第四章 DC-AC变换器(无源逆变电路)3

t 2
sin(r t ) I d R
U VT 2,3
t
t
4.4.1 电流型方波逆变器
单相全桥电流型方波逆变器
负载换流方式 • 负载电流的相位超前于负载电压 的场合，都可实现负载换流。负 载为容性、同步电动机 • 整个负载工作在接近并联谐振状 态而略呈容性。 • 直流侧串电感，工作过程可认为 id 基本没有脉动。 • t1必须在u0过零前留有足够的裕 量，以使晶闸管关断
ii ui
VT1 C VD1 VT2 VD2 RL
VT3 VD3
io
uo
VT4 VD4
i i V T1 iV T4
t
i
iV T2 iV T
t1
3
t
io
t
4.4.1 电流型方波逆变器
单相全桥电流型方波逆变器
2. 半控型单相全桥电流型方波逆变器结
构
• • 功率器件为晶闸管 基于晶闸管的半控型逆变器的换流可采用强 迫换流和负载换流两种换流方式。 当晶闸管逆变器采用强迫换流时，一般需增 加强迫换流电路，从而使其结构复杂化。 晶闸管逆变器采用负载换流时，晶闸管的换 流电压需要由负载提供，即要求负载电流相 位超前负载电压相位，显然，这就要求负载 为容性负载。
iuv
2π 2π c)
t t
π
4.4.1 电流型方波逆变器
三相桥式电流型方波逆变器
U G1
U G2
VT1 VT1
π π
VT 2 VT 3
2π 2π 2π
VT 2 VT 3 VT 4
t t t t t t t t
w
U G3 U G4 U G5
π VT 4 π π
VT 5 VT 6
4.4.1 电流型方波逆变器
三相桥式电流型方波逆变器
U G1
U G2
VT1 VT1
π π
VT 2 VT 3
2π 2π 2π
VT 2 VT 3 VT 4
t t t t t t t t
•
U G3 U G4 U G5
π VT 4 π π
VT 5 VT 6
2π 2π 2π 2π
VT 5
U G6 VT 6
C6
VD 2
•
晶闸管三相全桥（串联二极管式）电流 型方波逆变器的电路结构 •
电路采用了强迫换流方式，其中C1~ C6为换流电容，VD1~ VD6为串联二 极管。 由于晶闸管本身具有反向阻断能力， 因此，图中的串联二极管VD1~ VD6 其主要作用是为了阻断换流电容间的 相互放电。 左图所示电路通常称为串联二极管式 晶闸管逆变器。 基于晶闸管的半控型三相全桥电流型 方波逆变器仍采用120°导电方式。
4.4.1 电流型方波逆变器
单相全桥电流型方波逆变器
Li
1. 全控型单相全桥电流型方波逆变器 • 为了使全控型功率器件具有足够的 反向阻断能力，通常在每个功率管 上正向串联一个二极管。 • 另外，由于电流型逆变器的输出电 流是基于功率器件通断直流侧电流 的方波电流，因此，为了防止输出 过电压，电流型逆变器的输出需要 接入滤波电容。 • 单相全桥电流型方波逆变器也可采 用PAM（脉冲幅值调制）控制和 SPM（单脉冲控制）两种控制方式， 且与电压型方波逆变器工作原理类 似。
4.4.1 电流型方波逆变器
三相桥式电流型方波逆变器
• 二极管换流阶段： • t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。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。
-
io
uo
VT4 VD4
VT1
C
VD1
io
Z
VT3
VD3
VT2
uo VD2
VT4
VD4
4.4 电流型逆变器
与电压型逆变器类似，依据控制方式和结构的不同，电流型逆变器也 可分为方波型、阶梯波型、正弦波型（PWM型）三类。下面主要讨 论方波型、阶梯波型电流型逆变器。
4.4.1 电流型方波逆变器
• 电流型方波逆变器按拓扑结构的不同可分为电流型单相 全桥逆变器以及电流型三相桥式逆变器两类。 • 也可以按电流型逆变器所采用功率器件的不同分为半控 型和全控型两类。 • 由于电流型逆变器尤其是大功率电流型方波逆变器仍有 不少采用基于晶闸管的半控型结构，因此，除全控型结 构外，以下讨论还将涉及到半控型电流型逆变器。
i3
i3
o
RF—整流器 a)
INV—逆变器
