第4章 电流逆变电路

4-4
4.2.1 换流方式分类
换流——电流从一个支路向另一个支路转 移的过程，也称为换相。
开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 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。
4.1 电压型逆变电路
1）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 无功功率。为了给交流侧 向直流侧反馈的无功能量 提供通道，逆变桥各臂并 联反馈二极管。
电压型全桥逆变电路
4-1
4.3.3 三相电流型逆变电路
VT C
1
VT
3
VT VT
1
3
13
C VD
+ VD
1 3
13
+ 1
VD
VD
3
U V
W VD
U V
W
2
VD
2
I
VT
2
d
I
VT
2
d
4-15
4.3.3 三相电流型逆变电路
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。
4-8
4.3.2 单相电流型逆变电路
u G1,4 O u G2,3 O
iT O io O i VT1,4 Id tg i VT2,3 t t t
2) 工作分析
t1
Id
t2 t3
t4
t5
t6
t7
t
uo
O
td tb
t
一个周期内有两个导通阶段和 O u VT1,4 两个换流阶段。
换流阶段：LT使VT1、VT4不能立 O 刻关断，电流有一个减小过程。 uAB VT2、VT3电流有一个增大过程。 O
忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数
4I d 1 1 io sin t sin 3t sin 5t 3 5
基波电流有效值
I o1
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）
Uo
4I d 0.9 I d 2
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。 换流阶段分为恒流放电和二极管 换流两个阶段。 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就能保 证关断。
u VT2,3
t
t
t
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。 LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。
4-9
4.3.2 单相电流型逆变电路
u G1,4
u G2,3 O
O
i VT
1,4
2) 工作分析
iT
O io O
i VT Id tg
2,3
等效换流电容概念：分析从VT1向VT3换流时，左图中的C13就是 右图中的C3与C5串联后再与C1并联的等效电容。 电容器所充电压的规律：对于共阳极晶闸管，与导通晶闸管相连 一端为正，另一端为负；不与导通晶闸管相连的电压为零。
VT 1
C
13
VT 3
VD 1
U
+ V W VD
VD 3
2
I
VT 2
d
4-14
t
输出电流波形和负载性质无关， i O 正负脉冲各120°的矩形波。 输出电流和三相桥整流带大电感 i O 负载时的交流电流波形相同，谐 u 波分析表达式也相同。 O 输出线电压波形和负载性质有关， 大体为正弦波。
W
t
t
UV
t
图4-14 电流型三相桥 式逆变电路的输出波形
4-12
4.3.3 三相电流型逆变电路
4-5
4.1.2 换流方式分类
1) 器件换流
– 利用全控型器件的自关断能力进行换流。 – 在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控 型器件的电路中的换流方式是器件换流。
2) 电网换流
– 电网提供换流电压的换流方式。 – 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其 关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用 于没有交流电网的无源逆变电路。
4.3.2 单相电流型逆变电路
1) 电路原理
由四个桥臂构成，每个 桥臂的晶闸管各串联一 个电抗器，用来限制晶 闸管开通时的di/dt。 工作方式为负载换相。 电容C和L 、R构成并联 谐振电路。 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。
单相桥式电流型 （并联谐振式）逆变电路
t t t
t1
Id
t2 t3
t4 td tb
t5
t6
t7
t
uo
O
t
tg 为换流时间 Tb为VT承受反压时间 td 为触发引前时间 io超前于uo的时间 tg t t b 2
u VT 2,3
O t
u VT 1,4
O
t
u AB
O t
图4-13并联谐振式逆变电路工作波形
4-10
4.3.2 单相电流型逆变电路
4.2 电流型逆变电路
• 直流电源为电流源的逆 变电路称为电流型逆变 电路。
电流型逆变电路主要特点 (1) 直流侧串大电感，电 流基本无脉动，相当于电 图4-11 电流型三相桥式逆变电路 流源。 (2) 交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。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。
U d U 1.11 d cos 2 2 cos
4-11
4.3.3 三相电流型逆变电路
1) 电路分析 基本工作方式是120°导电方式－ 每个臂一周期内导电120°，每个 时刻上下桥臂组各有一个臂导通， 换流方式为横向换流。 2) 波形分析
图4-11 电流型三相桥式逆变电路
iU O
V
Id
串联二极管式晶闸管逆变 电路
主要用于中大功率交流电动机 调速系统。 是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 和上页的波形大体相同。 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
4-13
换流过程分析
4.3.3 三相电流型逆变电路
须在电源侧设置反并联有 方便，主电路不需要附 源逆变器 加设备
调速动态响应 适用负载
较慢 带多台电机齐速运行
快
单机拖动，尤其是加减速 频繁﹑需经常反转的场合
4-3
以单相桥式逆变电路为例回顾最基本的工 作原理
uo
Ud S1 io 负载 S3 uo S 4 io t1 t2 t
S2 a)
b)
图4-1 逆变电路及其波形举例
3) 负载换流 4) 强迫换流
4-6
4.1.2 换流方式分类
• 换流方式总结：
器件换流——适用于全控型器件。 其余三种方式——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——属于外部换流。
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。
4-7
VT VT
1 3
VT VT
1
3
C
C
13
VD VD
1
- +
i
V
13
- +
3
VD VD
1
3
U i =I - i U d V
V i
U V
W
V
W
VD
VD
2
2

I
VT
VT
d
2
2
4-16
4-2
电压源和电流源逆变器主要特点比较
逆变器类型 电压源 比较项目 电流源 电抗器 决定于负载，对电机负 载近似为正弦波
直流回路滤波 (无 电容器
功功率缓冲环节)
输出电压波形 输出电流波形 开关器件 输出阻抗 回馈制动
(四象限运行)
矩形波
决定于负载的功率因数， 矩形波 由较大的谐波分量 全控器件反并联二极管 小 大部分为晶闸管 大