5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结

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1 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结
第5章 逆变电路(DC/AC变换） 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结 Power Electronics

2 第5章 逆变电路(DC/AC变换） Power Electronics 逆变 把直流电变成交流电 源逆变 交流侧接有电源 无源逆变
交流侧直接和负载连接 逆变电路 一般指无源逆变电路 Power Electronics

3 Power Electronics 逆变电路应用广泛，在各种直流电源电池向交流负载供电时，就需要逆变电路。
交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置其电路的核心部分都是逆变电路。 换流 变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移。 Power Electronics

4 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结
第5章 逆变电路(DC/AC变换） 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结 Power Electronics

5 5.1 换流方式 逆变电路的基本工作原理 换流方式分类 Power Electronics

6 5.1.1 逆变电路的基本工作原理 Power Electronics 当负载为电阻时，io和uo的波形相同，相位也相同
逆变电路的基本工作原理 当负载为电阻时，io和uo的波形相同，相位也相同 当负载为阻感时，io相位滞后于uo，波形也不同 设t1时刻前S1、S4导通，uo和io均为正 t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo极性立刻变负，但io不能立刻改变而维持原方向 io从直流电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，io逐渐减小，到t2时刻降为零，之后io才反向并逐渐增大。 S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 当开关S1、S4 闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正； 当S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负。 直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 负载 a) S 1 2 3 4 i o u U d b) t u o i 1 2 图5-1 逆变电路及其波形举例 Power Electronics

7 5.1 换流方式 逆变电路的基本工作原理 换流方式分类 Power Electronics

8 5.1.2 换流方式分类 Power Electronics 换流 换相
换流方式分类 换流 换相 无论支路是有全控型还是半控型电力电子器件组成，只要有适当的门极驱动信号，就可使其开通。 开通时 全控型器件可通过门极得控制使其关断， 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件或采取其它措施才能使其关断。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反向电压，才能关断。 关断时 Power Electronics

9 Power Electronics 1. 器件换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流 由电网提供换流电压 2. 电网换流 可控整流电路
三相交流调压电路 电网换流 采用相控方式的交交变频电路 只要把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，也不需要为换流附加任何元件。 但不适用于没有交流电网的无源逆变电路 Power Electronics

10 Power Electronics 3. 负载换流 由负载提供换流电压 负载电流相位超前于负载电压的场合 负载为电容性负载时 实现负载换流
负载为电容性负载时 实现负载换流 负载为同步电动机时 4个桥臂均由晶闸管组成 负载是电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。 直流侧串入大电感Ld，工作过程中可认为 id基本没有脉动 R L C E d VT 1 2 3 4 u o i a) 图5-2 a) 负载换流电路 Power Electronics

11 T1时刻前：VT1、VT4为通态，VT2、VT3为断态，uo、io均为正，VT2、VT3上施加的电压即为uo
t1时刻触发VT2、VT3使其开通，uo通过VT2、VT3本别加到VT4、VT1上使其承受反向电压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2 触发VT2、VT3时刻， t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成 w t O i 1 u o VT 4 2 3 4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波 负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大而对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦波 b) 图 b) 负载换流 工作波形 Power Electronics

12 Power Electronics 4. 强迫换流（电容换流） 设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式
直接耦合式强迫换流 由换流电路内电容直接提供换流电压 S VT 负载 + 晶闸管VT通态时，预先给电容C按图5-3中所示极性充电。合上开关S，就可使晶闸管被施加反向电压而关断 图5-3 直接耦合式强迫换流原理图 Power Electronics

13 Power Electronics 电感耦合式强迫换流 通过换流电路内电容和电感的耦合提供换流电压或换流电流
图a中，接通S后，LC振荡电流将反向流过VT，与VT的负载电流相减，直到VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。 图b中，接通S后，LC振荡电流先正向流过VT并和VT中原有的负载电流叠加，经过半个振荡周期 振荡电流反向流过VT，直到VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。 C L + VD S VT 负载 b) a) 图5-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断 图5-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断 图5-4 电感耦合式强迫换流原理图 Power Electronics

