第5章 逆变电路
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19
(1)电路:如图(GTO 器件换流) (2)调制方式: 相位差:纵向180°,横向120° 器件导电120°, 2管导通: 上 1 1→3 3→5 5 →1 下 6→2 2→4 4 →6 6 横向换流, 无直通短路问题. 容性负载可负载换流,可用晶闸管 (3) 波形:如图 电流:120°矩形波 电压:(加容性负载)近正弦波 注:iU正跳(iV负跳)时 uUV中产生LdiU/dt正脉冲电压 (4)输出电压: 电流基波:I1=0.78Id 由Ud*Id=3*(0.78Id)*Uφcosφ 相有效值 Uφ=Ud/(2.34cosφ) 与频率负载有关
----奇非三：线=√3相
15
5.2.2 三相电压型逆变电路
逆变器交流侧: 电压阶梯波 （RL）电流更近正弦
逆变器直流侧: 电压较稳 电流id与功率有脉动。
16
5.2 电压型逆变电路
2）电压型逆变电路特点 (1)直流侧: 电压源或并联大电容, 电压”恒稳”。 (2)输出交流侧: 电压为阶梯波, 电流(RL，RLC负载)近正弦波。 (3)阻感负载功率通道: 有功通道---V, 感性无功通道---D, 无功返直流源或C缓冲
u
1
三次谐波 t 180° 60° 三次谐波 t
O
u
2
移相 60°180°-60°60°180°-60° ----消除奇3倍次谐波
O
uo 120° O
t
27
三相电压型二重逆变电路
波形变换方法
电路
合成六电平阶梯波 更近正弦
28
谐波分析
基波α
1
-B2 α
B2 -B25 A25 A27 -B27 α α
目的:
改进输出电压电流波形,减小谐波
多套逆变器移相组合输出多电平阶梯波，
一套逆变器输出多电平阶梯波
26
5.4.1 多重逆变电路
多重逆变电路 电压型、电流型都可多重化 单相电压型二重逆变电路 (1)两套逆变电路移相60° (2)输出串联组合。
工作波形 输出谐波： 谐波 1 3 5 7 9 11
13
*线电压与相电压
uUN=eU-uN =eU -(eU+eV+eW)/3 =(uUV - uWU)/3 uUN=(1+q-60°)uUV/3
14
负载电压有效值 线压: UL=0.816Ud 基波UL1=.955UL=0.780Ud (幅值1.10Ud>Ud)
相压: Up=UL/√3 =0.471Ud 基波Up1=UL1/√3=0.456Ud
= 0 --1&3，2&4 导通 —可输出三电平阶梯波 RL负载时io近正弦。 输出有效值可调 Uo=sqrt(θ/π)Ud
8
特点:(1)交流电压(电源利用率)高 (2)可调相调压 (3)交流不自动平衡，可闭环平衡 应用广
9
3*带中心抽头变压器的逆变电路
V1,V2交替触发,输出交流侧波形同全桥全导通 V为正功通道,D为负功通道 开关器件少,且与电源共地易触发；受压高,需变压器
三臂导通方式,间隔60°： 561 612 123 234 345 456 横向120°,纵向180°换流 电源相电势(对O) e： U: + + + - - - Ud/2 方波 V: - - + + + - 滞后U120° W: + - - - + + 滞后V120° 线电压 UV: + + 0 - - 0 Ud 矩形波 负载地uN=(∑e)/3 ≠0 N: + - + - + - Ud/6,脉动 负载uUN=eU-uN =(2eu-ev-ew)/3 U:1 2 1 -1 -2 -1 Ud/3 凸形波 注:N≠O 负载相压≠电源相压
全控型器件（IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等）： 器件换流（Device Commutation） ----自关断换流。 晶闸管换流方式：。 电网换流（Line Commutation） 电网提供关断负电压。 例：整流与有源逆变电路。 强迫换流（Forced Commutation） 设置附加LC等电路提供关断负压。 负载换流（Load Commutation） 容性负载可提供关断负压 见电流型逆变电路
17
5.3 电流型逆变电路
电流型逆变电路主要特点
