1、現(xiàn)代電力電子技術(shù) 第六章 DC/AC變換6.1 逆變電路的分類和控制方式逆變電路的分類和控制方式 6.1.1 逆變電路的分類逆變電路的分類 按直流電源的性質(zhì)分類: 電壓型逆變電路 電流型逆變電路 按逆變電路輸出交流電的相數(shù)分類: 單相逆變電路 三相逆變電路 多相逆變電路 按負(fù)載以及能量傳遞情況分類: 無源逆變器 有源逆變器 按逆變器輸出電平的數(shù)目分類: 兩電平逆變電路 三電平逆變電路 多電平逆變電路 按逆變器輸出交流電的頻率分類: 工頻逆變（50HZ60HZ） 中頻逆變（幾百赫茲至十幾千赫茲） 高頻逆變（十幾千赫茲至十幾兆赫茲）6.1.2 逆變電路的逆變電路的控制方式 1、對器件進行180或1

2、20導(dǎo)通控制，使 逆變器輸出波形為方波或階梯波，這種 方式對器件的工作頻率要求較低。 要求開關(guān)器件動作慢。2、采用斬波控制，這種方式可以減少輸出波 形的諧波 ，使輸出波形更接近理想波形。 要求開關(guān)器件動作快。6.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 6.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 1、單相半橋式逆變電路 某弧焊逆變電源主電路 單相全波可控整流電路和單相半橋式逆變電路 單相全波可控整流電路 單相半橋式 逆變電路單相半橋式逆變電路及其波形圖 等效電路及其波形圖 0 t 2區(qū)間： VT1正偏（上橋臂通），VT2反偏（下橋臂關(guān)斷），負(fù)載電壓uo = uAN = Ud/2。0t1區(qū)間： i

3、o與uo方向相反， 電流通路為： NRLVD1C1(+),L放能。t1t2區(qū)間： io流向變?yōu)閺挠蚁蜃螅琕T1通， VD1斷。電流流通路徑為： C1(+)VT1LRN，L儲能。t2t4區(qū)間： VT1反偏（上橋臂斷），VT2正偏（下橋臂通），負(fù)載電壓uo =uAN =Ud/2。 t2t3區(qū)間： io0，負(fù)載電感放能，故VD2導(dǎo)通，VT2關(guān)斷， io減小，電流流通路徑為： C2(-)VD2LRN t3t4區(qū)間：L儲能釋放完畢，VD2關(guān)斷，VT2開始導(dǎo)通，電感反向充電，io反向增加。電流流通路徑為： C2(+) R L VT2 C2(-) 2、單相全橋式逆變電路 等效電路及其波形圖 v固定脈沖控制方

4、式 VT1、VT4驅(qū)動信號同相，VT2、VT3驅(qū)動信號同相，而VT1、VT4和VT2、VT3的驅(qū)動信號互補，逆變器輸出的交流電壓和電流波形與半橋式逆變器基本相同，區(qū)別是全橋式逆變器導(dǎo)通器件為對角橋臂開關(guān)器件成對導(dǎo)通，因而負(fù)載輸出電壓幅值為直流電壓值，是半橋電路的2倍。 固定脈沖控制方式的交流輸出電壓仍為正負(fù)電壓各為180的方波，輸出電壓有效值的調(diào)節(jié)只能靠改變直流側(cè)電壓Ud完成，由于直流側(cè)并聯(lián)有大電容，影響了調(diào)節(jié)的快速性。 v 移相控制方式 對成對導(dǎo)通的兩組開關(guān)器件（對角開關(guān)器件為一組）的驅(qū)動信號不再按相差控制，而是移動一定角度，使輸出電壓波形的寬度發(fā)生變化，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。 VT1

5、、VT4和VT3、VT2的驅(qū)動信號互補，但VT1與VT4、 VT2與 VT3的驅(qū)動信號錯開角。 脈沖移相控制時的工作波形 0t1區(qū)間： K1、K4通， K2、K3斷， io0t1 t2區(qū)間： K1、K4通， K2、K3斷， io0t2 t3區(qū)間： K1、K2通， K3、K4斷， io0t3 t4區(qū)間： K2、K3通， K1、K4斷， io0 t4 t5區(qū)間： K2、K3通， K1、K4斷， io0t5 t6區(qū)間： K3、K4通， K1、K2斷， io03、推挽式單相逆變電路 電路結(jié)構(gòu)與單相全波可控整流電路相同。 開關(guān)由IGBT和二極管反并聯(lián)組成，副邊繞組接負(fù)載。交替驅(qū)動VT1和VT2，則在變壓

