电力电子技术 王兆安第五版 第4章

③各桥臂的晶闸管和 二极管串联使用。
（串联二极管式晶 闸管逆变电路）
④ 120°导电工作方式 ⑤强迫换流方式，电 容C1~C6为换流电容。
重点分析：换流过程（因电容C，强迫换流）
电容器充电规律：对共阳极 晶闸管，它与导通晶闸管相 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 等效换流电容概念：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.
4.2 电压型逆变电路
4.2.1单相电压型逆变电路
（2） 全桥逆变电路
由四个臂构成，输 入端并有一个电容。 负载接在上下两组 臂之间。
*导电方式一：
V1,V4同时通断
V2,V3同时通断
V1,V4与V2,V3信 号互补，各导电 180
工作原理：与单向半桥 *思考1：在全桥中， 电路工作原理相同，只 续流过程如何完成？ 不过全桥中是两个臂同 ※ VD2,VD3同时续流。 时工作，半桥中一个臂 单独工作。全桥输出电 ※ VD1,VD4同时续流。 压，电流波形与半桥完 全一样，但幅值均为半 桥的两倍。
※并且为保证可 靠换流应在uo 过零前td= t5- t2 时刻触发VT2、 VT3 ※两个重要参数： 触发引前时间 : t=t+ tb io超前于uo的 时间 : t = t / 2 + tb
即为功率因数角。
4.3.2 三相电流型逆变电路（桥式）
（1）采用全控型器件GTO
基本工作方式是1200导电方式：每个臂一周期内 导电1200，每时刻上下桥臂组各有一个臂导通， 为横向换流。
t
t
Ud 6
Ud 6
Ud
u NN' O e) O u NN' u e) UN O
u UN
t
t
t
f) f)
OO iU
iU O
2 Ud 2 Ud 33
Ud Ud 3 3
t t
g)
g)
h)
O id
t
id O
t
t 图 5-10
h)
O
t
三相桥电压型逆变电路总结：
（1）输出线电压是矩形波，相电压是阶梯波。 （2）各相输出电压在相位上相差1200，电流波形根 据负载情况的不同而不同。 （3）在导电上，为防止同一相的两个器件同时开通 而导致电源短路，应遵循“先断后通”的原则，即 要关断的器件在彻底关断之后再给需开通的器件开 通信号，因此，要留一定的时间裕量。（实际在单 相中也应如此）
工作原理： （3） t3—t4 电源经V2对负载供电，电流指 思考：电路中的二极管主要起什么作用？ 单向半桥电压逆变电路优缺点总结： ※单相半桥一般应用在小功率电路中。 （1）t1—t2 电源电压经V1对负载供电，电流 ※为了解决这一矛盾，在单向半桥的基础上提出 数规律反向上升。负载电压为-1/2ud. 指数规律上升。负载电压为1/2ud. 答：当负载为感性或阻感性时，二极管为负载 ①优点：所用器件少。 了单向全桥电压型逆变电路。 ★因为是阻感负载，成感性，电流滞后电 （4） —t 5电感经VD 续流，电流指数规律下 向直流电源反馈能量提供通道（即续流过程）， （2）t2 t4—t 电感经VD1续流，电流指数规 2 压，滞后角θ =arctanω L/R. ②缺点：u30幅值小，只有电源电压的一半，并且 律反向下降，负载电压为1/2ud. 故这些二极管被称之为反馈二极管。 降。负载电压为-1/2ud. 输入端接两个电容，还需保证 C1=C2,不能精确 满足。
4.1.2 换流的基本方式 ①器件换流（IGBT,GTO,GTR,BJT,MOSFET)
②电网换流
③负载换流（负载满足的条件？） ④强迫换流（直接耦合式，电感耦合式）
※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. 为改善负载功率因数使其略呈容性,而接入的 直流侧串入大电感Ld,id基本没有脉动.