i0
可将PAM方波相位互相错 开60°/3=20°角
_ 2 π Id 9 Id Id _ 3π 9 _ 4π 9
b)
o
4.4.2 电流型阶梯波逆变器
以下分析三相电流型逆变器的并联多重叠加结构
i1
o 10
Id
_ π 9
io
Id Id
4Id (2.494)(sin t 0.0454sin 5t 0.0264sin 7t ) π
uo io O
uo
a)
io
ωt
i
O
iVT1 iVT4 iVT2 iVT3
ωt ωt
i
O u VT O
t1
uVT1
b)
uVT4
ωt
4.4.1 电流型方波逆变器
三相桥式电流型方波逆变器
三相桥式电流型方波逆变 器的典型结构如右图所示
与单相全桥电流型方波逆变器类 三相桥式电流型逆变电路 似，三相全桥电流型方波逆变器 可采用PAM控制和SPM两种控 制方式。 本书只对该控制方式展开讨论
电 力 电 子 技 术
Power Electronic Technology
4.4 电流型逆变器
Li
•
电流型逆变器拓扑是逆变器另一类主要 的拓扑结构。这类逆变器的直流侧以电 感为能量缓冲元件，从而使其直流侧呈 现出电流源特性。 电流型逆变器有以下主要特点：
ii ui
VT1 C VD1 VT2 VD2 RL
4.4 电流型逆变器
• 值得注意的是，电流型逆变器与电压型逆 变器在结构上具有一定的对偶性，例如： – 电压型逆变器直流侧的储能元件为电容，
Li
ii ui
VT1 C VD1 VT2 VD2 RL
VT3 VD3
– 而电流型逆变器直流侧的储能元件为电 感；
– 另外，电压型逆变器的的功率管旁有反 向并联的续流二极管，而电流型逆变器 + 的功率管旁则一般有正向串联的阻断二 极管（具有反向阻断能力的功率管除外，u i 例如晶闸管）。
4.4.1 电流型方波逆变器
三相桥式电流型方波逆变器
三相全桥电流型方波逆变器一般 只采用120°导电方式。 采用120°导电方式时，任何瞬 间，三相全桥电流型变流器有且 只有两个桥臂导电，此时三相全 桥电流型变流器的三相输出只有 两相输出电流，因而两相输出电 流的幅值必然一致。
三相桥式电流型逆变电路
＝π/6
π/4 5π/12 π-5π/12 π-π/4 π+π/4 π+5π/12 2π-5π/12 2π-π/4
＝2π/3
ia
t t t
2 3 I d (sin t 0.2sin 5t π 0.143sin 7t 0.09sin11t )
4Id (1.673)(sin t π 0.0536sin 5t 0.0383sin 7t )
• •
4.4.1 电流型方波逆变器
三相桥式电流型方波逆变器
分析从VT1向VT3换流的过程: 假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正 右负。如左图
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。如右图。 uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压时间 大于tq就能保证关断。
4.4.1 电流型方波逆变器
L i ii
V T 1
C C 1 3 C 5 V D V D 5 U V 3 D 1 V ui V T V T V T W C C 4 6 C 2 V D D D 4 V 6 V 2
4 6 2
三相桥式电流型方波逆变器 2. 半控型三相全桥电流型变 V T T 流器 3 V 5
Li
ii
VT1
满足负 载的容 性需求
•
•
C
RL uo
VT3
ui io V T2
a)
L
VT4
为使负载电压成 正弦变化，一般 应设计为并联谐 振模式
4.4.1 电流型方波逆变器
单相全桥电流型方波逆变器
Ld id E VT2 VT1 i0 R u0 VT3
VT1,4
t
VT2,3
C L
t
VT4
i0
u0 Ce
VT3 VD3
io
uo
VT4 VD4
•
① 直流侧有足够大的储能电感元件，从而使其直流侧呈现出电流源特性， 即稳态时的直流侧电流恒定不变。 ② 逆变器输出的电流波形为方波或方波脉冲，并且该电流波形与负载无关。 ③逆变器输出的电压波形则取决于负载，且输出电压的相位随负载功率因 数的变化而变化。