14 Power Electronics 电压换流 给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流 电流换流
先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加 反向电压的换流 器件换流 只适用于全控型器件 电网换流 负载换流 针对晶闸管 强迫换流 Power Electronics

15 Power Electronics 因器件或变流器自身原因引起换流 器件换流 强迫换流 自换流 电网换流 负载换流 外部换流
借助于外部手段（电网电压或负载电压）换流 自换流逆变电路 采用自换流方式逆变的电路 外部换流逆变电路 采用外部换流方式逆变的电路 熄灭 当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零 Power Electronics

16 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结
第5章 逆变电路(DC/AC变换） 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结 Power Electronics

17 5.2 电压型逆变电路 单相电压型逆变电路 三相电压型逆变电路 Power Electronics

18 5.2 电压型逆变电路 Power Electronics 电压型逆变电路 （电压源型逆变电路） 直流侧是电压源 电流型逆变电路
5.2 电压型逆变电路 电压型逆变电路 （电压源型逆变电路） 直流侧是电压源 电流型逆变电路 （电流源型逆变电路） 直流侧是电流源 + - C R L Ud V1 V2 V3 V4 VD1 VD2 VD3 VD4 uo io 图5-5 电压型全桥逆变电路 (全桥逆变电路） Power Electronics

19 Power Electronics 电压型逆变电路的特点
1）直流侧为电压源或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，滞留贿赂呈现低阻抗。 2）输出电压为矩形波，与负载阻抗角无关，交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。 3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联反馈二极管。 Power Electronics

20 5.2 电压型逆变电路 单相电压型逆变电路 三相电压型逆变电路 Power Electronics

21 5.2.1 单相电压型逆变电路 Power Electronics 半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。
单相电压型逆变电路 半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。 在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点是直流电源的中点。 负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。 1．半桥逆变电路 + - R L a) U d i o u V 1 2 VD 图5-6 a) 单相半桥电压型逆变电路 Power Electronics

22 设开关器件V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补。当负载为感性时，工作波形如图5-6b所示
输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2 输出电流io波形随负载情况而异。 t2时刻以前V1通，V2断 t2时刻给V1关断信号，给 V2开通信号，则V1关断，但感性负载中io不能立即改变方向，于是V2导通续流。 V1或V2通时，负载电流io和电压uo同方向，直流侧向负载提供能量 VD1或VD2通时，io和uo反向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈 t3时刻io降为零时，VD2截止，V2开通，io开始反向。 t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号，V2关断，VD1先导通续流，t5时刻V才开通。 t O ON b) u o U m - i 1 2 3 4 5 6 V VD 图5-6 b)单相半桥电压型逆变电路工作波形 Power Electronics

23 负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧，反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。
是负载向直流侧反馈能量的通道 反馈二极管 二极管 使负载电流连续 续流二极管 可控器件是不具有门极可关断能力的晶闸管时，须附加强迫换流电路才能正常工作。 Power Electronics

24 Power Electronics 半桥逆变电路特点 优点 简单，使用器件少
优点 简单，使用器件少 缺点 输出交流电压幅值Um仅为Ud/2，直流侧需两电容器串联，工作时要控制两个电容器电压均衡 半桥逆变电路常用于几kW以下的小功率逆变电源 Power Electronics

25 Power Electronics 2．全桥逆变电路
电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2和3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180° + - C R L Ud V1 V2 V3 V4 VD1 VD2 VD3 VD4 uo io 图5-5 电压型全桥逆变电路 (全桥逆变电路） Power Electronics

26 电压型全桥逆变电路输出电压uo的波形和图5-6b的半桥电路的波形uo形状相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，Um=Ud
输出电流io波形和图5-6b中的io形状相同，幅值增加一倍 VD1 、V1、VD2、V2相继导通的区间，分别对应VD1和VD4、V1和V4、VD2和VD3、V2和V3相继导通的区间 t O ON b) u o U m - i 1 2 3 4 5 6 V VD 图5-6 b)单相半桥电压型逆变电路工作波形 Power Electronics