三相电流型逆变输出特性（全控型器件）：
输出相电流波形和负载性质无关，为正负各120° 的矩形波，线电流为阶梯波。 输出线电压波形和负载性质有关，若有电感，因 电感的作用，每次换相时会产生电压冲击。
（2）串联二极管式晶闸管逆变电路
①主要用于中大功率交 流电动机调速系统。 ②电流型三相桥式逆 变电路，输出波形与 全控型器件时一样。
思考2：在导电方式一下工作，如果要改变输出电 压的有效值（即幅值），应该采取什么样的方式？
★只能靠改变输入直 若不采用整流和斩 流电压的大小来改变 波，能否直接进行 输出电压的有效值。 调制呢？为此提出 可以通过整流电路， 了导电方式二： 斩波电路来实现。
移相导电方式。
导电方式二（移相导电）： V1,V2信号互补；V3,V4信号互补；V3信号比V1 信号落后θ（ 0〈θ〈180）
（4）三相桥电压型逆变电路应用在大功率场合。
电压型逆变电路总结
通过对单相，三相电压逆变电路的学习，对于电压 型逆变电路特性可归纳如下： （4）直流侧向交流侧传送的功率是脉动的（输 （3）负载为感性时，需要提供无功功率，直流 （5）一般在负载端会接上滤波器，滤去电压波形 （2）输出电压波形均为矩形波，与负载无关， （1）直流侧并有电容，相当于一个电压源，提 出电压无脉动，但电流有脉动），且其脉动与负 侧电容起到缓冲无功能量的作用，为了给交流侧 中的谐波分量，保留基波分量，使输出电压的波 供恒定的输入电压，直流电压基本无脉动。 而电流波形和相位因负载阻抗角不同而不同。 载电流脉动一致。 向直流侧反馈能量提供通道，各臂都要并联一个 形接近标准的正弦波。 （矩形波，或近似为正弦波） 反馈二极管。
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u波形接近正弦过零前并留有足够裕量才能使换流顺利完成强迫换流逆变电路电容换流直接耦合式强迫换流电压换流vt负载图53电感耦合式强迫换流电流换流vt负载vt负载vd图5442421单相电压型逆变电路半桥逆变电路导电方式
（2）工作原理：
基本导电方式：1，4同时 通断，2，3同时通断。
t=t4 时，VT1 、 4个晶闸管全部导通， LT 使 VT1 、 VT4 电压波形近似 VT4 电流减至零 t1-t ：t 时触发VT 负载电容电压经两个 t2~t42：VT1和VT4 2 不能立刻关断，电 2 为正弦波，且滞 并联的放电回路同时 而关断，换流阶 稳定导通阶段， 和VT3开通，进入换 流有一个减小过程 放电 段结束 时刻前在 后电流一个角度， iL ，t 流阶段。2 1 、 VT3 、 ｏ=I 、VT VTd、 VT 3电流有 T12 与负载系数有关。 t4 －t2C ；γ另 一 个 经 C上建立了左正右 LT3 到 = t 称为 一个增大过程 换流时间2 、VT4 、LT4 LT2 、VT 负的电压。
※强迫换流逆变电路-(电容换流）
S VT
S S
+
负载
VD VT
+
C VD VT
+C
L 负载 b)
L 负载
a)
直接耦合式强迫换流 图 5-3 （电压换流）
电感耦合式强迫换流 （电流换流)
图5-4
4.2 电压型逆变电路
4.2.1单相电压型逆变电路 （1） 半桥逆变电路
*导电方式：V1，V2信号互补，各导通180
第四章 逆变电路
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
本章讲述无源逆变
学习内容：
4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路（单相，三相）
4.3 电流型逆变电路
※重在电路结构，工作原理
4.1 换流方式
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
S1-S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及
到C
思考：如何保证晶闸管的可靠关断？？
※电流减小为零， ※所以为使晶闸 晶闸管不能立刻关 管可靠关断， 断 ， 还 需- t 应大 t b = t5 一 段 时 间 4 才能恢复正向阻断 于晶闸管的关 能力，也就是说电 断时间tq 流为零后还要使 VT1、VT4承受一段 反压时间tb，这样晶 闸管才能真正可靠 关断。
所谓移相：即改变θ的大小。
单相全桥电压型逆变电路特性总结：
（1）全桥逆变是单相中应用最广泛的逆变电路。 （2）全桥逆变输出电压的幅值即为电源电压， 比半桥增长一倍，一般应用在较大功率的场合。 （3）在移相导电方式下，通过改变移相导电方 式中的ө角，可改变输出电压的有效值。
4.2 电压型逆变电路
4.2.1单相电压型逆变电路 （3） 推挽式-带中心抽头变压器
辅助电路组成
uo S1 Ud S2 a) 图5-1 io 负载 S3 io t1 t 2 t
uo S 4
b)
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
S1、S4闭合，S2、S3断开时， Nhomakorabea载电压uo为正
S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负
直流
交流
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
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 相同. 阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同.
