第七章 变频电路第一部分：交直交变频器

第七章变频电路《电力电子技术》PowerElectronicsTechnology第七章变频电路

第一节变频电路基本概念第二节谐振型逆变电路谐振型逆变电路的基本工作原理换流方式分类

电压型逆变电路单相电压型逆变电路

电流型逆变电路单相电流型逆变电路第三节三相逆变电路

三相电压型逆变电路

三相电流型逆变电路第一节变频电路基本概念逆变概念逆变——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负载，为无源逆变逆变与变频变频电路：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，后一部分就是逆变

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

一、逆变电路的基本工作原理单相桥式逆变电路为例S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正

逆变电路及其波形举例

S1,S4断开,S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电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io和uo的波形相同，相位也相同阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同t1前：S1、S4通，uo和io均为正t1时刻断开S1、S4，合上S2,S3,uo变负,但io不能立刻反向io从电源负极流出,经S2,负载和S3流回正极,负载电感能量向电源反馈,io逐渐减小,t2时刻降为零,之后io才反向并增大换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相开通：适当的门极驱动信号就可使其开通关断：全控型器件可通过门极关断半控型器件晶闸管,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，才能关断研究换流方式主要是研究如何使器件关断本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此在本章讲述换流方式1.器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流（DeviceCommutation）2.电网换流由电网提供换流电压称为电网换流（LineCommutation）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.负载换流由负载提供换流电压称为负载换流（LoadCommutation）负载电流相位超前于负载电压的场合，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，可实现负载换流

基本的负载换流逆变电路：采用晶闸管负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振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直流侧串入大电感Ld，id基本没有脉动负载换流电路及其工作波形

工作过程（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，uo波形接近正弦t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uot1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成设置附加的换流电路，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（ForcedCommutation）通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流直接耦合式强迫换流——由换流电路内电容提供换流电压VT通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断直接耦合式强迫换流原理图4.强迫换流电感耦合式强迫换流：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两种电感耦合式强迫换流：图a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断图b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断电感耦合式强迫换流原理图给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流

器件换流——适用于全控型器件其余三种方式——(电网,负载,强迫)针对晶闸管器件换流和强迫换流——属于自换流电网换流和负载换流——外部换流当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭二、电压型逆变电路

逆变电路按其直流电源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(1)

直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动(2)

输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同(3)

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，逆变桥各臂并联反馈二极管电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）单相电压型逆变电路

1．半桥逆变电路电路结构工作原理V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，互补uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2io波形随负载而异，感性负载时V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈VD1、VD2称为反馈二极管,还使io连续，又称续流二极管特点优点：简单，使用器件少缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡用于几kW以下的小功率逆变电源单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合两个半桥电路的组合1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°uo波形同半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud2．全桥逆变电路io波形和图中的io相同，幅值增加一倍单相逆变电路中应用最多的电路结构及工作情况输出电压定量分析uo成傅里叶级数uo为正负各180°时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现基波幅值基波有效值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180°正偏，180°反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变V3的基极信号只比V1落后q

(0<q<180°)V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180-quo成为正负各为q的脉冲，改变q即可调节输出电压有效值阻感负载时的移相调压交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道Ud和负载参数相同，变压器匝比为1:1:1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同与全桥电路的比较比全桥电路少用一半开关器件器件承受的电压为2Ud,比全桥电路高一倍必须有一个变压器3．带中心抽头变压器的逆变电路三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成180°导电方式

每桥臂导电180°,同一相上下两臂交替导电,各相开始导电的角度差120°任一瞬间有三个桥臂同时导通每次换流都是在同一相上下两臂之间进行,也称为纵向换流

波形分析负载各相到电源中点N‘的电压：U相，1通，uUN'=Ud/24通，uUN'=-Ud/2负载线电压:负载相电压:负载中点和电源中点间电压负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0负载已知时,可由uUN波形求出iU波形--随阻抗角变化一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点定量分析-----输出线电压uUV展开成傅里叶级数输出线电压有效值基波幅值基波有效值负载相电压uUN展开成傅里叶级数得负载相电压有效值基波幅值基波有效值防止同一相上下两桥臂开关器件直通采取“先断后通”的方法交流侧三、电流型逆变电路直流电源为电流源的逆变电路——电流型逆变电路一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源实例之一：如图所示电流型三相桥式逆变电路交流侧电容用于吸收换流时负载电感中存贮的能量(1)

直流侧串大电感，相当于电流源(2)

交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同(3)

直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管电流型逆变电路主要特点电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多换流方式有负载换流、强迫换流单相电流型逆变电路

4桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器LT，用来限制晶闸管开通时的di/dt1、4和2、3以1000~2500Hz的中频轮流导通，可得到中频交流电采用负载换相方式,要求负载电流略超前于负载电压负载一般是电磁感应线圈，加热线圈内的钢料，R和L串联为其等效电路因功率因数很低，故并联CC和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，谐波在负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路

