三相逆变器的输出波形相电压波形线电压波形May1,200015北方交通大学电气工程系180导通型三相逆变器的输出波形May1,2000180导通型三相逆变器的参数相电压表达式线电压表达式May1,200016北方交通大学电气工程系180导通型三相逆变器的参数May1,200016180导通型三相逆变器的参数（续）相电压有效值线电压有效值May1,200017北方交通大学电气工程系180导通型三相逆变器的参数（续）May1,200120导通型三相逆变器的输出波形相电压波形线电压波形May1,200018北方交通大学电气工程系120导通型三相逆变器的输出波形May1,2000180导通方式和120导通方式的比较：120方式上下两管间有60

的间隙，对换流有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，则始终有一相断开，在换流时会引起较高的感应电势，而180方式无论在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，故180

方式应用较为普遍。May1,200019北方交通大学电气工程系180导通方式和120导通方式的比较：May感性负载情况负载电流滞后角

小于60（a）A相电压波形（b）A相电流波形（c）T1的电流波形（d）D4的电流波形（e）直流输入电流May1,200020北方交通大学电气工程系感性负载情况May1,200020北方交通大学电气工程感性负载情况（续）负载电流滞后角

大于60May1,200021北方交通大学电气工程系感性负载情况（续）May1,200021北方交通大学电感性负载下逆变器中可能有三种电流：功率电流它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载。环路电流它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源。反馈电流它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去。May1,200022北方交通大学电气工程系感性负载下逆变器中可能有三种电流：May1,20002逆变器的能量反馈及电机的再生制动图电压型的能量反馈电流型的能量反馈May1,200023北方交通大学电气工程系逆变器的能量反馈及电机的再生制动图May1,20002逆变器－感应电动机系统的电压矢量May1,200024北方交通大学电气工程系逆变器－感应电动机系统的电压矢量May1,20006.3IGBT三相逆变电路和三点式逆变电路IGBT三相逆变器电路图May1,200025北方交通大学电气工程系6.3IGBT三相逆变电路和三点式逆变电路IGBT三相逆六阶梯波时的

电压、电流波形PWM时的

电压、电流波形May1,200026北方交通大学电气工程系六阶梯波时的

电压、电流波形May1,200026北方IGBT的选择电压定额的选择额定电压=输入的AC电源电压×

＋再生电压增加值＋浪涌电压简化公式：US：交流电源的峰值电压K1：电网电压波动系数，K11.15K2：直流中间回路有反馈时的泵升电压K21.2K3：必要的电压安全系数，K31.3～1.5May1,200027北方交通大学电气工程系IGBT的选择May1,200027北方交通大学电气工电流定额的选择cos:电动机的功率因数U:交流电源相电压有效值K4:电流的安全系数，取K4=2K5:电流脉动率，取K5=1.2May1,200028北方交通大学电气工程系电流定额的选择May1,200028北方交通大学电气工三点式（三电平）逆变电路示意图May1,200029北方交通大学电气工程系三点式（三电平）逆变电路示意图May1,200029北三点式（三电平）逆变电路的A相电路(a)Holtz电路(b)Nabae电路May1,200030北方交通大学电气工程系三点式（三电平）逆变电路的A相电路May1,200三点式逆变器的输出电压波形逆变器的相电压波形(a)方波输出(b)PWM方式输出May1,200031北方交通大学电气工程系三点式逆变器的输出电压波形May1,200031北方交三点式逆变

电路在不同

控制角时的

负载相电压

波形May1,200032北方交通大学电气工程系三点式逆变

电路在不同

控制角时的

负载相电压

波形MayGTO的定额选择电压定额US：交流电源的电压有效值K1：电网电压波动系数，K11.15K2：直流中间回路的反馈电压，K21.2电流定额IL：负载电流的有效值K4、K5：考虑安全裕量和电流脉动，这里取2和1.2。May1,200033北方交通大学电气工程系GTO的定额选择May1,200033北方交通大学电气续流二极管的定额和特性选择续流二极管的电流定额为主管GTO电流定额的1/3左右。二极管的反向恢复特性及Ldir/dtMay1,200034北方交通大学电气工程系续流二极管的定额和特性选择May1,200034北方交定义相对软恢复度为，反向恢复电荷为Qr，则