27 全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，对电压波形进行定量分析将幅值为Uo的矩形波uo展开成傅里叶级数，得
其中基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为 上述公式对半桥逆变电路也适用，将式中的ud换成Ud /2 uo为正负电压各为180°的脉冲时，要改变输出电压有效值只能通过改变输出直流电压Ud来实现 (5-1) (5-2) (5-3) Power Electronics

28 Power Electronics 移相调压 采用移相方式调节逆变电路的输出电压 实际就是调节输出电压脉冲的宽度
各IGBT栅极信号为180°正偏，180°反偏，且V1和V2栅极信号互补，V3和V4栅极信号互补 V3的基极信号不是比V1落后180°，而是只落后q ( 0< q <180°) V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°-q 输出电压uo是正负各为q 的脉冲 + - C R L U d V 1 2 u o i 3 4 VD a) 图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式 Power Electronics

29 Power Electronics 各IGBT栅极信号uG1~uG4及输出电压uo、输出电流io的波形见图5-7b
t2时刻V1和V2栅极信号反向， V1截止， V2不能立即导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，输出电压为-Ud 到负载电流过零开始反向， VD2和VD3截止， V2和V3开始导通， uo仍为- Ud t3时刻V3和V4栅极信号再次反向， V3截止， V4不能立刻导通， VD4导通续流， uo再次为零 输出电压uo的正负脉冲宽度各为θ ，改变θ ，可调节输出电压 t1时刻前V1和V4导通，输出电压uo为ud t1时刻V3和V4栅极信号反向，V4截止，因io不能突变，V3不能立即导通，VD3导通续流，因V1和VD3同时导通，所以输出电压为零 t O q b) u G1 G2 G3 G4 o i 1 2 3 图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式 Power Electronics

30 Power Electronics 在纯电阻负载时，VD1~VD4不再导通，不起续流作用，uo为零的期间，4个桥臂均不能导通，负载没有电流。

31 Power Electronics 3．带中心抽头变压器的逆变电路
交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压 两个二极管的作用也是给负载电感中贮藏的无功能量提供反馈通道 Ud和负载参数相同，变压器一次侧2个绕组和二次侧绕组的匝比为1:1:1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同 带中心抽头变压器的逆变电路比全桥电路少用一半开关器件，但器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高一倍，必须有一个变压器 负载 + - i o u U d V1 V 2 VD 1 图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路 Power Electronics

32 5.2 电压型逆变电路 单相电压型逆变电路 三相电压型逆变电路 Power Electronics

33 5.2.2 三相电压型逆变电路 Power Electronics
三相电压型逆变电路 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成。 电压型三相桥式逆变电路也是180°导电方式 每桥臂导电角度180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120 ° 在任一瞬间将有三个桥臂同时导通 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流 N' N + - U V W 1 2 3 4 5 6 VD d 图5-9 三相电压型桥式逆变电路 Power Electronics

34 Power Electronics U相输出 当桥臂1导通时， uUN’ =Ud /2 当桥臂4导通时， uUN’=－Ud /2
的矩形波 V、W两相情况和U相类似 uVN’ 、 uWN’的波形形状与uUN’相同，只是依次相差120° 图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 Power Electronics

35 Power Electronics 负载线电压 负载相电压 将上两式整理得负载中点N和电源中点N′之间电压uUN’ (5-4) (5-5)

36 Power Electronics 负载为三相对称负载，则有 uUN+uVN+uWN=0，可得
(5-7) uNN’的 也是矩形波，但其频率为uUN’频率的3倍，幅值为其1/3,即为Ud / 6 负载参数已知时，可由uUN波形求出U相电流iU波形，负载的阻抗角j不同，iu的波形形状和相位都有所不同 图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 Power Electronics

