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1、May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-1,第六章 无源逆变电路,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-2,6.1 无源逆变电路的原理及分类,无源逆变直流 交流（向负载直接供电）变频器既能调压又能调频无源逆变器旋转变频器静止变频器交交变频器直交变频器,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-3,单相桥式逆变电路示意图组成：主电路门控电路控制电路,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-4,单相桥式逆变电路的原理（R负载）主电路波形图输出电压（图 b）输出电流（图 c）直流输入电流（图 d）,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-5,单相桥式
2、逆变电路的原理（L负载）主电路波形图输出电压（图 b）输出电流（图 c）直流输入电流（图 d）,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-6,单相半桥GTO逆变电路及波形主电路波形图输出电压（图 b）输出电流（图 c）,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-7,单相零式逆变电路及波形主电路波形图见右图,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-8,感性负载下SCR单相零式逆变电路,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-9,M相零式逆变电路的简化原理图,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-10,逆变器的基本类型,按结构分类桥式零式按电网相数分
3、类单相多相按器件分类半控型全控型,按调制方法分类SPWM阶梯波按导通的角度分类180120按强迫换流的特点谐振型并联电容型等,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-11,逆变器的基本类型（续）,按储能元件的性质分类电压型逆变器电流型逆变器,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-12,6.2 三相桥式逆变电路的原理及参数,电路结构,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-13,根据各管导通时间分：180 导通型120导通型线电压由相电压相减得出,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-14,180 导通型各阶段的等值电路及电压值,May 1,2000,
4、北方交通大学电气工程系,6-15,180 导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形 线电压波形,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-16,180 导通型三相逆变器的参数相电压表达式线电压表达式,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-17,180 导通型三相逆变器的参数（续）相电压有效值线电压有效值,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-18,120 导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形 线电压波形,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-19,180 导通方式和 120 导通方式的比较：120 方式上下两管间有60 的间隙，对换流有利，但是管子的
5、利用率低，且若采用星形接法，则始终有一相断开，在换流时会引起较高的感应电势，而180 方式无论在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，故180 方式应用较为普遍。,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-20,感性负载情况负载电流滞后角小于60（a）A相电压波形（b）A相电流波形（c）T1的电流波形（d）D4的电流波形（e）直流输入电流,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-21,感性负载情况（续）负载电流滞后角大于60,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-22,感性负载下逆变器中可能有三种电流：功率电流 它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送
6、到负载。环路电流 它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源。反馈电流 它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去。,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-23,逆变器的能量反馈及电机的再生制动图电压型的能量反馈 电流型的能量反馈,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-24,逆变器 感应电动机系统的电压矢量,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-25,6.3 IGBT三相逆变电路和三点式逆变电路,IGBT三相逆变器电路图,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-26,六阶梯波时的电压、电流波形PWM时的电压、
7、电流波形,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-27,IGBT的选择电压定额的选择额定电压=输入的AC电源电压 再生电压增加值浪涌电压 简化公式：US：交流电源的峰值电压K1：电网电压波动系数，K1 1.15K2：直流中间回路有反馈时的泵升电压K2 1.2K3：必要的电压安全系数，K3 1.31.5,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-28,电流定额的选择cos:电动机的功率因数U:交流电源相电压有效值K4:电流的安全系数，取K4=2K5:电流脉动率，取K5=1.2,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-29,三点式（三电平）逆变电路示意图,May 1,2
8、000,北方交通大学电气工程系,6-30,三点式（三电平）逆变电路的 A 相电路(a)Holtz电路(b)Nabae电路,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-31,三点式逆变器的输出电压波形逆变器的相电压波形(a)方波输出(b)PWM方式输出,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-32,三点式逆变电路在不同控制角时的负载相电压波形,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-33,GTO的定额选择电压定额US：交流电源的电压有效值K1：电网电压波动系数，K1 1.15K2：直流中间回路的反馈电压，K2 1.2电流定额IL：负载电流的有效值K4、K5：考虑安全裕量
9、和电流脉动，这里取 2和1.2。,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-34,续流二极管的定额和特性选择续流二极管的电流定额为主管GTO电流定额的1/3左右。二极管的反向恢复特性及 Ldi r/dt,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-35,定义相对软恢复度为，反向恢复电荷为Qr，则=ta/tbta：反向恢复电流 ir 从零开始到峰值的时间tb：反向恢复电流 ir 从峰值降到接近零的时间,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-36,6.4 SCR及IGBT谐振式逆变电路,SCR的几种换流方法电网换流利用电网电压自动过零并变负来换流强迫换流电压换流型电流换流
10、型负载换流,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-37,并联谐振式晶闸管逆变器,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-38,串联谐振式晶闸管逆变器 T 2T0 工况,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-39,串联谐振式晶闸管逆变器（续）T=2T0 工况 T 2T0 工况,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-40,全控型器件构成的谐振型逆变器,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-41,6.5 McMurray SCR三相逆变电路,电路原理,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-42,分析换流时假设：在换流过程中负载电流