6、器副邊得到波形與全橋電路完全相同的輸出電壓uo和電流io。6.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路 低壓變頻器主電路低壓變頻器主電路 電壓型全橋式逆變電路 電壓型全橋式逆變電路的控制方式：電壓輸出波形為180導(dǎo)通型的方波;電壓輸出波形為120導(dǎo)通型的方波;脈沖寬度調(diào)制 .1、180導(dǎo)通型方波輸出三相逆變器 希望輸出的三相相電壓波形 從波形看，每個周期輸出六種狀態(tài)： UW高V低；U高VW低；UV高W低； UW低V高；U低VW高； UV低W高。 每個橋臂的導(dǎo)通角度為180，同一相上下兩個橋臂交替導(dǎo)電，三相負(fù)載同時施加電壓，各相導(dǎo)電的角度依次相差120。 設(shè)六個開關(guān)為K1K6，其中K為VT和

7、VD的并聯(lián)。六個開關(guān)的導(dǎo)通順序為K1、K2、K3、K4、K5、K6. 在同一時刻，有三個開關(guān)導(dǎo)通，或者上橋臂一個下橋臂兩，或者上橋臂兩開關(guān)下橋臂一個。 負(fù)載線電壓為輸出相電壓之差 每個輸出周期分六個開關(guān)組合狀態(tài) U相高的前60、 V相低的中間60 和W 相高的后60 ， K1、K5、K6導(dǎo)通 當(dāng)電流為負(fù)時（感性負(fù)載電流滯后電壓），實際導(dǎo)通器件可能為二極管。等效電路如下： 直流電壓Ud 通過K1、K5 、K6加到負(fù)載的三端。負(fù)載U相和W相并聯(lián)后再與V相串聯(lián)接到Ud兩端。 U相和W相并聯(lián)后的阻抗為每相阻抗的一半。該阻抗與V相阻抗串聯(lián)后共同承擔(dān)電壓Ud。因此， 相對于負(fù)載公共點N點，U相和W相上的電

8、壓為1/3 Ud ， V相上的電壓為-2/3 Ud 。 U相高的中間60、 V相低的后60 和W相低的前60 ， K1、K2、K6導(dǎo)通 相對于N點， U相上的電壓為2/3 Ud ， V相和W相上的電壓為-1/3 Ud 。 U相高的后60、 V相高的前60 和W相低的中間60 ， K1、K2、K3導(dǎo)通 相對于N點，U相和V相上的電壓為1/3 Ud ，W相上的電壓為-2/3 Ud 。 U相低的前60、 V相高的中間60 和W相低的后60 ， K2、K3 、K4導(dǎo)通 相對于N點，V相上的電壓為2/3 Ud ，U相和W相上的電壓為-1/3 Ud 。 U相低的中間60、 V相高的后60 和W相高的前60

9、 ， K3 、K4 、K5導(dǎo)通 相對于N點，V相和W相上的電壓為1/3 Ud ，U相上的電壓為-2/3 Ud 。 U相低的后60、 V相低前的60 和W相高的中間60 ， K4 、K5 、K6導(dǎo)通 相對于N點，U相和V相上的電壓為-1/3 Ud ，W相上的電壓為2/3 Ud 。每相負(fù)載上的電壓為每相阻抗上的壓降 2、120導(dǎo)通型方波輸出三相逆變電路 該控制方式的逆變電路的上橋臂開關(guān)K1、K3、K5和下橋臂開關(guān)K4、K6 、K2各自以相隔120的順序依次導(dǎo)通，一個周期中每個開關(guān)導(dǎo)通120。同一時刻，只有兩個開關(guān)導(dǎo)通，一個屬于上橋臂，另一個屬于下橋臂。 該方式同一相上下橋臂有60的導(dǎo)通間隙，對換流

10、的安全有利，但開關(guān)器件的利用率較低，并且當(dāng)電動機采用星型接法時，始終有一相繞組斷開，換流時該相繞組中會引起較高的感應(yīng)電勢，需采取過電壓保護措施。 三相逆變電路及其等效電路 希望的三相相電壓波形 希望輸出的三相相電壓波形如左圖所示。同一時間段，只有兩相有輸出電壓。三相電壓互差120。工作原理分析每個工作周期有六種狀態(tài)U、V兩相有電壓，K1、K6導(dǎo)通U、W兩相有電壓，K1、K2導(dǎo)通 V、W兩相有電壓，K3、K2導(dǎo)通 V、U兩相有電壓，K3 、K4導(dǎo)通 W、U兩相有電壓，K5 、K4導(dǎo)通 W、V兩相有電壓，K5 、K6導(dǎo)通 在180導(dǎo)通方式的逆變器中，為了防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起

11、直流電源短路，必須在兩開關(guān)切換時設(shè)置死區(qū)時間。死區(qū)時間：指同一相上的兩開關(guān)切換時驅(qū)動信號同時為0的一段短暫的時間。 當(dāng)兩器件切換時，應(yīng)采取先斷后通的方法，即先使應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷，其關(guān)斷一定時間之后，再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號，這一間隔要確保應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷后才開通另一器件。 死區(qū)時間的長短取決于器件的開關(guān)速度，器件的開關(guān)速度越快，所留的死區(qū)時間就可以越短。對于工作于上下橋臂通斷互補控制方式的任何電路，都必須設(shè)置“先斷后通”的死區(qū)時間。6.3 電流型逆變電路電流型逆變電路 直流電源為電流源的逆變電路即為電流型逆變電路。一般電流源的輸出端都串聯(lián)有大電感，使輸出電流脈動很小，近似為恒流。 6.3.

