第5章 无源逆变电路方波（西南交大电力电子—郭世明课件）

西南交通大学 第五章 无源逆变电路 从直流电到交流电的变换称逆变。分为有源与无源逆 变两类。 有源逆变的特点：逆变产生的交流电被反馈回交流电 网。依靠交流电源，晶闸管完成变换过程。产生的交 流电的频率均被强制为电网频率。 无源逆变的特点：负载不是交流电网。变换过程与交 流电网无关。产生的交流电的频率不受限。需要用全 控型，即导通与关断均可控制的开关。 无源逆变的应用：主要是交流调速。 第1节 直交逆变电路的原理 当T1、T3通T2、T4断时uO为正；当T2、T4通T1、T3断 时uO为负。如果每组开关对称通、断半个周期，则 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 在负载电阻上就得到了交流电 压uO，其幅值为直流电源Ud， 频率取决于两组开关的切换频 率。 当负载中有电感时，为使电感 电流能在原方向流动，必须增 加与主开关并联的四个二极管 以给滞后的感性电流提供续流 通路。 加入D1－D4后，T1－T4的控制规 则与前相同。当T13为通信号 时，若io为正则T13导通，uo为 正；若io为负则D13导通，uo同 样为正。 ωt T13 T24 0 π 2π uo Ud R T1 T2 T3T4 Ud + - uoio Z + uO T1 T2 T3T4 Ud D1 D2 D3D4 x y - R T1 T3 Ud + - uoio T2 T4 Ud R + - uoio 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 第2节 单相逆变电路 分半桥、桥式和中抽式三种 1.单相半桥逆变电路 T1与T2在通、断控制上互补。io 由流过T1 、T2与D1 、D2的电流 组成。当D1 或D2导通时，负载 向直流电源反馈能量。电路输 出的电压波形uO只与开关的状态 有关而与io的方向无关。 uO为幅值是Ud/2方波交流电。 当T24为通信号时，若io为正则D24导通，uo为负；若 io为负则T24导通，uo也为负。即uo的波形不发生变化 这表明uo与io的真实极性无关，只与控制信号有关。 ωt T1 T2 0 π 2π uo Ud iT2 io iT1 iD2 iD1 ωt Z - uO T1 T2 Ud D1 D2 y x + + - Ud/2 Ud/2 + - io - Z - uO y x + + - Ud/2 io T1 Z - uO D2 y x + Ud/2 + - io - Z - uO T2 y x + Ud/2 + - io - Z - uO D1 y x + + - Ud/2 io 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 基波有效值Uo(1) )sin 7 15sin 5 13sin 3 1(sin2 L++++= ttttUu do wwwwp 特点：电路简单，使用的器件少；输出电压低，需要 两个直流电源。适用于小功率场合。 在实际应用中常用一个直流电压源与两个容量足够大 的电容器串联来代替带有中点的直流电压源。 pp dd o UUU 2 2 2 )1( == 2.单相桥式逆变电路 两个半桥逆变电路构成。两个半桥在控制上相差半个 周期。T1与T3、T2与T4的通、断控制信号相同并且互 补，uo为两个半桥输出的电压ux与vy之差。桥式电路的 输出波形与半桥相同，只是幅值增大了一倍。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 不同性质负载时电路的工作特 点 1）滞后负载 在ωt=π时，T1T3关断并给出 T2T4的导通信号。此时，io从 T1T3转移到D2D4与Ud构成的续流 回路中去。在滞后角φ内，io 继续保持原方向流动直到零， 然后io才经T2T4反向流动。 同理，当关断T2T4、给出T1T3导 通信号后，负载电流io改经 D1D3及Ud续流。由图可知io由iT 与iD构成。 ωt T13 T24 0 π 2π uo Ud ωt iT24 io φ iT13 iD24 iD13 ωt id Z + uO T1 T2 T3T4 Ud D1 D2 D3D4 x y - y Z + uO T1 T3 Ud x - iO id + uO Ud D2 D4 x y - id + uO T2 T4 Ud x y - id + uO Ud D1 D3 x y - id 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 ωt T13 T24 0 π 2π uo Ud ωt io iT13 iT24 ωt id Ud R + - uoio T2 T3 T1 T4 而id由正的iT与负的iD组成。