(1) 直流侧串大电感， 近电流源，电流平稳。
(2) 交流侧: 电流为矩形波。 容性负载电压近正弦波 (3) 负载无功由负电压反馈到直流侧,由电感缓冲. 不需逆导二极管. 采用半控型器件仍较多。 换流方式有负载换流和强迫换流。
18
5.3.1单相电流型逆变电路
串联二极管式晶闸管逆变电路
用于中大功率交流调速 工作方式，输出波形同前。 强迫换流方式 (大电机不易并C获容性) 电容C1~C6为换流电容。
22
5.3.2 三相电流型逆变电路
图5-16 U--V换流过程
原Id至U相, 等效C13受uUV 充电左正, T3正压.D3断
T3触通 C13使T1反压关断. id由T3,C13,D1至U D3仍反压断
29
A, 0,0, A/11, A/13, 0, 0, A/23, A/25,…
5.4.2
多电平逆变电路
中点钳位型（Neutral Point Clamped）三电平逆变电路
电源相电势ep三电平:±Ud/2,0如上图 线电压: uUV=eU -eV 组合得五电平: 0,±Ud/2 ±Ud 负载相电压 up=(1/3)（1+q-60°)uL 可更多阶梯,更近正弦
1 1
A1 A2
=30°合成 A=2A1
5次谐波
α 5=5α 1=150°
α
α
7
5
A15(=A1/5)
合成为0 7次谐波 α 7=7α 1=210° 合成为0
5
A17(=A1/7)
α7 n=6+12k±1次谐波被消除,只有12k±1次谐波
n
幅值
1, 5,7, 11,
13
17, 19, 23,
25,…..
常用三相桥式逆变电路 N’为电源中点--逻辑点 仅用理论分析 N为负载中点 桥臂1、3、5输出正压 4、6、2输出负压 V正功 D负功通道， V&D 双向通道 等效电路如右 注电源电势e=±Ud/2
uN=(eU+eV+eW)/3≠0
即 N≠O ，从而：
负载相电压u=e-uN
≠电源相电势e
12
导通方式与电压波形
例无刷直流机二相导通工作方式：
12-23-34-…
使定子磁场领先转子磁场60-120度 运转过程定子绕组反电势：
e=Ceφn与电流i反向，且不能突变，相似于电容电压
12导通时i:UW,e:W(V)U
3管受正压。3管触发导通后e对1管反压关断
--起动时无反电势,另行解决
25
5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路
30
6
电压型单相半桥逆变电路
工作过程如图:电压阶梯波,电流更近正弦 V为正功通道,D为负功通道 (“无功”通道) 特点:开关器件少,但需电容;输出自动平衡,无直流分量 输出电压(电源利用率)低;不能输出0压调有效值 常用于几kW以下的小功率逆变电源
7
电压型单相全桥逆变
输出：
uo=±Ud --1&4，2&3 导通
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。
2
5.1 器件换流方式
换流——电流从关断支路向导通支路的转移， 也称为换相。
导通：触发导通。 关断：---换流主要问题 全控型器件:门极控制关断。 半控型(晶闸管):外部条件--反压、零流关断。
3
5.1 换流方式分类
10
正弦型
负载串C成RLC io的阶跃响应光滑 谐振频率f0＝1/T0 逆变频率f<=>f0时io如下图 f=f0最好,但R_L_f0会变化, 常f>f0,io滞后。 负载为变压器原边时 副边输出电压近正弦。 负载基波电压UL1=（R+jXL)Uo1/[R+j(XL-XC)]>Uo1
11
5.2.2 三相电压型逆变电路
1)电路如右上图。负载RL并C 常用于中频1-2.5KHZ加热 2) 导通方式: 纵横臂相差180°: 14,23,14,… 频率f>谐振fx 3)换流方式:(容性)负载换流. V1V4导通uo为+时,V2V3受正压 触通V2V3后,uo对V1V4反压关断 4)工作波形: 5)功率流:负荷吸收有功, id↓ 负荷(反压)反馈无功, id↑ id↓↑磁能↓↑ L缓冲无功 6)输出电压:设uo正弦 方波io基波I1=0.9Id 负载P=(0.9Id)*Uo*cosφ=Ud*Id 即Uo=Ud/(0.9cosφ)-与频率负载有关
第5章 逆变电路
1
第5章 逆变电路 • 引言