12、1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路 晶閘管組成的單相橋式電流型逆變電路 VT1VT4組成逆變電路的四個橋臂，大電感串聯(lián)于直流電源的輸出端，因此直流回路電流Id基本不變。R、L為逆變器的負(fù)載，電容C是并聯(lián)在負(fù)載兩端的補償電容器，與L、R組成并聯(lián)諧振電路。電容C處于過補償狀態(tài)，使并聯(lián)諧振回路的電流超前于電壓u0一個角度，即R、L、C呈容性，的大小取決于電容的補償程度。 在VT1、VT3導(dǎo)通時有正向電流自A流向B，在VT2、VT4導(dǎo)通時有反向電流自B流向A , A B 間的電流是方波型的交流電。 設(shè)0區(qū)間，VT1、VT3導(dǎo)通，ioid，C與R、L工作于諧振狀態(tài)。在t=時刻之前，輸出電壓uo0,

13、 VT2、VT4 承受正向電壓。在t=時刻，VT1與VT2、VT3與VT4需要換流時，觸發(fā)VT2和VT4，VT2、VT4因受正壓而導(dǎo)通，VT1、VT3受反向電壓而關(guān)斷。在io的負(fù)半周時刻，觸發(fā)VT1、VT3，則VT2、VT4承受反向電壓關(guān)斷，VT1、VT3再次導(dǎo)通。 晶閘管觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻與負(fù)載電壓有關(guān)，這種利用負(fù)載電壓使晶閘管關(guān)斷的方式稱為負(fù)載換流方式。 6.3.2 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路 三相電流型逆變電路常用于電動機調(diào)速，此時負(fù)載為感性負(fù)載。電流型逆變電路直流回路電流不易變化，在逆變器開關(guān)動作時，如果不能保證逆變電路輸入電流穩(wěn)定，則易產(chǎn)生很高的di/dt，影響逆變器的安全

14、運行，電壓型逆變電路則沒有這類問題。因此目前中小功率變頻器大都采用電壓型逆變電路，電流型逆變電路很少使用。但是電流型逆變電路的直流電源采用晶閘管可控整流，通過調(diào)節(jié)控制角可以進行有源逆變，將交流電動機的能量回饋電網(wǎng)，實現(xiàn)節(jié)能和四象限運行較為方便。 1、三相電流型方波逆變器 該電路與120導(dǎo)通型方波輸出三相電壓型逆變電路工作原理基本相同，不同之處在于，因是電流源，當(dāng)開關(guān)器件導(dǎo)通時，負(fù)載電流為方波。因開關(guān)器件采用晶閘管，沒有自關(guān)斷能力，需要并聯(lián)換流電容C1C6為其提供反向關(guān)斷電壓。設(shè)電路已進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，在VT1、VT6同時導(dǎo)通區(qū)間，電流通路為：Ud(+)LVT1VD1電動機U相繞組V相繞組 VD

15、6VT6Ud()。60之后,VT2與VT6換流，導(dǎo)通器件為VT1 、 VT2 ，電流通路為：Ud(+) L VT1 VD1 電動機U相繞組W相繞組VD2VT2Ud()。再過60，VT3和VT1換流，導(dǎo)通器件為VT2、 VT3 ，電流通路為：Ud(+)L VT3 VD3 V相繞組W相繞組 VD2 VT2 Ud(),依此類推。同一時刻，總有兩個晶閘管導(dǎo)通，它們分別屬于上橋臂組和下橋臂組，電動機三相電流為交流方波，其頻率取決于VT1 VT6的循環(huán)工作周期，電流的大小通過整流電路中晶閘管的觸發(fā)角來調(diào)節(jié)。各橋臂的換流主要利用換流電容C1C6 組成的輔助電路完成。 現(xiàn)以VT1和VT3的換流過程來說明。在V