11、不变。直流电源电压不变。晶闸管的开通时间 ton和晶闸管的关断时间 toff 都是微秒级，相对换流过程快得多，可以忽略不计。,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-43,换流过程,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-44,麦氏电路感性负载时换流过程的波形(a)电流波形(b)相电压波形(c)电容器电压波形,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-45,具有恒流充电阶段的换流过程波形,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-46,6.6 电流型（源）逆变电路,优点：由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多。电路对晶闸管关断时间（即晶闸管的快
12、速性）的要求比电压型逆变器的要求低，电路相对电压型也比较简单，造价略低。,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-47,全控型电力电子器件的电流型逆变电路主电路,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-48,波形图(a)相电压(b)线电压(c)PWM时 的相电流,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-49,表达式相电流线电流,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-50,理想情况下，相电流中：基波电流的幅值为基波电流有效值为相电流的有效值为,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-51,SCR电流型逆变器的原理和换流过程主电路,May 1,2
13、000,北方交通大学电气工程系,6-52,换流过程,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-53,换流过程（续）,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-54,SCR电流型逆变器的基波参数晶闸管承受反向电压时间 tot0:晶闸管承受反向电压的时间2Id/3：恒流充电电流,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-55,换流电容器的最大电压UC01:换流充电角度2：振荡充电角度，即二极管换流电角度t:振荡起始点作为时间坐标的时间,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-56,SCR电流型逆变器的波形(a)相电流(b)换流电容电压(c)线电压(d)晶闸管电压电
14、流型逆变器再生运行,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-57,6.7 逆变电路的调压、脉宽调制和谐波消除,逆变器调压的基本方法调节输出变压器的变化调节逆变器的直流输入电压逆变器的相位位移或多重化技术（见下页）通过对逆变器本身的控制实现调压调频,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-58,逆变器相位移调压原理,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-59,逆变器相位移调压输出波形,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-60,逆变器的正弦波脉宽调制（SPWM）基本原理,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-61,单极性正弦脉宽调制(a)输
15、出电压波(b)两种控制电压波的相交,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-62,单极性SPWM在载波比为20时的基波与谐波,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-63,双极性正弦脉宽调制(a)三角形载波 与正弦调制 波的相交(b)输出相电压波,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-64,UnM：第 n 次谐波的幅值；：基波角频率n:谐波次数，n=1、3、5.,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-65,由上式得出：式中 n：谐波次数，n=1、3、5、j：脉冲次序，j=1、2、i输出的基波相电压幅值为,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,
16、6-66,双极性SPWM在 N=19时的基波与谐波,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-67,SPWM 的载波比与输出频率,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-68,不同开关频率下三种逆变器的电机电流波形,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-69,用脉宽调制消除指定的谐波分量 式中 为了消除3次和5次谐波，可令 U3M=0和 U5M=0 可求得特定的 1和 2,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-70,消除3次和5次两种谐波的电压波形,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-71,SPWM逆变器的自然采样与规则采样(a)对称规则
17、采样(b)不对称规则采样,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-72,6.8 PWM 型逆变器的控制系统,微机实现SPWM控制的方法：表格法（ROM法）随时计算法（RAM法）实时计算法自然采样法规则采样法对称规则采样法不对称规则采样法,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-73,三相逆变器的SPWM集成电路控制,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-74,SLE4520芯片与微机结合控制的SPWM逆变器,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-75,6.9 电力电子器件的缓冲电路,缓冲电路对不同器件的作用晶闸管GTR GTR在开关过程中的波形 vC
18、E 和 iC 的轨迹,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-76,GTOIGBT 关断时的 vCE和iC 开通时的vCE和iC,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-77,缓冲电路的基本结构 串并联 RLCD 缓冲电路 并联 RCD 缓冲电路,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-78,单电容电路 桥臂模块公用的RCD电路,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-79,有反馈功能的RCD电路 不对称有反馈功能的RCD电路,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-80,三角形吸收电路,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-81,
19、缓冲电路中的杂散电感对关断波形的影响缓冲电路中的Ls Ls 使阳极电压产生尖峰,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-82,缓冲电路中吸收电容 CS 值的确定晶闸管式中 IT：SCR的通态平均电流缓冲电路吸收电阻GTR设CS的电压在 t=tf 时由零上升到 VCSf，则,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-83,故在 tf 时的VCSf 通常可取为Ud的1050，如取VCSf=0.5Ud也可令VCSf=0.5UCEO，则,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-84,IGBT式中 LM：主电路电感 VCSP：CS上的最大充电电压,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-85,GTO(di/dt)max：GTO开通时的允许最大电流上升率(dv/dt)max：GTO关断时的允许最大电压上升率 ITGQM：GTO阳极最大可关断峰值电流,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-86,GTO的吸收电路参数与IATO的关系,May 1,2000,北方交通大学电气工程系,6-87,缓冲电路中 RS 阻值的确定通常可取开关器件的工作周期T约为（12）3RSC3即或者采用,