逆变 直流电交流。
交流侧接电网--有源逆变。
交流侧接负载--无源逆变-----本章讲述无源逆变。 逆变是变频的基础 变频：交交变频 交直交变频: 交直交变频（整流 + 逆变）。
主要应用
各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等，
给交流负载供电。
*5.3.2 三相电流型逆变电路
20
5.3.2 三相电流型逆变电路
容性负载可负载换流 ----可用晶闸管 (V1V2导通时uUV正值使V3正压, V3触通后其又使V1反压关断) 负载容性化: 中小异步机(感性) ---可并C成容性 同步电动机 ---加大励磁成容性
21
5.3.2 *三相电流型逆变电路
C13受Id充电 电压反向
D3正压通, 而D1反压断. Id由T3D3至V相.
23
5.3.2 三相电流型逆变电路
无换向器(同步)电动机 --定子线圈,转子磁极. 其反电势与电流反向且不能突变 --与电容电压相似 可用电流型逆变器驱动
BQ检测转子磁极位置(uUV)控制触发电路
Hale Waihona Puke Baidu
24
三相电流型逆变电路
4
例晶闸管LC强迫换流 (1) 电源经VD2对C充电压左正右负, (2)主VT1通(VD1反压断),供电负载 (3)换流开关VT2导通,LC谐振:----uc,ic可变向 (4)ic反向后, VT1电流减至0 而关断 注:VT1断后VD1才导通续流ic
5.1.2 换流方式分类
5
5.2 电压型逆变电路
(1)电路:如图(GTO 器件换流) (2)调制方式: 相位差:纵向180°,横向120° 器件导电120°, 2管导通: 上 1 1→3 3→5 5 →1 下 6→2 2→4 4 →6 6 横向换流, 无直通短路问题. 容性负载可负载换流,可用晶闸管 (3) 波形:如图 电流:120°矩形波 电压:(加容性负载)近正弦波 注:iU正跳(iV负跳)时 uUV中产生LdiU/dt正脉冲电压 (4)输出电压: 电流基波:I1=0.78Id 由Ud*Id=3*(0.78Id)*Uφcosφ 相有效值 Uφ=Ud/(2.34cosφ) 与频率负载有关
----奇非三：线=√3相
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5.2.2 三相电压型逆变电路
逆变器交流侧: 电压阶梯波 （RL）电流更近正弦
逆变器直流侧: 电压较稳 电流id与功率有脉动。
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5.2 电压型逆变电路
2）电压型逆变电路特点 (1)直流侧: 电压源或并联大电容, 电压”恒稳”。 (2)输出交流侧: 电压为阶梯波, 电流(RL，RLC负载)近正弦波。 (3)阻感负载功率通道: 有功通道---V, 感性无功通道---D, 无功返直流源或C缓冲
u
1
三次谐波 t 180° 60° 三次谐波 t
O
u
2
移相 60°180°-60°60°180°-60° ----消除奇3倍次谐波
O
uo 120° O
t
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三相电压型二重逆变电路
波形变换方法
电路
合成六电平阶梯波 更近正弦
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谐波分析
基波α
1
-B2 α
B2 -B25 A25 A27 -B27 α α
目的:
改进输出电压电流波形,减小谐波
多套逆变器移相组合输出多电平阶梯波，
一套逆变器输出多电平阶梯波
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5.4.1 多重逆变电路
多重逆变电路 电压型、电流型都可多重化 单相电压型二重逆变电路 (1)两套逆变电路移相60° (2)输出串联组合。
工作波形 输出谐波： 谐波 1 3 5 7 9 11
13
*线电压与相电压
uUN=eU-uN =eU -(eU+eV+eW)/3 =(uUV - uWU)/3 uUN=(1+q-60°)uUV/3
14
