电力电子技术(机械工业出版社)第三章直流交流变换电路

VD5
VT5
C5
RW
Ud
+
Cd
VD 4
RV
VT4
C4
VD 6
VD 2
L5 W L2 VT2 C2
ZU
0
ZV
ZW
逆变器中晶闸管的导通情况（180°电压型）
晶闸管 区间 VT1 00~600 导通 ~1200 导通 ~1800 导通 ~2400 ╳ ~3000 ╳ ~3600 ╳
VT2
VT3 VT4 VT5 VT6
（1）触发电路工作不可靠。不能适时、准确地给各晶闸 管分配触发脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等。
（2）晶闸管发生故障。器件失去阻断能力，或器件不能 导通。
（3）交流电源异常。在逆变工作时，电源发生缺相或突 然消失而造成逆变失败。 （4）换相裕量角不足，引起换相失败。应考虑变压器漏 抗引起的换相重叠角、晶闸管关断时间等因素的影响 。
• 下图为两组晶闸管反并联电路的框图。设P为正组，N为反 组，电路有四种工作状态。
I d1
P + N + P +
I d2
N
U dα
Id
U dα
+ M E
U dβ
+ M E
+
U dβ
-
Id
-
-
-
-
正组整流
4-5
反组逆变
3.3 无源逆变（变频）电路
■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。
，则各晶闸管的触发间隔为60°。 • （2）每组晶闸管触发间隔为120°。每相晶闸管触发间隔为180°。
• （3）按顺序，晶闸管触发间隔为60°，每个晶闸管维持导通180°后
关断 (180°导电型)。6个晶闸管在360°区间里的导通情况如下表。
VD1
VT1
RU
C1 L1 L4
U
VD3
VT3
C3 L3 V L6 VT6 C6
u 22 u
0 0
u2 u2
tt
0
0
t
t
ugg u
0 0
ug ug
tt
Ud d U
EE
udd u
0 0 ud ud 0 0
t
t
0 0
t
Ud E Ud E
t
tt
☞整流状态：电动机M作电动机运行，的范围在0~/2间，直流侧输出Ud为正值，并且Ud>EM，
交流电网输出电功率，电动机则输入电功率。 ☞逆变状态：电动机M作发电回馈制动运行，由于晶闸管器件的单向导电性，电路内Id的方 向依然不变， 而M轴上输入的机械能转变为电能反送给交流电源，只能改变EM的极性，为了 避免两电动势顺向串联，Ud的极性也必须反过来，故的范围在/2~，且|EM|>|Ud|。
要使整流电路工作在逆变状态，必须满足两个条件：
1）变流器的输出Ud能够改变极性，即让变流器的控制角α＞90° 即可。 2）须有外接的提供直流电能的电源E。E也要能改变极性，且有 |E|>|Ud| 。
3、逆变角β
——逆变状态时的控制角称为逆变角β 规定以α=π处作为计量β角的起点，大小由计量起点向左计算。 满足如下关系：
有源逆变电路可借助电网换流，而无源逆变电路则须另设强
迫换流电路来实现换流，或采用全控型电力电子器件构成换 流电路。
■换流方式分为以下几种
◆器件换流（Device Commutation）
☞利用全控型器件的自关断能力进行换流。 ◆电网换流（Line Commutation）
☞电网提供换流电压的换流方式。
整流器 逆变器
IM
VT4 VD 4 VT6 VD 6 VT2 VD 2
图4-8 三相桥式电压型交直交变频器
三项桥式电压型交-直-交变频器
（2）交-直-交电流型变频器 • 直流环节：大电感，输出直流电流平直（矩形波或阶梯波）----恒流源性质-----电流型变频器。
L
VT1
VT3 VT5
VT4 VT6 VT2
按负载性质的不同，逆变分为有源逆变和无源逆变 1）有源逆变——把逆变电路的输出接到交流电源上， 把直流电逆变成与交流电源同频率的交流电返送到电源。 2）无源逆变——逆变电路的交流侧不与电源联接，而 直接接到无源负载。
3.2
有源逆变电路
3.2.1 单相双半波有源逆变电路
1、电路结构
VT VT 1 1
u v w
LB
iVT1 iVT2 iVT3
VT1
L
L B VT2 LB
VT3
id ud
M EM +
0
ud
u
d
u
u
u
b
u
c
u
a
u
b
0
O
p
P
t
t