在二极管导通期间，感 性负载向直流电源反馈能量。当滞后的角度越大，开 关要切断的电流幅值也越大。 2）同相位负载 设负载电流是正弦波，且uo io同 相。由于uo io的零点一致，开关 T1T3与T2T4将分别流过正弦半波 电流，而二极管则完全没有电流 流过。开关T1—T4的导通与关断 均发生在负载电流过零处，所以 开关的开通与关断损耗为零。在 这种情况下直流输入电流是单 向、脉动的。 uoio Z + uO T1 T3 Ud x y - T2 T4 Ud R + - uoio 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 φ ωt T13 T24 0 π 2π uo Ud ωt iT24 io iT13 iD24 iD13 ωt id Z + uO T1 T2 T3T4 Ud D1 D2 D3D4 x y - 3）超前相位负载 设io为正弦且超前uo一个相角 φ。注意到开关（例如T1T3）在 导通π—φ后，其中的电流会自 然下降到零。在这个半周的其余 部分它们承受与之并联的二极管 （即D1 D3）导通产生的反压。 所以，开关T1—T4可以使用晶闸 管而不必采用强迫关断措施。这 称“负载换流”。电流id也是双向 的。二极管导通时io将经Ud续 流，从而将负载的储能反馈回 Ud。从上述 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 可知: uoio Z + T1 T3 Ud - D2 D4 uoio Z +Ud - uoio Z + T4 T2 Ud - D1 D3 uoio Z +Ud - 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 (1)逆变电路需要二极管反馈负载无功。 (2)直流电源应是一个理想电压源。 (3)负载性质不同，开关切断的电流不同损耗不同。 (4)电路的结构与负载性质也有关系。 3 带中心抽头变压器的逆变电路 T1与T2对称、交替地通、断，将直流电压交替地加到 变压器的两个原边，在副边合成一个与负载电流性质 无关的方波交流电压，从而将直流电变换成了交流 电。 Ud T1id + - D1 T2 D2 uo io ωt T1 T2 0 π 2π uo Ud iT2 io iT1 iD2 iD1 ωt Ud T1id + - uo ioUd id + -D2 uo ioUd id + - T2 uo ioUd id + - D1 uo io 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 当负载为感性时，若在π点关断T1，由于io不能立刻 改变方向，电流将从变压器原边的上绕组转移到下 绕组。于是电流经D2和Ud续流，向Ud反馈能量。直到 该电流衰减到零后T2才真正导通、负载电流反向。 负半周工作过程与此相似。 电路特点： 1）输出电压的幅值为Ud/k，k为变压器的变比。所以 可以用变压器将输出电压变到所需要的值。 2）与桥式电路相比，所需的开关器件数量少。直流 电压利用好。 3）输入直流侧与输出交流侧无电的联系。 4）必须有输出变压器。 该电路适合小功率场合或特殊应用场合。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 第3节 三相逆变电路 由三个共用一个直流电源的单相半桥逆变电路组合构 成。在控制上，三个半桥间依次相差三分之一周期。 三相负载接在三个半桥的输出端。 T1 T4 T3T6 T6 T2 T5T5 T561 T612 T123 T234 T345 T456 1）工作时的波形 由于上下开关控制互补、各相相差1/3周期所以开关的 工作顺序为：T123－T234－T345－T456－T561－T612－ T123 n T1 T4 D1 D4 a o Ud/2 + - - + Ud/2 T3 T6 D6 D3 bo Ud/2 + - - + Ud/2 T2 T5 D5 D2 co Ud/2 + - - + Ud/2 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 注意到逆变电路的输出波形只与控制有关，与负载 电流无关。所以通过控制信号可确定输出电压波 形。 方法1：由半桥概念来确定输出电压波形。 从前边分析知，半桥逆变器的输出电压与负载电流 无关。