负载电压有效值 线压: UL=0.816Ud 基波UL1=.955UL=0.780Ud (幅值1.10Ud>Ud)
相压: Up=UL/√3 =0.471Ud 基波Up1=UL1/√3=0.456Ud
= 0 --1&3，2&4 导通 —可输出三电平阶梯波 RL负载时io近正弦。 输出有效值可调 Uo=sqrt(θ/π)Ud
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特点:(1)交流电压(电源利用率)高 (2)可调相调压 (3)交流不自动平衡，可闭环平衡 应用广
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3*带中心抽头变压器的逆变电路
V1,V2交替触发,输出交流侧波形同全桥全导通 V为正功通道,D为负功通道 开关器件少,且与电源共地易触发；受压高,需变压器
三臂导通方式,间隔60°： 561 612 123 234 345 456 横向120°,纵向180°换流 电源相电势(对O) e： U: + + + - - - Ud/2 方波 V: - - + + + - 滞后U120° W: + - - - + + 滞后V120° 线电压 UV: + + 0 - - 0 Ud 矩形波 负载地uN=(∑e)/3 ≠0 N: + - + - + - Ud/6,脉动 负载uUN=eU-uN =(2eu-ev-ew)/3 U:1 2 1 -1 -2 -1 Ud/3 凸形波 注:N≠O 负载相压≠电源相压
全控型器件（IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等）： 器件换流（Device Commutation） ----自关断换流。 晶闸管换流方式：。 电网换流（Line Commutation） 电网提供关断负电压。 例：整流与有源逆变电路。 强迫换流（Forced Commutation） 设置附加LC等电路提供关断负压。 负载换流（Load Commutation） 容性负载可提供关断负压 见电流型逆变电路
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5.3 电流型逆变电路
电流型逆变电路主要特点
(1) 直流侧串大电感， 近电流源，电流平稳。
(2) 交流侧: 电流为矩形波。 容性负载电压近正弦波 (3) 负载无功由负电压反馈到直流侧,由电感缓冲. 不需逆导二极管. 采用半控型器件仍较多。 换流方式有负载换流和强迫换流。
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5.3.1单相电流型逆变电路
串联二极管式晶闸管逆变电路
用于中大功率交流调速 工作方式，输出波形同前。 强迫换流方式 (大电机不易并C获容性) 电容C1~C6为换流电容。
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5.3.2 三相电流型逆变电路
图5-16 U--V换流过程
原Id至U相, 等效C13受uUV 充电左正, T3正压.D3断
T3触通 C13使T1反压关断. id由T3,C13,D1至U D3仍反压断
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A, 0,0, A/11, A/13, 0, 0, A/23, A/25,…
5.4.2
多电平逆变电路
中点钳位型（Neutral Point Clamped）三电平逆变电路
电源相电势ep三电平:±Ud/2,0如上图 线电压: uUV=eU -eV 组合得五电平: 0,±Ud/2 ±Ud 负载相电压 up=(1/3)（1+q-60°)uL 可更多阶梯,更近正弦
1 1
A1 A2
=30°合成 A=2A1
5次谐波
α 5=5α 1=150°
α
α
7
5
A15(=A1/5)
合成为0 7次谐波 α 7=7α 1=210° 合成为0
5
A17(=A1/7)
α7 n=6+12k±1次谐波被消除,只有12k±1次谐波
n
幅值
1, 5,7, 11,
13
17, 19, 23,
25,…..