37 桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每隔60°脉动一次，直流侧电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，这也是电压型逆变电路的一个特点
iu的上升段为桥臂1导电的区间，其中iu<0时为VD1导通，iu>0时为V1导通。 iu的下降段为桥臂4导电的区间，其中iu>0时为VD4导通，iu<0时为V4导通。 iv、 iw的 波形和iu形状相同，相位依次相差120°。 桥臂1和桥臂4之间的换流过程和半桥电路相似。 上桥臂1中的V1从通态转换到断态时，因负载电感中的电流不能突变，下桥臂4中的VD4先导通续流，待负载电流降为零，桥臂4中电流反向时，V4才开始导通。 负载的阻抗角j越大， VD4 导通时间越长。 图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 Power Electronics

38 Power Electronics 三桥式逆变电路输出线电压uUV展开成傅里叶级数得 式中，n=6k±1,k为自然数
基波幅值为 (5-8) (5-9) (5-10) Power Electronics

39 Power Electronics 基波有效值为 三桥式逆变电路负载相电压uUN展开成傅里叶级数得 式中，n=6k±1,k为自然数
(5-11) (5-12) (5-13) Power Electronics

40 Power Electronics 基波幅值为 基波有效值为
(5-14) (5-15) 为了防止同一相上下两桥臂开关器件同时导通而引起的直流侧电源短路，要采取“先断后通”的方法。即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间，死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间越短。 Power Electronics

41 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结
第5章 逆变电路(DC/AC变换） 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结 Power Electronics

42 5.3 电流型逆变电路 单相电流型逆变电路 三相电流型逆变电路 Power Electronics

43 Power Electronics 电流型逆变电路 一般在逆变电路直流侧串联一个大电感，因大电感中的电流脉动很小，可近似看成直流电流源
图中GTO使用反向阻断型器件，交流侧电容器是为吸收换流时负载电感中存贮的能量二设计的 图5-11 电流型三相桥式逆变电路 Power Electronics

44 Power Electronics 电流型逆变电路主要特点
1) 直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。 2) 电路中开关器件的作用只是改变直流电流的流通路径，与负载阻抗角无关，交流侧输出电压波形和相位侧因负载阻抗情况的不同而不同。 3) 当交流侧为足感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。 Power Electronics

45 5.3 电流型逆变电路 单相电流型逆变电路 三相电流型逆变电路 Power Electronics

46 图5-12 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路
5.3.1 单相电流型逆变电路 4桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器LT，用来限制晶闸管开通时的di/dt，各桥臂的LT之间不存在互感。 使桥臂1、4和桥臂2、3以1000~2500Hz的中频轮流导通，就可以在负载上得到中频交流电。 交流输出电流波形接近矩形波，其中含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。 因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载电路对基波呈现高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，谐波在负载电路上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦波。 采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负载电压。 R和L串联为感应线圈的等效电路，因功率因数很低，故并联补偿电容器C和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路。 负载户换流方式要求负载电流超前电压，使负载电路总体工作在容性小失谐的情况下。 图5-12 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路 Power Electronics

47 Power Electronics 换流时间 t4 -t2 =tγ
t2时刻后，4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电，在此过程中， VT1、VT4电流逐渐减小， VT2和VT3电流逐渐增大 t = t4 时， VT1、VT4电流减至零而关断，直流侧电流Id全部从VT1、VT4转移到VT2、VT3，换流阶段结束。 换流时间 t4 -t2 =tγ 在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。 t1~t2之间为VT1和VT4稳定导通阶段，io=Id t2时刻前在电容C上建立了左正右负的电压 t2时刻触发VT2和VT3， VT2和VT3开通，开始进入换流阶段，VT1和VT4不能立刻关断，其电流有一个减小过程。VT2和VT3的电流有一增大过程 图5-13 并联谐振式逆变电路工作波形 Power Electronics

