[电力电子技术(第4版)][王云亮 (5)[54页]

电力电子技术（第4版）电子工业出版社王云亮主编

第5章直-交变换器

5.1 引言

直-交变换器就是将直流电逆变成为固定的或可调的交流电，也称为逆变器。

交-直-交变换器由交流-直流变换器和直流-交流变换器两部分组成，交-直变换器属整流器；直-交变换器称为逆变器。

逆变器的交流侧接电网，为有源逆变。如第2章讲的有源逆变器。

逆变器的交流侧接负载，为无源逆变。也称为变频器。

主要应用：

交流电机调速、不间断电源、感应加热等应用。

5.2逆变器的基本原理

S 1、S

4

闭合，S

2

、S

3

断开时，负载电压u

o

为正。

S 1、S

4

断开，S

2

、S

3

闭合时，负载电压u

o

为负。

(1)电阻性负载

i o与u o形状相同，相位也相同

(2)电感性负载

i o与u o形状如由图所示

S是全控型电力电子器件与整流二极管的反并联

5.3 电压型逆变器

逆变器的分类

◆根据输出相数的不同

?单相逆变器

?三相逆变器

◆根据直流侧电源性质的不同

?电压型逆变器：直流侧并联电容，具有电压源的特性?电流型逆变器：直流侧串联电感，具有电流源的特性

5.3.1单相电压型逆变器

电压型逆变器的特点是直流电源接有很大的滤波电容，从逆变器向直流电源看过去电源内阻为很小的电压源，保证直流电压稳定。

1．半桥逆变器

2.全桥逆变器

d

U 3

VT 4

VT o i o

u +

-

3

VD 4

VD L

R

1

VT 2

VT 1

VD 2

VD C d

U 1C 2C 1VT 2

VT o i o

u +

-

1

VD 2VD L

R

2d U 2d U 2个开关管，一个桥臂

4个开关管，两个桥臂

全桥电压型逆变器工作原理

和直流PWM 逆变器具有相同的电路结构。

把VT 1和VT 4作为一对，VT 2和VT 3作为一对，成对的两个开关管同时导通，两对交替各导通180o，右下图开关管的驱动信号波形。

d

U 3

VT 4

VT o i o

u +

-

3

VD 4

VD L

R

1

VT 2

VT 1

VD 2

VD C GE2u O

t GE1

u O t O

t GE4

u O

t

GE3

u VT 1、VT 4驱动信号

VT 2、VT 3驱动信号

区别于直流PWM

?输出电压波形

?t1~t2：VT1、VT4通态，VT2、VT3断态，u o=U d，i o?

?t2~t3：关断VT1、VT4，触发VT2、VT3，i o>0，VD2、VD3续流，u

o

=?U d，i o

?t3：i o=0

?t3~t4：VT2、VT3通态，u o=?U d，i o反向?

?t4：关断VT2、VT3，触发VT1、VT4。

?t4~t5：i o<0，VD1、VD4续流，u o=U d，u o=U d，i o反向?

?t5：i o=0

?t5~t6：与t1~t2相同。

d

U

3

VT

4

VT

o

i

o

u

+

-

3

VD

4

VD

L

R

1

VT

2

VT

1

VD

2

VD

C

输出电压为矩形

把u o 展开成傅立叶级数为

基波幅值U o1m 和基波有效值U o1为

?

?? ??+++= t t t U u ωωωπ5sin 513sin 31sin 4d o d

d o1m

27.14U U U ≈=π

d

d

o19.022U U U ≈=π

t

n n

U n ωπ

sin 1

4,5,3,1d ∑

∞

== d U 3

VT 4

VT o i o

u +

-

3

VD 4

VD L

R

1VT 2

VT 1VD 2

VD C 输出电压与U d 相关

1.三相电压型逆变器的结构及工作原理

三相电压型逆变器中，应用最广的是三相桥式逆变器。采用IGBT 作为开关管的三相桥式电压型逆变器如左下图所示，它可以看做是三个半桥电路的合成。

三相桥式逆变器的基本工作方式是180o导电方式，即：同一相上下两个桥臂交替导电，各导通180o；开关管VT 1~VT 6开始导电的相位依次相差60o。如右下图所示。

5

VT 2

VT +

-

5

VD 2

VD Z

1VT 4

VT 1VD 4VD 3VT 6

VT 3

VD 6VD d

U Z Z

u

v

w N d i u

i v

i w

i C

GE4u GE3u GE2u GE1u GE6

u GE5u t ωO

5.3.2 三相电压型逆变器

相邻开关管相差60°

每个开关管导通180°

把直流侧的电容画成两个串联电容，以得到假想中点N ’。

对于u 相来说，当VT 1导通时u u N ’=U d /2，当VT 4导通时u u N ’=?U d /2，即u u N ’是幅值为U d /2的矩形波，v 、w 相的情况类似，仅相位依次差120o。

由于负载是三相对称的，u NN ’=(u u N ’+u v N ’+u w N ’)/3，所以u NN ’是幅值为U d /6的3倍频矩形波。

5

VT 2

VT +

-

5

VD 2

VD Z 1VT 4VT 1

VD 4VD 3

VT 6

VT 3

VD 6VD 2

d

U Z Z

u

v

w N d i u

i v

i w

i '

N 2

d U 三相输出电压相差120?