=ta/tbta：反向恢复电流ir从零开始到峰值的时间tb：反向恢复电流ir从峰值降到接近零的时间May1,200035北方交通大学电气工程系定义相对软恢复度为，反向恢复电荷为Qr，则May1,6.4SCR及IGBT谐振式逆变电路SCR的几种换流方法电网换流利用电网电压自动过零并变负来换流强迫换流电压换流型电流换流型负载换流May1,200036北方交通大学电气工程系6.4SCR及IGBT谐振式逆变电路SCR的几种换流方法并联谐振式晶闸管逆变器May1,200037北方交通大学电气工程系并联谐振式晶闸管逆变器May1,200037北方交通大串联谐振式晶闸管逆变器T>2T0工况May1,200038北方交通大学电气工程系串联谐振式晶闸管逆变器May1,200038北方交通大串联谐振式晶闸管逆变器（续）T=2T0工况T<2T0工况May1,200039北方交通大学电气工程系串联谐振式晶闸管逆变器（续）May1,200039北方全控型器件构成的谐振型逆变器May1,200040北方交通大学电气工程系全控型器件构成的谐振型逆变器May1,200040北方6.5McMurraySCR三相逆变电路电路原理May1,200041北方交通大学电气工程系6.5McMurraySCR三相逆变电路电路原理Ma分析换流时假设：在换流过程中负载电流不变。直流电源电压不变。晶闸管的开通时间ton和晶闸管的关断时间toff都是微秒级，相对换流过程快得多，可以忽略不计。May1,200042北方交通大学电气工程系分析换流时假设：May1,200042北方交通大学电气换流过程May1,200043北方交通大学电气工程系换流过程May1,200043北方交通大学电气工程系麦氏电路感性负载时换流过程的波形(a)电流波形(b)相电压波形(c)电容器电压波形May1,200044北方交通大学电气工程系麦氏电路感性负载时换流过程的波形May1,200044具有恒流充电阶段的换流过程波形May1,200045北方交通大学电气工程系具有恒流充电阶段的换流过程波形May1,200045北6.6电流型（源）逆变电路优点：由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多。电路对晶闸管关断时间（即晶闸管的快速性）的要求比电压型逆变器的要求低，电路相对电压型也比较简单，造价略低。May1,200046北方交通大学电气工程系6.6电流型（源）逆变电路优点：May1,2000全控型电力电子器件的电流型逆变电路主电路May1,200047北方交通大学电气工程系全控型电力电子器件的电流型逆变电路May1,20004波形图(a)相电压(b)线电压(c)PWM时

的相电流May1,200048北方交通大学电气工程系波形图May1,200048北方交通大学电气工程系表达式相电流线电流May1,200049北方交通大学电气工程系表达式May1,200049北方交通大学电气工程系理想情况下，相电流中：基波电流的幅值为基波电流有效值为相电流的有效值为May1,200050北方交通大学电气工程系理想情况下，相电流中：May1,200050北方交通大SCR电流型逆变器的原理和换流过程主电路May1,200051北方交通大学电气工程系SCR电流型逆变器的原理和换流过程May1,20005换流过程May1,200052北方交通大学电气工程系换流过程May1,200052北方交通大学电气工程系换流过程（续）May1,200053北方交通大学电气工程系换流过程（续）May1,200053北方交通大学电气工SCR电流型逆变器的基波参数晶闸管承受反向电压时间tot0:晶闸管承受反向电压的时间2Id/3：恒流充电电流May1,200054北方交通大学电气工程系SCR电流型逆变器的基波参数May1,200054北方换流电容器的最大电压UC01:换流充电角度2：振荡充电角度，即二极管换流电角度t‘:振荡起始点作为时间坐标的时间May1,200055北方交通大学电气工程系换流电容器的最大电压UC0May1,200055北方交SCR电流型逆变器的波形(a)相电流(b)换流电容电压(c)线电压(d)晶闸管电压电流型逆变