id
i
d
gg


i

>g >g
iVT1 1
i
VT
g
i
VT

< gg
<g
iVTVT 2
O
i
2
VT iVT3 3
i
VT
2
iVT2
3
iVT3
第三章
直流-交流变换电路
本章主要内容
无源逆变电路、有源逆变的条件、逆变失败与最小
逆变角的限制；
无源逆变电路、交-直-交变频器、电压型和电流型 变频器、变频器180度和120度导电规则的原理与分析； SPWM变频（电压正弦PWM、电流正弦PWM、磁通正弦 PWM）的原理与分析。
3.1 逆变的概念
逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。
t
t
换相裕量角不足，引起换相失败
2、确定最小逆变角min的依据
◆逆变时允许采用的 最小逆变角 应等于

min
g ' 30 o ~ 35 o
☞g 为换相重叠角，即
cos cos( g )
根据逆变工作时=-，并设=g，上式可改写成
cosg 1
主电路=整流器+滤波电容+晶闸管逆变器
整流器：单相或三相整流电路。 滤波电容：Cd 逆变器：VT1~VT6主晶闸管；VD1~VD6 续流二极 管；RU、RV、RW为衰减电 阻；L1~L6为换流电感；C1~C6为换流电容；ZU、ZV、ZW三相对称负载。
VD1
VT1
RU
C1 L1 L4
U
VD3
VT3
C3 L3 V L6 VT6 C6

3.2.2 逆变失败与最小逆变角的限制
1、逆变失败
——逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电
源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出 平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的 内阻很小，形成很大的短路电流，这种情况称为逆变失 败，或称为逆变颠覆。
• 造成逆变失败的原因：
3.3.1 无源逆变概述
将电网提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电供
给负载的过程称为变频，实现变频的装置叫变频器
变频器：交-交变频器 交-直-交变频器
AC ~50Hz CVCF 交-交变压变频
AC
VVVF
交-交变频器
图6-8 交交变频器的主要构成环节
交-直-交变频器
交-直-交变频器
1、电压型、电流型交-直-交变频器
VD2
VD4
i0
0
VT VT1 4
VD1 VD 4
VD 2 VD3 VT 2VT3
t
（d）RL负载电流波形
3、三相桥式逆变电路
• 电压型三相桥式逆变电路如下图所示。 • 三相桥式逆变电路：180°导电型交-直-交电压型 120°导电型交-直-交电流型
VT1
Ud
VT4
VT3
VT5
U
iU
VD1
V
VT6
整流器 逆变器
IM
VT4 VD 4 VT6 VD 6 VT2 VD 2
图4-8 三相桥式电压型交直交变频器
3.3.2 无源逆变（变频）电路的原理
1、 单相半桥逆变电路
+
u UN 1 Ud 2 驱动 VT1 0 T 2
驱动 VT2
T
t
C1
Z
VT1
i0
VT2
VD1
（b）电压波形
i0
0
VT1导通
Ud
N +
根据交-直-交变频器的中间滤波环节是采用电容性元件
或是电感性元件，可以将交-直-交变频器分为电压型变频
器和电流型变频器两大类。 电压型变频器：中间直流环节采用电容滤波元件。 电流型变频器：中间直流环节采用电感滤波元件。
（1）交-直-交电压型变频器 • 直流环节：大电容，输出交流电压波形平直（矩形或阶梯 波）-----恒压源性质-----电压型变频器； • 采用二极管整流，输出为采用GTR的六拍逆变。
U
T 4
3T 4 VT2导通
T
t
i0
(c)电阻负载电流波形 IM
C2
(a)电路
VD 2
0
VD1
VT1 VD 2
VT2
I M
t
i0
RL
(d)电感负载电流波形
VT1、VT2不能同时导通否则将出现贯穿短路， 措施：换流时设置一定脉冲封锁时间
0
VD1
VT1 VD 2
t
VT2
(e)RL负载电流波形
3.3.2 无源逆变（变频）电路的原理
0
t
Ud
E
0 ud 0
t t
Ud E
ud
0
0
t