48 晶闸管在电流减小到零后，尚需一段时间才能恢复正向阻断能力，在t4时刻换流结束后，还要使VT1、VT4承受一段反压时间tb才能关断，tb= t5- t4应大于晶闸管的关断时间tq
为保证可靠换流，应在uo过零前td= t5- t2时刻触发VT2、VT3 td为触发引前时间 io超前于uo的时间 tj表示为电角度 w为电路工作角频率；g、b分别是tg、tb对应的电角度,j也就是功率因数角 (5-16) (5-17) (5-18) Power Electronics

49 Power Electronics uAB的脉动频率为交流输出电压频率的两倍
在直流侧，Ld起到缓冲这种无功能量的作用。 t4~t6之间是 VT2、VT3的稳定导通阶段 t6以后又进入从VT2、VT3导通向VT1、VT4导通的换流阶段 在换流过程中，上下桥臂的LT上的电压极性相反，如不考虑晶闸管压降，则uAB=0 图5-13 并联谐振式逆变电路工作波形 Power Electronics

50 如忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数
(5-19) (5-20) Power Electronics

51 如忽略电抗器Ld的损耗，uAB的平均值等于Ud，忽略晶闸管压降，从uAB波形可得
Power Electronics

52 近似认为cos(g/2) ≈1,式（5-18）可为 或 (5-21) Power Electronics

53 Power Electronics 自励方式 他励方式 解决自励方式起动问题方法
实际工作过程中，为保证电路正常工作，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整的控制方式 自励方式 他励方式 固定工作频率的控制方式 解决自励方式起动问题方法 先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式 附加预充电起动电路 Power Electronics

54 5.3 电流型逆变电路 单相电流型逆变电路 三相电流型逆变电路 Power Electronics

55 5.3.2 三相电流型逆变电路 Power Electronics
三相电流型逆变电路 基本工作方式是120°导电方式，每个臂一周期内导电120°，按VT1~VT6的顺序每隔60°依次导通。每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，在上下桥臂组内依次换流，为横向换流 图5-11 电流型三相桥式逆变电路 Power Electronics

56 Power Electronics 输出电流波形和负载性质无关，是正负脉冲各120°的矩形波
输出电流波形和三相桥式可控整流电路在大电感负载下的交流输入电流波形相同，谐波分析表达式也相同 输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波，但叠加了一些脉冲,这是由于逆变器中的换流过程而产生的 图5-14 电流型三相桥式逆变电路输出波形 Power Electronics

57 Power Electronics 输出交流电流的基波有效值IU1和直流电流Id的关系为
(5-22) M 3 U V W + - L I d C 1 2 4 5 6 VD VT 对共阳极晶闸管，电容器与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的另一电容器电压为零 共阴极晶闸管与共阳极晶闸管情况类似，只是电容器电压极性相反 在分析换流过程中，常用等效换流电容概念 串联二极管式晶闸管逆变电路主要用于中大功率交流电动机调速系统 电流型三相桥式逆变电路，各桥臂的晶闸管和二极管串联使用，电路仍为120°导电工作方式，输出波形和图5-14的波形大体相同 各桥臂之间换流采用强迫换流方式，电容C1~C6为换流电容 图5-15 串联二极管式晶闸管逆变电路 Power Electronics

58 + - U V W a) VT 1 2 3 VD C 13 I d + - U V W b) VT 1 2 3 VD C13 I d - + U V W c) VT 1 2 3 VD C13 I d i = - + U V W d) VT 1 2 3 VD C 13 I d 图5-16 换流过程各阶段的电流路径 随着C13充电电压不断增高，充电电流逐渐减小，iV逐渐增大，到t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束 t3以后，进入VT2、VT3稳定导通阶段 t2时刻uC13降到零，之后在U相负载电杆的作用下，开始对C13反向充电。忽略负载电阻压降，则在t2时刻uC13=0后，二极管VD3正向偏置导通，开始流过电流iV，VD1流过充电电流iU=Id-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段 Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段 C13电压uC13下降到零之前，VT1一直承受反压，只要反压时间大于晶闸管关断时间tq就能保证可靠关断 假设换流前VT1和VT2导通通，C13电压UC0左正右负 恒流放电 换流过程可分为 两个阶段 二极管换流 t1时刻给VT3触发脉冲导通，而VT1被施以反向电压而关断 Power Electronics

