第六章 无源逆变电路 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

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 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

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

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

单相桥式逆变电路的原理（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

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

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

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

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

逆变器的基本类型 按结构分类 桥式 零式 按电网相数分类 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 180 120 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

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

6.2 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

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

180 导通型各阶段的等值电路及电压值 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

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

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

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

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

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

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

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

它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载。 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。 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

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

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

6.3 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

六阶梯波时的 电压、电流波形 PWM时的 电压、电流波形 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

额定电压 = 输入的AC电源电压× ＋再生电压增加值＋浪涌电压 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 1.15 K2：直流中间回路有反馈时的泵升电压K2 1.2 K3：必要的电压安全系数，K3 1.3～1.5 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

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 = 2 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

三点式（三电平）逆变电路示意图 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

(a) Holtz电路 (b) Nabae电路 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

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

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

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 1.15 K2：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

续流二极管的电流定额为主管GTO电流定额的1/3左右。 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

ta ：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 定义相对软恢复度为，反向恢复电荷为Qr，则  = ta / tb ta ：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

6.4 SCR及IGBT谐振式逆变电路 SCR的几种换流方法 电网换流 强迫换流 负载换流 利用电网电压自动过零并变负来换流 电压换流型 电流换流型 负载换流 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

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

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

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

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

6.5 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

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。 分析换流时假设： 在换流过程中负载电流不变。 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

换流过程 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

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

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

6.6 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

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

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

表达式 相电流 线电流 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

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

SCR电流型逆变器的原理和换流过程 主电路 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

换流过程 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

换流过程（续） May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

SCR电流型逆变器的基波参数 晶闸管承受反向电压时间 to t0: 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

换流电容器的最大电压UC0 1: 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 1: 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

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 电流型逆变 器再生运行 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

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 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

逆变器相位移调压原理 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

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

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

单极性正弦脉宽调制 (a)输出电压波 (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

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

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

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

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

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

SPWM 的载波比与输出频率 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

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

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

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

SPWM逆变器的自然采样与规则采样 (a) 对称规则采样 (b)不对称规则采样 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

6.8 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

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

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

6.9 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 vCE 和 iC 的轨迹 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 vCE 和 iC 的轨迹 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

关断时的 vCE和iC 开通时的vCE和iC GTO IGBT 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

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

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

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

三角形吸收电路 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

缓冲电路中的杂散电感对关断波形的影响 缓冲电路中的L’s L’s 使阳极电压产生尖峰 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系

设CS的电压在 t = tf 时由零上升到 VCSf，则 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

在 tf 时的VCSf 通常可取为Ud的10～50％， 如取VCSf = 0.5Ud 故 在 tf 时的VCSf 通常可取为Ud的10～50％， 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

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

(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

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

通常可取开关器件的工作周期T约为（1～2）3RSC3 即 或者采用 May 1, 2000 北方交通大学电气工程系