Ud E
t
2、工作原理
VT1 VT1
u2 u2
VT2 VT2
id id
+ + LL ++ uud d
RR
VT1 VT1
u2 u2 u2 u2
id ud
id
-
- L L ud -
R
R
电能 电能 E E MM
--
--
E E 电能 电能 M M VT2 VT2 + + + +
VD5
VT5
C5
RW
Ud
+
Cd
VD 4
RV
VT4
C4
VD 6
VD 2
L5 W L2 VT2 C2
ZU
0
ZV
ZW
6个晶闸管按一定的规则通断，将Cd送来的直流电压 Ud逆变成频率可调 的交流电。调压靠前级的可控整流电路完成。
2、晶闸管导通规则及输出波形分析
• 逆变器一个周期中：
• （1）6个晶闸管的导通顺序为：VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1
C2
(a)电路
VD 2
2、 单相全桥逆变电路
u UV
Ud
0
驱动 VT1、 4 VT 驱动 VT2、 3 VT （a）负载电压
驱动 VT1、 4 VT
t
VT1
Ud
VT2
i0
VT3
U
i0
VD1
VD3
0 （b）电阻负载电流波形 T 2 3T T 4
t
T 4
Z
VT4
来自百度文库
V
i0
0
t
VD1VD 4 1VT4VD 2VD3VT2 3 VT VT （c）电感负载电流波形
图4-9 三相桥式电流型交-直-交变频器 三项桥式电流型交-直-交变频器
2、电流型、电压型交-直-交变频器在电机回馈制动 时的工作状态
电流型变频器-----输出电压Ud可以迅速反向，容易实现回馈制动 电动：UR整流α<90°、CSI逆变，如图a所示； 回馈制动：降低同步转速，同时使UR的控制角α>90°，则Ud反向， UR进入有源逆变运行状态，电机发电，电流Id方向不变。如图b。
Ld
+ UR + CSI
Ld
Id Ud
p
r
Te
M 3~ UR
Ud
+
Id
p
-
CSI
r
M 3~
Te
~ -
~
逆变 (a)
+
< 900 整流
s > r 电动
> 900 有源逆变
(b)
整流
s < r 发电
电流型变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态
电压型变频器—— 电动：与上同； 制动：电容电压极性不能反向，无法回馈制动。只可用能 耗制动或反并联另一组反向整流器，并使其工作在有源逆 变状态，以通过反向制动电流，实现回馈制动。
☞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。 ◆负载换流（Load Commutation） ☞由负载提供换流电压的换流方式。 ◆强迫换流（Forced Commutation） ☞设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的 换流方式称为强迫换流。 ☞通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。
iV
VD3
W
VT2
VD 6
iW
VD5
VD 4
VD 2
3.3.3 180度导电型的交-直-交电压型变频器
1、主电路组成
VD1
VT1
RU
C1 L1 L4
U
VD 3
VT3
C3 L3 V L6
VT6
VD5
VT5
C5
RW
Ud
+
Cd
VD 4
RV
L5 L2
VT2
W
VT4
C4
VD 6
C6
VD 2
C2
ZU
0
ZV
ZW
1、 单相半桥逆变电路
+
C1
Z
VT1
i0
VT2
VD1
Ud
N +
U
☞VT1或VT2通时，io和uo同方向， 直流侧向负载提供能量；VD1或 VD2通时，io和uo反向，电感中贮 能向直流侧反馈。VD1、VD2称为 反馈二极管,它又起着使负载电流 连续的作用，又称续流二极管。
◆优点是简单，使用器件少； ◆其缺点是输出交流电压的幅值 Um仅为Ud/2，且直流侧需要两个 电容器串联，工作时还要控制两个 电容器电压的均衡；因此，半桥电 路常用于几kW以下的小功率逆变 电源。
I X 2 U sin m
d B 2
B
I X 2 U sin m
d 2
由此计算出g约为15 ~20 电角度 ☞ 为晶闸管的关断时间tq折合的电角度,约4~5 ☞‘ 为安全裕量角，主要考虑脉冲的不对称程度，一般约取为10。
3.2.3 有源逆变的应用——两组晶闸管反并联 时电动机的可逆运行
u2 u2 u2 u2
VT2VT2-
id
+ + L ud ud
id
+ R
E
M
VT 1
VT 1
id
L
id
L
R
L +
R
u2 u2
u2 u2
VT2
ud
-
ud
E
R
E 电能 电能
电能
-
-
-
M
VT2 +
E 电能 M + +
M +
u2 u2
0
u2
u2
0
t
t
0
0
t

ug u g
0
ug
ug
0
0
t
Ud
E
ud u d