所以可以分别作出abc三相对假想直流电源中 点的输出电压uao、ubo和uco的波形。显然，uao、ubo 和uco是幅值为Ud/2，相位依次相差120度的交流电 压，如图。 电路的输出线电压uab ubc uca可以由下式求出： aococa cobobc boaoab uuu uuu uuu -= -= -= 即直接通过半桥的输出就 可得到逆变电路的输出线 电压波形，不需要进行额 外的计算。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 Ud Ud/2 ωt uao ωt ωt 0 π 2πubo uco ωt uab ωt ωt ubc uca 若负载星（Y）接，三相 对称，负载上的三相电压 波形如何确定？ 将电路改画如下。考查a 相电路（bc两相相同） n T1 T4 a T3 T6 b T2 T5 co Ud/2 + - - + Ud/2 + uan - + ubn - + ucn - -uao+ -uno+ 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 nococn nobobn noaoan uuu uuu uuu -= -= -= 即，有如下关系成立： 将方程组的左、右分别相 加。因为三相对称必然有 0=++ cnbnan uuu 所以 )(3 1 coboaono uuuu ++= ωt uno ωt uan Ud/6 Ud/2 ωt uao ωt ωt 0 π 2πubo uco ubn ucn ωt ωt根据半桥输出得到uno。据此 可绘出负载上的相电压波 形。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 方法2：由状态等效电路概念来确定输出电压波形。 从前边知电路的工作状态是T123－T234－T345－T456－ T561－T612－ T123。所以可作出6个状态等效电路： n T1 a T3 b T2 c Ud + - + uan - + ubn - - ucn + uan=ubn=Ud/3, ucn=-2Ud/3 uab=0, ubc=Ud, uca=-Ud 状态T123时相、线电压值 n T6 b T1a T2 c Ud + - - ubn + + uan - - ucn + ubn=ucn=-Ud/3, uan=2Ud/3 uab= Ud, ubc=0, uca=-Ud 状态T612时相、线电压值 n T1 a T5 c T6 b Ud + - + uan - + ucn - - ubn + uan=ucn=Ud/3, ubn=-2Ud/3 uab= Ud, ubc=-Ud, uca=0 状态T561时相、线电压值 n T4 a T3b T2 c Ud + - - uan + + ubn - - ucn + uan=ucn=-Ud/3, ubn=2Ud/3 uab= -Ud, ubc=Ud, uca=0 状态T234时相、线电压值 n T3 b T5 c T4 a Ud + - + ubn - + ucn - - uan + ubn=ucn=Ud/3, uan=-2Ud/3 uab=0, ubc=Ud, uca=-Ud 状态T345时相、线电压值 n T4 a T5c T6 b Ud + - - uan + + ucn - - ubn + uan=ubn=-Ud/3, ucn=2Ud/3 uab=0, ubc=-Ud, uca= Ud 状态T456时相、线电压值 由6个状态等效电路求出逆变电路的输出线电压与负 载相电压值，再在图上绘出。即得到所需要的波形。 这两种方法各有优点。可以根据自己的理解选择一种 即可。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 2）输出电压波形分析 将逆变电路的输出线电压与负载上的相电压波形分 别用付立叶级数展开得： )13sin 13 111sin 11 1 7sin 7 15sin 5 1(sin32 L-++ +--= tt tttUu dab ww www p 线电压有效值 ddab UUU 816.03 2 == d d abm U U U 1.1 32 )1( == p 基波幅值 基波有效值 dd d ab UU U U 78.06 2 32 )1( === pp 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 )13sin 13 111sin 11 1 7sin 7 15sin 5 1(sin2 L+++ +++= tt tttUu dan ww www p 相电压有效值 ddan UUU 471.03 2 == d d anm U UU 637.02)1( == p d d an U UU 45.0 2 2 )1( == p 相电压基波幅值 基波有效值 从波形分析中知，线电压与相电压有相同的谐波 成分和比例。