常用三相桥式逆变电路 N’为电源中点--逻辑点 仅用理论分析 N为负载中点 桥臂1、3、5输出正压 4、6、2输出负压 V正功 D负功通道， V&D 双向通道 等效电路如右 注电源电势e=±Ud/2
uN=(eU+eV+eW)/3≠0
即 N≠O ，从而：
负载相电压u=e-uN
≠电源相电势e
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导通方式与电压波形
例无刷直流机二相导通工作方式：
12-23-34-…
使定子磁场领先转子磁场60-120度 运转过程定子绕组反电势：
e=Ceφn与电流i反向，且不能突变，相似于电容电压
12导通时i:UW,e:W(V)U
3管受正压。3管触发导通后e对1管反压关断
--起动时无反电势,另行解决
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5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路
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电压型单相半桥逆变电路
工作过程如图:电压阶梯波,电流更近正弦 V为正功通道,D为负功通道 (“无功”通道) 特点:开关器件少,但需电容;输出自动平衡,无直流分量 输出电压(电源利用率)低;不能输出0压调有效值 常用于几kW以下的小功率逆变电源
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电压型单相全桥逆变
输出：
uo=±Ud --1&4，2&3 导通
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。
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5.1 器件换流方式
换流——电流从关断支路向导通支路的转移， 也称为换相。
导通：触发导通。 关断：---换流主要问题 全控型器件:门极控制关断。 半控型(晶闸管):外部条件--反压、零流关断。
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5.1 换流方式分类
10
正弦型
负载串C成RLC io的阶跃响应光滑 谐振频率f0＝1/T0 逆变频率f<=>f0时io如下图 f=f0最好,但R_L_f0会变化, 常f>f0,io滞后。 负载为变压器原边时 副边输出电压近正弦。 负载基波电压UL1=（R+jXL)Uo1/[R+j(XL-XC)]>Uo1
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5.2.2 三相电压型逆变电路
1)电路如右上图。负载RL并C 常用于中频1-2.5KHZ加热 2) 导通方式: 纵横臂相差180°: 14,23,14,… 频率f>谐振fx 3)换流方式:(容性)负载换流. V1V4导通uo为+时,V2V3受正压 触通V2V3后,uo对V1V4反压关断 4)工作波形: 5)功率流:负荷吸收有功, id↓ 负荷(反压)反馈无功, id↑ id↓↑磁能↓↑ L缓冲无功 6)输出电压:设uo正弦 方波io基波I1=0.9Id 负载P=(0.9Id)*Uo*cosφ=Ud*Id 即Uo=Ud/(0.9cosφ)-与频率负载有关
第5章 逆变电路
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第5章 逆变电路 • 引言
逆变 直流电交流。
交流侧接电网--有源逆变。
交流侧接负载--无源逆变-----本章讲述无源逆变。 逆变是变频的基础 变频：交交变频 交直交变频: 交直交变频（整流 + 逆变）。
主要应用
各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等，
给交流负载供电。
*5.3.2 三相电流型逆变电路
20
5.3.2 三相电流型逆变电路
容性负载可负载换流 ----可用晶闸管 (V1V2导通时uUV正值使V3正压, V3触通后其又使V1反压关断) 负载容性化: 中小异步机(感性) ---可并C成容性 同步电动机 ---加大励磁成容性
21
5.3.2 *三相电流型逆变电路
C13受Id充电 电压反向
D3正压通, 而D1反压断. Id由T3D3至V相.
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5.3.2 三相电流型逆变电路
无换向器(同步)电动机 --定子线圈,转子磁极. 其反电势与电流反向且不能突变 --与电容电压相似 可用电流型逆变器驱动
BQ检测转子磁极位置(uUV)控制触发电路
Hale Waihona Puke Baidu
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三相电流型逆变电路
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例晶闸管LC强迫换流 (1) 电源经VD2对C充电压左正右负, (2)主VT1通(VD1反压断),供电负载 (3)换流开关VT2导通,LC谐振:----uc,ic可变向 (4)ic反向后, VT1电流减至0 而关断 注:VT1断后VD1才导通续流ic
5.1.2 换流方式分类
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5.2 电压型逆变电路