①变压器的变比为 1：1：1，负载相 同时，其输出波形 和全桥逆变一样。 ②应用在输入与输 出需要隔离的场合。
4.2 电压型逆变电路
4.2.2 三相电压型逆变电路
三相电压型逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组 成。 其负载可以是三角形或星形，这里我们以星形负载 为例进行介绍。
※180°导电方式
（1）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相差120 （2）任一瞬间有三个桥臂同时导通 （3）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
工作原理：以输出电压波形为主（包括 输出 线电压，输出相电压）
c)
d)
d)
Ud O O u
W N' UV
三相逆变输出波形
*以VT1向VT3换流的过程为例：
Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、 随着C13电压增高，iV渐大，VD1电流越来越小， （3）t2 时刻uC13 降到零，之后C13 反向充电。则二 （1）假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左 （4） VT2、VT3稳定导通阶段 W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电， 假设在t 极管VD3导通，VD1和VD3同时通，进入二极管换 正右负 3 时刻变为零，则VD1承受反压而关断， 放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段 二极管换流阶段结束。 流阶段。产生环流。此环流使VD1电流减小，使 （2）t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断 VD3电流增大。
4.3 电流型逆变电路
*电流型逆变 直流侧输入电源为电流源
电流型逆变电路的特性： （1）直流侧串大电感，相当于电流源。直流侧 电流基本无脉动。 （2）因为是恒流，输出电流波形是矩形波，输 出电压波形与负载有关系。 （3）电路中不必加反馈二极管。（为什么？） （4）电感起到缓冲无功能量的作用。
4.3.1 单相电流型逆变电路
uo S1 Ud S2 a) io 负载 S3 io t1 t 2 t
uo S 4
b) 图5-1
过程分析：
才反向并增大
io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电 t1时刻断开St、S4，合上S通，u，ui变负，但io不能立刻 1 1前：S1、S4 2、S3 o和 o o 均为正 电流从一条支路转移到另一条支路称为换流。 感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io 反向
Ld id VT 1 Ed VT 2 io R uo VT3
uo io O
uo
io i O i u VT O O iVT iVT
1 4
t
C L
VT4
i VT
2
iVT
3
t t t
t1
uVT
1
uVT b)
4
a)
工作过程:
图5-2
负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态， t1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、 t1必须在u1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均 前：VT o过零前并留有足够裕量，才能使换 4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流 对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo 1、VT VT1上使其承受反压而关断，电流从VT波形接4 流顺利完成 为正，VT2、VT 基本呈矩形波 换到VT3、VT2 3电压即为uo 近正弦
（1）电路结构
④并联谐振回路对基波呈高阻抗，对谐波呈低 ③C和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并 ②采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负 ① 4个桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器LT， 阻抗，谐波在负载上产生的压降很小，因此负 联谐振式逆变电路（但最终负载仍略显容性，准 载电压（呈容性）。 用来限制晶闸管开通时的di/dt 载电压波形接近正弦波。 确应称之为容性小失谐负载）