它们满足一般线与相值的数量关系 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 n T1 T4 a T3 T6 b T2 T5 co Ud/2 + - - + Ud/2 + uan - + ubn - + ucn - 3）逆变电路在不同负载时的特点 1.当逆变电路的负载是 三相对称电阻时，续流 二极管将不工作。或者 说电路中可以取消它。 此时： 642 531 TTT TTTd iii iiii ++= ++= 逆变电路在任意一个工作状态时id=2Ud/3R。例如， 根据状态等效电路知，T561工作时id=2Ud/3R；T612工 作时id=2Ud/3R… 结论，电阻负载时直流输入电流为正的常数值。在 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 任何时候只有可控开关工作，二极管不工作。 2. 负载是三相对称电阻电感时 此时电路可能有如下的工作模式： a）三个可控开关导通。例如T612导通。此时负载从 直流电源获得能量。 n T2 c T1a T6 b Ud + - b）二个可控开关和一个二极管导通。例如T1T2和D3 导通。此时一方面电源沿T1T2给负载提供能量同时 T1D3形成回路，交换能量。但输出电压波形不变。 n T2 a T1 c D3 b Ud + - 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 c）二个二极管和一个可控开关导通。例如T1和D2D3 导通。此时一方面负载沿T1D3形成回路，另一方面 负载中的储量经D2D3向电源反馈能量。但输出电压 波形不变。 n D2 a T1 c D3 b Ud + - 若负载上的电压与电流如图所示，下面讨论电路的 换流过程：设电路原先是T612工作，然后变成T123。 在T612工作结束之前，电流如图示。 n T2 a T1 c D3 b Ud + - ia ic ib 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 ωt uan T612 T123 T234 此时a(红)相电流为正， b(绿)c(蓝)相电流为负。 当T6关断T3导通后，由于 b相电流不跳变，它继续 流动，所以二极管D3导通 这时D3T1形成环路，它们 交换能量。当b相电流到 零后，iD3为零，T3才真正 导通。注意到不论是D3还 是T3导通，输出线电压与 负载上的相电压均相同。 其它的换流过程分析与此 相同。 n T2 c T1a T6 b Ud + - iD3 n T2 a T1 c D3 b Ud + - iT3 n T2 a T1 c T3 b Ud + - 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 若负载电流滞后电压的角度 超过60度，如图所示，电路 的换流过程有所不同。仍设 电路原先是T612工作，然后 变成T123。在T612工作结束之 前，a相c相电流为正b相电 流为负，如图示。显然电路 实际上是T1D2T6在工作。当 T6关断T3给出通信号后，由 于c相的电流方向不能立刻 改变，所以D2导通，此时 D2D3导通，向电源反馈。当c 相电流为零后T2才导通。此 时T1T2D3导通，电源供能。 ωt uan T612 T123 n D2 c T1a T6 b Ud + - n D2 a T1 c D3 b Ud + - n T2 a T1 c D3 b Ud + - 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 输入电流（直流电源电流） 的确定： 设负载电流正弦。滞后角小 于90度。由状态等效电路可 知，T612时id=ia，T123时id= －iC， T234时id=ib，T345时 id=－ia，T456时id=ic，T561 时id=－ib。波形如图所示。 当滞后角增大时，id的波形 就会相应发生变化。 ωt id ωt uan T612 T123 T234 T345 T456T561 从上述分析可以知：在电压源供电的逆变电路中， 直流电源电流是波动的，某些情况下是双向的。电 路中必须需要二极管以给感性的负载电流提供通 道。