59 图5-17 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形
电感负载时 uC1的波形和uC13完全相同，在换流过程中， uC1从UC0降为－UC0 C3和C5串联后再和C1并联的，换相过程电压变化的幅度是C1的一半 换流过程中，uC3从零变到-UC0，uC5从UC0变到零 图5-17 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形 Power Electronics

60 Power Electronics 电流型三相桥式逆变器可驱动同步电动机，利用滞后于电流相位的反电动势可实现负载换流
用逆变器驱动同步电机时，工作特性和调速方式和直流电动机相似，但无换向器，因此称为无换向器电动机 图5-18 无换相器电动机的基本电路 Power Electronics

61 Power Electronics BQ是转子位置检测器，检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲
图5-18 无换相器电动机的基本电路 BQ是转子位置检测器，检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲 由三相可控整流电路为逆变电路提供直流电源，逆变电路采用1200导电方式，利用电动机反电势实现换流 图5-19 无换相器电动机电路工作波形 Power Electronics

62 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结
第5章 逆变电路(DC/AC变换） 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结 Power Electronics

63 5.4 多重逆变电路和多点平逆变电路 5.4.1 多重逆变电路 5.4.2 多电平逆变电路 Power Electronics

64 Power Electronics 电压型电路 输出电压是矩形波 电流型电路 输出电流是矩形波
多重逆变电路把几个矩形波组合起来，使之接近正弦波形 减少矩形波中所含谐波 改变电路结构为多电平逆变电路，它能输出较多电平，使输出电压接近正弦波形 Power Electronics

65 5.4 多重逆变电路和多点平逆变电路 5.4.1 多重逆变电路 5.4.2 多电平逆变电路 Power Electronics

66 5.4.1 多重逆变电路 Power Electronics 电压型逆变电路和电流型逆变电路都可以实现多重化
多重逆变电路 电压型逆变电路和电流型逆变电路都可以实现多重化 二重单相电压型逆变电路由两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器T1和T2串联起来 U d T 1 2 u o j =600 图5-20 二重单相逆变电路 Power Electronics

67 将两个单项逆变电路导通的相位u1和u2相位错开j =60°，则对于u1和u2中的3次谐波错开了3×60°=180°
通过变压器串联合成后，两者中所含3次谐波互相抵消，所得到的总输出电压中不含3次谐波 uo波形是120°矩形波，和三相桥式逆变电路180°导通方式下的线电压输出波形相同，其中含6k±1次谐波，3k次谐波都被抵消 图5-21 二重逆变电路的工作波形 Power Electronics

68 Power Electronics 多重逆变电路 串联多重 并联多重 把几个逆变电路的输出串联起来，多用于电压型
把几个逆变电路的输出并联起来，多用于电流型 Power Electronics

69 Power Electronics 三相电压型二重逆变电路由两个三相桥式逆变电路构成，输入直流电源公用，输出电压通过变压器T1和T2串联合成
两个逆变电路均为180°导通方式，输出线电压都是1200矩形波 工作时逆变桥II的相位比逆变桥I滞后30° T1为D/ Y联结，线电压变比为1：√3（一次和二次绕组匝数相等） 变压器T2一次侧是三角形联结，二次侧两绕组，采用曲折星形接法，其二次电压相对于一次电压而言，比T1的接法超前30°，以抵消逆变桥II比逆变桥I滞后的30°。这样，uU2和uU1的基波相位就相同 U V W N T 1 A 2 B 21 C 22 u UN U2 U1 d I II 图5-22 三相电压型二重逆变电路 Power Electronics

70 图5-23 二次侧基波电压合成相量图 为了使uU2和uU1的基波幅值相同，T1和T2二次侧间的匝比应为1/√3，T1、T2二次侧基波电压合成相量图如图5-23所示 图5-24中uUN比uU1接近正弦波 图5-24 三相电压型二重逆变电路波形图 Power Electronics