16、T3導(dǎo)通之前，導(dǎo)通的兩個晶閘管為VT1和VT2 ，在VT1 、 VT3陰極之間的電容為C5與C3串聯(lián)后再與C1并聯(lián)，用C13表示，其極性為左正右負(fù)。在t1時刻，給VT3觸發(fā)脈沖，則VT3導(dǎo)通，電容C13兩端的電壓作用在VT1兩端， VT1因受反壓而關(guān)斷。電流Id從VT1換到VT3上。因電流Id恒定，C13處于恒流放電狀態(tài)。 在C13放電結(jié)束之前， VT1一直承受反壓，只要反壓時間大于晶閘管的關(guān)斷時間，就能保證VT1可靠關(guān)斷。t2時刻，C13放電結(jié)束，在負(fù)載電感的作用下開始反向充電，當(dāng)C13兩端電壓（左-右+）增加到使VD3正向偏置時， VD3導(dǎo)通，此時兩個二極管VD1和 VD3同時導(dǎo)通，進入二

17、極管換流階段。 隨著充電電壓C13的增高，iu逐漸減小，iv逐漸增大，到t3時刻， iu =0， iv = Id，VD1關(guān)斷，完成U相與V相的換流，進入VT2、VT3的穩(wěn)定導(dǎo)通階段。 2、電流型逆變器在電氣傳動方面的應(yīng)用例 無換向器電動機調(diào)速系統(tǒng) 三相電流型逆變器主要應(yīng)用于交流電動機調(diào)速。其突出優(yōu)點有三個方面:1、能量可以回饋電網(wǎng)，系統(tǒng)可以四象限運行。電流 型逆變器直流環(huán)節(jié)的電流方向不能改變，但整流 電壓的極性很容易改變（當(dāng)整流電路工作于有源 逆變狀態(tài)時電壓極性反向），能量可方便地回饋 電網(wǎng)。2、整流電路若采取電流PWM控制，可改善輸入電流 波形，減少諧波。3、由于存在大的平波電抗器，過電流保

18、護比較容易。 當(dāng)逆變側(cè)出現(xiàn)短路等故障時，由于存在電抗器， 電流不會突變。 把三相電流型逆變器應(yīng)用于交流同步電動機的變頻調(diào)速即組成無換向器電動機調(diào)速系統(tǒng),也稱負(fù)載自然換向電流型交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)，是一種適用于大功率（3000KW以上）、高速（600r/min以上）、中壓（310KV）場合的同步電動機調(diào)速系統(tǒng)，在大型風(fēng)機、泵、壓縮機等設(shè)備中得到應(yīng)用，有時也用來作為巨型同步電動機（10MW）的軟起動裝置。其缺點是過載能力低（120%左右），宜拖動平穩(wěn)負(fù)載。 無換向器電動機調(diào)速系統(tǒng)主電路 下圖中MS為同步電動機，BQ為轉(zhuǎn)子位置檢測器，UR為晶閘管可控整流器，UI為晶閘管負(fù)載自然換向電流型逆變器。 無換

19、向器電動機可以等效為只有三個換向片的直流電動機。其中逆變器UI相當(dāng)于機械換向器，位置檢測器BQ相當(dāng)于直流電動機電刷。電樞繞組在定子側(cè)，與直流電動機位置正好相反。 6.4 逆變電路在中高壓電氣傳動方面的應(yīng)用例逆變電路在中高壓電氣傳動方面的應(yīng)用例多電平逆變電路多電平逆變電路 前面討論的逆變電路的相電壓只有Ud/2和-Ud/2兩種電平，因而稱為二電平逆變電路。常用IGBT的最高允許電壓一般小于3300V，即使是耐壓能力較高的GTO，一般也不超過6000V。因此受當(dāng)前電力電子器件生產(chǎn)和制造技術(shù)的限制，二電平逆變電路難以滿足中高壓逆變器的需要。二電平逆變器輸出相電壓只有兩個電平狀態(tài)，輸出電壓波形的諧波含

20、量較高，電磁干擾較重。多電平逆變電路則可克服上述缺點。 v中壓電壓等級問題中壓電壓等級問題 國際上，對于交流輸電系統(tǒng)有如下電壓等級： 超高壓：330-750（765）KV； 高壓：10KV以上（35-220KV）； 中壓：1KV10KV； 低壓：1KV以下。 直流輸電系統(tǒng)一般采用高壓直流輸電，電壓等級 為500KV。 我國輸電電壓等級： 高壓電網(wǎng)：110KV和220KV； 超高壓：330KV、500KV、750KV； 特高壓：1000KV交流、 800KV直流。 電氣傳動的電壓等級的劃分，國外：10KV以上為高壓；1KV10KV為中壓；1KV以下為低壓。我國：1KV10KV變頻器為高壓變頻器。 電氣傳動的電壓等級的劃分 國外：10KV以上為高壓； 1KV10KV為中壓； 1KV以下為低壓。 我國：1KV10KV變頻器為高壓變頻器。 在我國，一般情況下200KW以上電動機用中壓，400