一周期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段t1~t2：VT1和VT4稳定导通阶段，iｏ=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压t2~t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程VT2、VT3电流有一个增大过程4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电：工作波形分析LT1、VT1、VT3、LT3到C,另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到Ct=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束t4－t2=tg

称为换流时间io在t3时刻,即iVT1=iVT2时刻过零,t3时刻大体位于t2和t4的中点保证晶闸管的可靠关断晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tbtb=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq为保证可靠换流应在uo过零前td=t5-t2时刻触发VT2,VT3td为触发引前时间io超前于uo的时间

为表示为电角度w为电路工作角频率；g、b分别是tg、tb对应的电角度数量分析忽略换流过程,io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数基波电流有效值负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损耗，忽略晶闸管压降）实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式固定工作频率的控制方式称为他励方式自励方式存在起动问题，解决方法：先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式附加预充电起动电路三相电流型逆变电路电流型三相桥式逆变电路，采用全控型器件）基本工作方式是120°导电方式—每个臂一周期内导电120°每时刻上下桥臂组各有一个臂导通,横向换流波形分析输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各120°的矩形波输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同,谐波分析表达式也相同输出线电压波形和负载性质有关,大体为正弦波输出交流电流的基波有效值主要用于中大功率交流电动机调速系统电流型三相桥式逆变电路各桥臂的晶闸管和二极管串联使用120°导电工作方式，输出波形和图的波形大体相同强迫换流方式，电容C1~C6为换流电容串联二极管式晶闸管逆变电路

串联二极管式晶闸管逆变电路电容器充电规律：对共阳极晶闸管，与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负.不与导通晶闸管相连的电容器电压为零等效换流电容：例如分析从VT1向VT3换流时，C13就是C3与C5串联后再与C1并联的等效电容换流过程分析

换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负恒流放电阶段

t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2,直流电源和VT3放电,放电电流恒为Id,故称恒流放电阶段uC13下降到零之前,VT1承受反压,反压时间大于tq就保证关断从VT1向VT3换流的过程t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。忽略负载电阻压降，则二极管VD3导通，电流为iV，VD1电流为iU=Id-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段随着C13电压增高，充电电流渐小，iV渐大，t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段二极管换流阶段电感负载时，uC13、iU、iV及uC1、uC3、uC5波形uC1的波形和uC13完全相同，从UC0降为－UC0C3和C5是串联后再和C1并联的,电压变化的幅度是C1的一半uC3从零变到-UC0，uC5从UC0变到零这些电压恰好符合相隔120°后从VT3到VT5换流时的要求波形分析无换相器电动机的基本电路无换向器电动机电流型三相桥式逆变器驱动同步电动机,负载换流工作特性和调速方式和直流电动机相似，但无换向器，因此称为无换向器电动机BQ--转子位置检测器，检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲无换相器电动机电路工作波形逆变电路为120导电方式利用电动机的反电势实现换流和有源逆变电路的工作相似多重逆变电路和多电平逆变电路电压型——输出电压是矩形波，谐波多电流型——输出电流是矩形波，谐波多多重逆变电路把几个矩形波组合起来，接近正弦多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近正弦多重逆变电路电压型、电流型都可多重化，以电压型为例单相电压型二重逆变电路两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器T1和T2串联起来输出波形：两个单相的输出u1和u2是180°矩形波3次谐波u1和u2相位错开j=60°，其中3次谐波就错开了3X60°=180°变压器串联合成后，3次谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波uo波形是120°矩形波，含6k±1次谐波，3k次谐波都被抵消二重单相逆变电路工作波形三相电压型二重逆变电路由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过变压器串联合成两个逆变电路均为180°导通方式逆变桥II的相位比逆变桥I滞后30°三相电压型二重逆变电路

多重逆变电路有串联多重和并联多重两种串联多重——把几个逆变电路的输出串联起来，多用于电压型并联多重——把几个逆变电路的输出并联起来，多用于电流型二次侧基波电压合成相量图UA1UA21UB22-UB22T1为D/Y联结，线电压变比为(一次和二次绕组匝数相等）T2一次侧Δ联结，二次侧两绕组曲折星形接法，其二次电压相对于一次电压而言，比T1的接法超前30°，以抵消逆变桥II比逆变桥I滞后的30°。这样，uU2和uU1的基波相位就相同三相电压型二重逆变电路波形图

输出谐波分析uU1展成傅里叶级数基波有效值n=6k±1n次谐波有效值输出相电压uUN展开成傅里叶级数，可得其基波有效值n次谐波有效值n=12k±1，uUN中已不含5次、7次等谐波直流侧电流每周期脉动12次，称为12脉波逆变电路使m个三相桥逆变电路的相位依次错开p/(3m)，连同合成输出电压并抵消上述