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 第4节 方波逆变电路的电压调节与谐波抑制 当滞后角小于60度时，无功在绕组间交换，而大 于60度时经直流电源交换。 以上讲述的逆变电路的输出电压均不可改变。但在 许多场合需要改变输出电压。其主要方法有： 1）通过改变输入直流电源的电压来调节输出电压 如采用相控整流电路、直流斩波电路来调节Ud。 主要问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 除电路复杂外，系统的快速性不能保证 ud f 可控整流器 方波逆变器 交 流 输 入 交 流 输 出 ＋ － ud ud f 直流斩波器 方波逆变器 直 流 输 入 交 流 输 出 ＋ － ud DC DC 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 2）接入一个自动控制的调压变压器。主要问题 是机械系统的惯性大，调节速度跟不上，变压 器很难 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 。 3）移相调压：通过改变控制规则实现输出电压的 控制的方法。 a)单相电路的移相调压控制 方法1，在桥式逆变电路中通过控制另一个半桥的 控制信号的相位来控制输出电压。 u1 f 方波逆变器 交 流 输 出 ＋ － ud 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 t1 θ ωt ux ωt ωt 0 π 2π uy uo T1 T4 T3T2T3 Z + uO T1 T2 T3T4 Ud D1 D2 D3D4 x y - 两个半桥上、下桥臂开关的导通、关断控制仍 然是互补的。但开关T1与T2的控制信号并不相差 180度，而是滞后一个角度θ，θ可以在0—180 度间变化。负载上电压为两个半桥输出电压的 差。很显然，改变移相角θ就可以改变uo的脉冲 宽度从而改变uo基波的大小。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 方法2，采用二个逆变电路的桥间移相调压方式 T1 T2 T3T4 Ud T1 T2 T3T4 Ud u1 电路的输出电压U1是两个逆 变电路输出电压的和 ωt 0 uo1 ωt 0 uo2 ωt 0 π 2π u1 改变两个逆变电路输出电压 的相位，可以调节输出电压 移相调压的主要问题 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 进行付立叶分解 tnn n U u n d o w q p sin 2 sin 4 5,3,1 å ¥ = = L 有效值 do UU p q = 基波有效值 2 sin22)1( q p d o UU = 当改变θ时，除基波有效值发生变化外，谐波值也发 生变化。当θ较小时，较低次的谐波幅值将与基波的 幅值相当。这种调压方式不适合大范围的调压。单相 半桥逆变电路不能用移相调压法 b)三相电路的电压控制 由于电路结构的限制，三相逆变电路不能采用移相控 制。但可以采用逆变电路的多重化的方法来实现调 压。这与单相桥间移相调压类似。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 第5节 电流源逆变电路 1.电压源与电流源 输出电压与电流无关的电源是电压源。其特点是无论 输出电流的大小方向如何，输出电压保持为常数。由 电压源作为电源的逆变电路称电压源逆变电路。 在 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 上电压源由可控整流器与足够大的电容构成。 Ud Cd 电容器的作用：保持直流电压的恒定；缓冲无功能 量；将整流环节与逆变环节的交流量隔离开来，为 谐波电流提供通路。由于需要处理整流与逆变二个 环节的无功，电容值应当足够大。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 Id Ld 输出电流与电压无关的电源是电流源。它是电压源的 对偶元件。其特点是输出电流总保持为常数。 在工程上电流源由可控整流器与足够大的电感构成。 电感的作用：保持直流电流的恒定；缓冲无功能量； 将整流环节与逆变环节的电压隔离开来。为获得电流 源特性，电感要足够大。 2. 电流源逆变电路的特点 由于电流源的强制作用，电流不可能反向流动。所以 逆变电路中可控开关上不必反并无功反馈二极管。