5

VT 2

VT +

-

5

VD 2

VD Z 1VT 4VT 1

VD 4VD 3VT 6

VT 3

VD 6VD 2

d

U Z Z

u

v

w N d i u

i v

i w

i '

N 2d U uv

u O

d

U N

u u O

O

'

v u N '

u u N O O

'

w u N 2

d U t

ωt

ωt

ωt

ωt

ω32d U 3

d U '

u NN t

ω6

d U O ?

u uv =u u N ’?u v N ’，u u N =u u N ’?u NN ’，由u u N ’、u v N ’及

u NN ’的波形可以得到u uv 和u u N 的波形。

?

线电压u vw 、u wu 的波形形状与u uv 相同，相位分别依次相差120o。相电压u v N 、u w N 的波形形状也与u u N 相同，

相位也分别依次相差120o。

u uv 线电压波形

u u N 相电压波形

2. 输出电压的谐波分析

由图可知，线电压是宽度为120o的交变矩形波，将输出线电压u uv 展开成傅立叶级数得

输出线电压有效值U uv 为

输出线电压基波幅值U uv 1m 和基波有效值U uv 1分别为

?

?

? ??-++--= t t t t t U u uv ωωωωωπ31sin 13111sin 1117sin 715sin 51sin 32d ()???

?????-+=∑

±=16d sin 1sin 32k n k

t n n t U ωωπd

d 320

2d 20

2816.03

2

d 1

d

21

U U t U t u U uv uv

≈==

=

?

?

π

π

ωπ

ωπ

uv

u O

d U t

ωd

d m

11.132U U U uv ≈=π

1m d

1d

60.782

uv uv U U U U π==≈输出电压与U d 相关

相电压是由±U d /3、±2U d /3四种电平组成的六阶梯波。

将输出相电压u u N 展开成傅立叶级数得

输出相电压有效值U u N 为

输出相电压基波幅值U u N1m 和基波有效值U u N1分别为??

? ??+++++= t t t t t U u u ωωωωωπ31sin 13111sin 1117sin 715sin 51sin 2d N

N

u u O

t

ω3

/2d U 3

/d U ??

????+=∑

±=16d sin 1sin 2k n t n n t U ωωπd d 323322d 2d 302d N 471.032d 3d 32d 31U U t U t U t U U u ≈=???

???????? ??+??? ??+??? ??==??

?πππππωωωπd

d

m

1N 637.02U U U u ≈=π

d

d

m

1N 1N 45.022

U U U U u u ≈=

=

π

输出电压与U d 相关

5.3.3 电压型逆变器特点

从前面的分析中可以看出，电压型逆变器有如下特点：

①直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。

②交流侧输出电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关。

③当交流侧为电感性负载时，需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，

逆变桥各臂反并联的二极管为交流侧向直流侧反馈无功能量提供了通道。

④直流侧向交流侧传送的功率是脉动的。

对于180o导电方式的逆变器，为了防止同一相上下两桥臂开关管同时导通而引起直流侧电源短路，要采取“先断后通”的方法，也就是先给应关断的开关管关断信号，待其完全关断后，然后再给应导通的器件发触发信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间。死区时间的长短要视器件的开关速度而定，开关速度越快，死区时间越短。这种“先断后通”的方法对于工作在上下桥臂通断互补的其他电路也是适用的。

思考题:

三相电压型逆变器如何实现调压?

如何实现变频?

如何实现改变相序?

5.4 电流型逆变器

1.三相电流型逆变器的结构及工作原理

电流型逆变器的电路原理图如下图所示，电流型逆变器的特点是直流电源接有很大的电感，从逆变器向直流电源看过去电源内阻为很大的电流源，保证直流电流基本无脉动。

换流时，为给负载电感中的电流提供流通路径、吸收负载电感中储存的能量，

必须在负载端并联三相电容C

1、C

2

、C

3

，否则将产生巨大的换流过电压损坏开关管。

5.4.2 三相电流型逆变器电流单方向流动

?工作原理

其基本工作方式是120o导电方式，即：每个桥

臂一周期内导电120o，按VT

1到VT

6

的顺序每隔60o依

次触发导通。其逆变器输出电流波形如图所示。

工作过程分析

?I：VT1、VT6导通，i u=I d、i v=?I d、i w=0

?II：VT1、VT2导通，i u=I d、i v=0、i w=?I d

?III：VT2、VT3导通，i u=0、i v=I d、i w=?I d

?IV：VT3、VT4导通，i u=?I d、i v=I d、i w=0?V：VT4、VT5导通，i u=?I d、i v=0、i w=I d ?VI：VT5、VT6导通，i u=0、i v=?I d、i w=I d

5

VT

2

VT

+

-

1

VT

4

VT

3

VT

6

VT

d

U

u

v

w

d

I d L

u

C

w

C

v

C

u

Z

v

Z

w

Z

u

i

v

i

w

i

VT4

i

VT3

i

VT1

i

VT2

i

VT6

i

VT5

i

u

i

t

ωO

d

I

v

i

t

ωO

w

i

t

ωO

g4

u

g3

u

g2

u

g1

u

g6

u

g5

u

t

ωO

I II III IV V VI

2. 输出电流的谐波分析

将线电流i u 波形与三相桥式电压型逆变器的输出线电压u uv 波形比较可知，二者波形完全相同，都是简单的交变矩形波。将i u 展开成傅立叶级数得

输出线电流有效值I u 为

输出线电流基波幅值I u 1m 和基波有效值I u 1分别为

?

?

? ??-++--= t t t t t I i u ωωωωωπ31sin 13111sin 1117sin 715sin 51sin 32d ()???

?????-+

=∑

±=16d sin 1sin 32k n k

t n n t I ωωπd

d 816.03

2

I I I u ≈=d

d

m 11.132I I I u ≈=

πd

d

178.06I I I u ≈=

π

VT4

i VT1

i u i t

ωO

d

I 输出电流与I d 相关