71 Power Electronics uU1展成傅里叶级数得 式中， n=6k±1， k为自然数，uU1的基波分量有效值为 n次谐波有效值
(5-23) (5-24) (5-25) Power Electronics

72 Power Electronics 直流侧电流每周期脉动12次，称为12脉波逆变电路
输出相电压uUN展开成傅里叶级数，可得其基波电压有效值 n次谐波有效值 式中，n=12k±1， k为自然数， uUN中已不含5次、7次等谐波 直流侧电流每周期脉动12次，称为12脉波逆变电路 使m个三相桥逆变电路的相位依次错开p/(3m)运行，连同合成输出电压并抵消上述相位差的变压器，就可构成6m脉波逆变电路 (5-26) (5-27) Power Electronics

73 5.4 多重逆变电路和多点平逆变电路 5.4.1 多重逆变电路 5.4.2 多电平逆变电路 Power Electronics

74 5.4.2 多电平逆变电路 Power Electronics 回顾图5-9三相电压型桥式逆变电路和图5-10的波形
多电平逆变电路 回顾图5-9三相电压型桥式逆变电路和图5-10的波形 电路输出相电压有Ud/2和-Ud/2两种电平，称为两电平逆变电路 以直流侧中N’为参考点，对于U相输出，桥臂1导通时，uUN’=Ud/2桥臂4导通时， uUN’=-Ud/2，V、W两相类似 N' N + - U V W 1 2 3 4 5 6 VD d 图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 图5-9 三相电压型桥式逆变电路 Power Electronics

75 Power Electronics U相上下桥臂分别通过钳位二极管VD1和VD4与O'点相连接，以U相为例 三电平逆变电路
V11和V12（或VD11和VD12）导通，V41和V42关断，U点和O'间电位差为Ud/2 V41和V42（或VD41和VD42）导通，V11和V12关断，U点和O'间电位差为-Ud/2 三电平逆变电路 V12和V41导通，V11和V42关断时，U点和O'间电位差为0 实际上V12和V41不能同时导通，哪一个导通取决于负载电流iu的方向 iU>0时，V12和VD1导通 iU<0时，V41和VD4导通 + - U V W d VD 1 11 O' 12 4 41 42 i L s R 中点钳位型逆变电路 每桥臂由两个全控器件串联构成，两个器件都反并联了二极管。两个串联器件的中点通过钳位二极管和直流侧电容的中点相连接 图5-25 三电平逆变电路 Power Electronics

76 Power Electronics 通过相电压相减得到线电压 两电平逆变电路的输出线电压有±Ud和0三种电平
三电平逆变电路的输出线电压有±Ud、±Ud/2和0五种电平 通过适当控制，三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路 三电平逆变电路另一突出优点 每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半 多电平逆变电路 三电平及更多电平的逆变电路 Power Electronics

77 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结
第5章 逆变电路(DC/AC变换） 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结 Power Electronics

78 本 章 小 结 Power Electronics 结构 工作原理 逆变电路 AC/DC DC/AC 更为基本、更为重要 AC/AC
变流电路 电网换流 负载换流 外部换流 自换流 换流方式 器件换流 强迫换流 Power Electronics

79 Power Electronics 按换流方式 输出相数 直流电源的性质 用途 逆变电路分类方法 电压型 电流型 按直流侧电源性质分类
可看成为 负载为大电感的整流电路 电流型整流电路 电容滤波的整流电路 可看成为 电压型整流电路 Power Electronics

80 目 录 Power Electronics 绪论 1 电力电子器件 2 整流电路 3 直流斩波电路 4 交流电力控制电路和交交变频电路
目 录 绪论 1 电力电子器件 2 整流电路 3 直流斩波电路 4 交流电力控制电路和交交变频电路 5 逆变电路 6 PWM控制技术 7 软开关技术 8 组合变流技术 Power Electronics