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 当T1T3闭合T2T4断开时，负载 电流io为正；当T2T4闭合T1、T3 断开时io为负。所以io为180度 的方波交流电流。 当负载为感性时，在交流输出 端需要并联电容C，它为感性 负载电流提供流通路径。这是 必不可少的。当T1T3稳定导通 时负载电流与Id同向当T2T4导 通时负载电流与电流源电流都 经C流动。负载电流衰减到零 再反向增大。当负载电流为Id 电容电流为零。同理T1T3导通 ωt T13 T24 0 π 2π io Id T1 T2 T3T4 + - uoioId R T1 T3 + - uoio Id T2 T4 R + - uoio Id T1 T3 + - uoio Id T2 T4 + - uoio Id T2 T4 + - uoio Id T2 T4 + - uoio Id T1 T3 + - uoio Id T1 T3 + - uoio Id T1 T3 + - uoio Id 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 将io展开成付立叶级数 )sin 7 15sin 5 13sin 3 1(sin 2 L++++= tttt I i do wwwwp 基波有效值IO（1）为 pp dd O II I 2 2 2 )1( == 时，由于负载上的电流不跳变，负载电流与Id都经C 流动。直到负载电流反向增大到Id时止。此后，电 路进入稳定导通阶段。 负载电压uo与负载阻抗Z的性质有关 )()()( nnn ZIU = 负载电压uo与负载阻抗Z的性质有关。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 此时谐波电流分量产生的谐波电压很小，uo基本上 是正弦波。所以电流型逆变电路适合于谐波阻抗 低、功率因数高的负载。 当负载为电阻时 RIU nn )()( = 负载的电压与电流的波形相同。它们有相同的谐波 成分和比例。 当负载为电感时 LnIU nn w)()( = 负载电压中谐波电压的比重显著增大。虽然谐波电 流的幅值反比于谐波次数但谐波阻抗却正比于谐波 次数。这表明，谐波阻抗大的负载不适合于电流源 逆变电路。 当负载为电容时 Cn IU nn w 1 )()( ×= 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 Cωt T13 T24 0 π 2π io Id T1 T2 T3T4 + - uoioId + - ud ud pd ωt 电流源逆变电路中的无功功率：设负载上的电压波 形uo是正弦波。电路工作时直流电压ud的波形如 图。 ud的波形可以这样确定：当 T13导通时ud为uo；当T24导通 时ud为－uo。ud同时也是直 流电源的输出功率pd波形。 Pd为正表示电流源发出功 率；为负表示能量反馈回电 流源。这与电压源逆变电路 是不同的。当负载的阻抗角 (功率因数角)不同pd的波形 也就不同。注意到电流源的 电流大小与方向是始终不变 的。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 3. 三相电流源逆变电路 三相电流源逆变电路如图示。由于是电流源，所以主 负载一般采用角接。在换流时，为给负载中的感性电 流提供流通路径，必须在负载端并联三相电容器。 a)逆变电路输出电流的确定 方法：等值电路法。忽略换流过程。分别作出在不同 工作状态时的等值电路，再利用电路的分流公式，求 出各个线电流与负载相电流。 T1 T4 Id iAT5 T2 T3 T6 iB iC CC C Z Z Z 电路中不需要二极管 在一个周期内各开关 导通120度,顺序是 T1T2－T2T3－T3T4－ T4T5－T5T6－T6T1。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 状态T12时各个电流值 ia=Id, ib=0, ic=-Id iab=ibc=Id/3, ica=-2Id/3 a b c Id ia ib ic iab ibc ica 状态T23时各个电流值 ia=0, ib= Id, ic=-Id iab=ica=-Id/3, ibc=2Id/3 b a c Id ib ia ic iab ibc ica 状态T34时各个电流值 ib=Id, ic=0, ia=-Id iab=-2Id/3, ibc= ica= Id/3 b c a Id ib ic ia ibc ica ica 状态T45时各个电流值 ib=0, ia= - Id, ic=Id