器再生运行May1,200056北方交通大学电气工程系SCR电流型逆变器的波形May1,200056北方交通6.7逆变电路的调压、

脉宽调制和谐波消除逆变器调压的基本方法调节输出变压器的变化调节逆变器的直流输入电压逆变器的相位位移或多重化技术（见下页）通过对逆变器本身的控制实现调压调频May1,200057北方交通大学电气工程系6.7逆变电路的调压、

脉宽调制和谐波消除逆变器调压的基逆变器相位移调压原理May1,200058北方交通大学电气工程系逆变器相位移调压原理May1,200058北方交通大学逆变器相位移调压输出波形May1,200059北方交通大学电气工程系逆变器相位移调压输出波形May1,200059北方交通逆变器的正弦波脉宽调制（SPWM）基本原理May1,200060北方交通大学电气工程系逆变器的正弦波脉宽调制（SPWM）May1,20006单极性正弦脉宽调制(a)输出电压波(b)两种控制电压波的相交May1,200061北方交通大学电气工程系单极性正弦脉宽调制May1,200061北方交通大学电单极性SPWM在载波比为20时的基波与谐波May1,200062北方交通大学电气工程系单极性SPWM在载波比为20时的基波与谐波May1,2双极性正弦脉宽调制(a)三角形载波

与正弦调制

波的相交(b)输出相电压波May1,200063北方交通大学电气工程系双极性正弦脉宽调制May1,200063北方交通大学电UnM：第n次谐波的幅值；：基波角频率n:谐波次数，n=1、3、5…….May1,200064北方交通大学电气工程系May1,200064北方交通大学电气工程系由上式得出：式中n：谐波次数，n=1、3、5、…j：脉冲次序，j=1、2、…、i输出的基波相电压幅值为May1,200065北方交通大学电气工程系由上式得出：May1,200065北方交通大学电气工程双极性SPWM在N=19时的基波与谐波May1,200066北方交通大学电气工程系双极性SPWM在N=19时的基波与谐波May1,SPWM的载波比与输出频率May1,200067北方交通大学电气工程系SPWM的载波比与输出频率May1,200067北方不同开关频率下三种逆变器的电机电流波形May1,200068北方交通大学电气工程系不同开关频率下三种逆变器的电机电流波形May1,200用脉宽调制消除指定的谐波分量式中为了消除3次和5次谐波，可令U3M=0和U5M=0可求得特定的1和2May1,200069北方交通大学电气工程系用脉宽调制消除指定的谐波分量May1,200069北方消除3次和5次两种谐波的电压波形May1,200070北方交通大学电气工程系消除3次和5次两种谐波的电压波形May1,200070SPWM逆变器的自然采样与规则采样(a)对称规则采样(b)不对称规则采样May1,200071北方交通大学电气工程系SPWM逆变器的自然采样与规则采样May1,200076.8PWM型逆变器的控制系统微机实现SPWM控制的方法：表格法（ROM法）随时计算法（RAM法）实时计算法自然采样法规则采样法对称规则采样法不对称规则采样法May1,200072北方交通大学电气工程系6.8PWM型逆变器的控制系统微机实现SPWM控制的方三相逆变器的SPWM集成电路控制May1,200073北方交通大学电气工程系三相逆变器的SPWM集成电路控制May1,200073SLE4520芯片与微机结合控制的SPWM逆变器May1,200074北方交通大学电气工程系SLE4520芯片与微机结合控制的SPWM逆变器May16.9电力电子器件的缓冲电路缓冲电路对不同器件的作用晶闸管GTRGTR在开关过程中的波形vCE和iC的轨迹May1,200075北方交通大学电气工程系6.9电力电子器件的缓冲电路缓冲电路对不同器件的作用MGTOIGBT

关断时的vCE和iC

开通时的vCE和iC

May1,200076北方交通大学电气工程系GTOMay1,200076北方交通大学电气工程系

缓冲电路的基本结构

串并联RLCD缓冲电路并联RCD缓冲电路May1,200077北方交通大学电气工程系缓冲电路的基本结构May1,200077北方交通大学单电容电路桥臂模块公用的RCD电路May1,200078北方交通大学电气工程系May1,200078北方交通大学电气工程系有反馈功能的RCD电路不对称有反馈功能的RCD电路May1,200079北方交通大学电气工程系May1,200079北方交通大学电气工程系