④ 逆变器输出电流的控制仍可以通过PAM （脉冲幅值调制）和PWM（脉 冲宽度调制）两种基本控制方式来实现。
2π 2π 2π 2π
模式1 i i VT6 v i iu ii VT 1 VT 2 模式2 iu ii VT 1 VT 2 模式3 i i v i VT 3
v
u i 2i uv i 3
w
1 ii 3
VT 5
2 ii 3
u
U G6 VT 6
iu iv
π π π
v
w
2π
iw
π
1 ii 3
io
(b)
两重叠加后的输出电流波形中不 存在零序谐波（如3次、9次等）， 并且5次、7次谐波得到了显著衰 减。
4.4.2 电流型阶梯波来自百度文库变器
以下分析三相电流型逆变器的并联多重叠加结构
RF1 INV1
Id
RF2 INV2
i1
i1
Id
RF3 INV3
i2
io
o 10
Id
_ π 9
i2
o
Id Id
Id
• • 电容器所充电压的规律： 对于共阳极晶闸管，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。对共 阴极而言，电容极性相反。 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。
C13 3C / 2
晶闸管三相全桥（串联二极管式）电流 型方波逆变器的电路结构
VT2
a2 b2 c2
功率管每60°换相一次，可将PAM方波 相位互相错开60°/2=30°角。这样，通 过30°角的移相叠加即得8阶梯波电流。
π+π/4 π+5π/12 2π-5π/12 2π-π/4
(b)
4.4.2 电流型阶梯波逆变器
以下分析三相电流型逆变器的并联多重叠加结构
i1 i2 io
iu iv
iw
π π π
2π 三相桥式电流型逆变电路 π
需要注意的是：当负载为Y形联 接时，负载的相电流波形为120° 交流方波（电流幅值为±Id、0）； 当负载为△形联接时，负载的相 电流为变流器两相输出电流之差， 即负载的相电流波形为交流6阶梯 波波形（电流幅值为±(2/3)Id、 ±(1/3)Id）。可见，将三相全桥 电流型变流器的负载接成△形联 接时，能有效降低输出电流谐波。
Li
VD1 VD3 VD5
ii
VT1
VT3
VT5
VD4
VD6 VD2
VT4
VT6
VT2
a1 b1 c1
a b c
i1 i2 io
＝2π/3
t
＝π/6
π/4 5π/12 π-5π/12 π-π/4
电网 VD1 VD3 VD5
Li ii
VT1 VT3 VT5
t t
VD4
VD6 VD2
VT4
VT6
iuv
2π 2π c)
t t
v
π
b)
1 i uv ii 3
u
4.4.1 电流型方波逆变器
Li ii
VT1 VT3
C1 C5
VD1 V D3 VT6
三相桥式电流型方波逆变器 2. 半控型三相全桥电流型变 VT 流器 C
5 3
•
V D5 VT2
ui
VT4
U V W
•
C4 C2
VD 4 VD 6
4.4.1 电流型方波逆变器
三相桥式电流型方波逆变器
隔离作 用
4.4.2 电流型阶梯波逆变器
• •
直接并联多重叠加结构 变压器移相多重叠加结构等
4.4.2 电流型阶梯波逆变器
以下分析三相电流型逆变器的并联多重叠加结构
Li
VD1 VD3 VD5
ii
VT1
VT3
VT5
RF1
INV1 Id i1 i0
电网
VD4
VD6 VD2
VT4
VT6
VT2
a1 b1 c1
a b c
-_
RF2 INV——逆变器 RF ——整流器 Id INV2 i2
Li
VD1 VD3 VD5
ii
VT1
VT3
VT5
VD4
VD6 VD2
VT4
VT6
VT2
a2 b2 c2
（a）
4.4.2 电流型阶梯波逆变器
以下分析三相电流型逆变器的并联多重叠加结构
i2
o
i3
o
i0
三重叠加后的输出电流波形中仍不 存在零序谐波（如3次、9次等），并 且5次、7次谐波得到了进一步衰减。 显然，叠加重数越多，输出阶梯波 电流波形的阶梯数也越多，电流的谐 波含量就越小。