iab=ibc=-Id/3, ica=2Id/3 c b a Id ic ib ia ibc iab ica 状态T56时各个电流值 ic=Id, ia=0, ib=-Id iab=ica= Id/3 ibc= -2Id/3, c a b Id ic ia ib ibc ica ica 状态T61时各个电流值 ic=0, ib= - Id, ia=Id iab=2Id/3 , ibc=ica= -Id/3 a c b Id ia ic ib ica ibc iab T12 T23 T34 T45 T56 T61ia ib ic iab ibc ica T12 T23 T34 T45 T56 T61 iab Ud UabUcaUbc 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 ωtid ωt uan T612 T123 T234 T345 T456T561 当电机发电时，其电压 与电流间的相位差超过 90度。电压源逆变电路 中电机作发电机运行时 的波形如图。此时电机 的能量由D1－D6反馈到直 流电源，如图。 与电压源逆变器的输出相比较，除量纲单位不同 外，线、相的波形图完全相同。所以它们有相同的 数学表达式。这在电路理论中称对偶关系。 b)三相逆变电路中能量的反馈 在交直交传动系统中，当电机的转速低于同步速 时，它作为电动机运行。能量由逆变器输送到电 机。而当电机的转速超过同步速时电机作发电机运 行。电能由电机返回到电源。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 例如T612时，由于ia为负，所以D1导通；ic为正，所 以D2导通；ib为正时D6导通，ib为负时T6导通。可见 当电机发电时，直流电流的极性将颠倒。由于逆变 电路的直流电源由整流器构成，它不允许电流反向 流动。要实现能量逆转，需要双向传递电能的直流 电源。 电流源逆变电路中的电机作发电机运行时，相电压 与相电流仍相差90度以上。但由于电流的方向不 变，只需要改变电压的方向就可实现能量的逆转。 这可用普通相控整流器就能实现，而不需要另加任 何装置。在主电路的简单与反馈能量的处理简单这 两点，电流源逆变电路有自己的优点。 目前在电力牵引与传动中广泛使用电压源逆变器。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 4.单相并联谐振逆变电路 a）用具有自关断能力的器件组成的并联谐振电路 L是感应加热线圈的等效电感，C是补偿电容器，它 补偿负载的感性无功功率，使负载在电路工作频率 上产生并联谐振。R代表感应线圈中的能耗。直流电 流源用电压源与一个足够大的电感Ld串联来实现。 工作过程： ωt T13 T24 0 π 2π io Id uo ωt T2 T3 y + uOT1 T4 Id x - C L R iOUd Ld 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 电路的工作波形如图。由于负载发生并联谐振，它 对io中频率为谐振频率的分量（即io的基波频率） 表现出高阻抗而对其它频率分量呈现低阻抗，所 以，负载电压波形基本上是正弦波。 并联谐振时uo与io是同相位的，开关T1、T3与T2、T4 是在uo的零电压点进行导通、关断转换的。所以， 开关导通与关断时产生的损耗较小。 若电路中电感为L，电阻为R，工作频率为f。若要使 电路并联谐振，应并联的电容C可以根据并联谐振的 条件求出。 在并联谐振时，等效负载具有最大的阻抗，所以电 压最大，功率也最大。而偏离谐振点时，负载电压 就下降，同时电压电流也不同相。所以负载的功率 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 也下降。谐振逆变电路利用这种方法来实现功率调 节。 b）晶闸管并联谐振逆变电路 用晶闸管构成的并联谐振逆变电路如图。在单相逆 变电路时指出，当负载为容性时主管将自己关断。 它不需要强迫换流。这里采用了这个规则：并联的 电容使负载为容性。为防止过大的di/dt损坏晶闸 管，给每个晶闸管都串入一个电感Lc。 + uOT1 T4 Id Lc - io T2 T3 Lc Lc Lc Ud Ld 电路的工作过程是： T1T3导通，Id经T13流 动。由于负载是容性 的，负载电压滞后负载 电流。在换流时uo左＋ 右－。根据导通条件 T2T4可以 + uO T1 Id Lc - io T3 LcUd Ld + uOT1 T4 Id Lc - io T2 T3 Lc Lc Lc Ud Ld + uo T4 Id - io T2 Lc LcUd Ld 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 导通。所以在ωt1点T24导通。 T24导通后，由于LC是电感，它的电流不跳变，所以电 路中产生环流，出现4个晶闸管导通现象。在电压uo 作用下，T13中的电流逐渐减小而T24中的电流逐渐增 大。当iT13=0时iT24=Id，电路换流完成。 此后T24稳定导通，直到下次换流。 从上分析知，在换流期间T1—T4全部导通形成换流重 叠角γ。电路的工作过程与整流电路完全相同。 + uOT1 T4 Id Lc - io T2 T3 Lc Lc Lc Ud Ld + uO T1 Id Lc - io T3 LcUd Ld + uOT1 T4 Id Lc - io T2 T3 Lc Lc Lc Ud Ld + uo T4 Id - io T2 Lc LcUd Ld ωtγ Id ωt ωt uo φ iT13 iT24 io γ/2 ωt1 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 换流重叠角γ可用与整流电路相同的方法推出： o om dc o tU IL t w w wg --= - ) 2 (coscos 1 由于晶闸管有固有关断时间，电流下降到零后，必 须再承受一段时间的反向电压才能恢复其正向阻断 能力。负载电流必须超前负载电压的角度φ： 2 g wj += ot 否则电路将不能正常换流。晶闸管不能关断。 需要说明的是在感应加热中，电路中等效的L、R值 都在不断变化。为使电路始终保持并联谐振，控制 电路必须跟随主电路参数的变化调节逆变频率。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 例题与作业 例1 三相桥式电压源逆变器Ud=100伏，求负载相电 压的基波幅值Uan(1)m与有效值Uan(1) 、线电压的基波 幅值Uab(1)m 与有效值Uab(1) 、5次谐波有效值。 )(1101.132)1( VU UU ddabm === p )(7878.06 2 32 )1( VUU UU dddab ==== pp )(3.67637.02)1( VU UU ddanm === p )(4545.0 2 2 )1( VU UU ddan === p 解：相电压基波幅值 相电压基波有效值 线电压基波幅值 线电压基波有效值 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 相电压5次谐波幅值 )(46.135/3.675 1 )1()5( VUU anmanm === 相电压5次谐波有效值 )(95 1 )1()5( VUU anan == 线电压5次谐波幅值 )(225/1105 1 )1()5( VUU abmabm === 线电压5次谐波有效值 )(6.155 1 )1()5( VUU abab == 例2 单相桥式电压源逆变器Ud=100伏，采用移相调 压，移相角θ＝120度求输出电压有效值与基波有 效值 。 解：有效值 )(7.57/ VUU do == pq 基波有效值 )(45 2 sin22)1( V UU do == q p 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 例3 三相桥式电压源逆变器输出线电压为380伏， 现在用三相可控整流桥来提供Ud。若交流电源为380 伏，求Ud与控制角。 解：由 ddab UUU 816.03/2 == 所以，直流电压Ud为： )(4.4652/3 VUU abd == 三相可控整流桥输出Ud，就是： )(4.465cos34.2 2 VUUd == a 所以 °== - 3.25) 34.2 (cos 2 1 U Uda 说明：本题中三相整流桥当作大电感负载。此时整 流桥输出电压中的谐波全部降落在电感上。滤波电 容上是输出电压的直流分量。 仅内部使用 郭小舟 西南交通大学 例4 并联谐振逆变器中Id＝250安，f＝1000Hz， 晶闸管的最大di/dt＝10A/us。关断时间tq=35 us, 求负载的功率因数。 解：换相时间： )(2510/250/ s dt diIt d mg === 超前时间 )(5.472/25352/ sttt q mg =+=+= 在1000Hz时，即周期1ms时对应的角 度： x:5.47360:1000 = °=´= 1.171000/5.47360x 负载的功率因数 9558.01.17cos =° 仅内部使用 郭小舟