第4章逆變電路

1、第第4 4章章 DC/ACDC/AC逆變電路逆變電路本章內(nèi)容本章內(nèi)容逆變的定義、逆變電路的分類；逆變的定義、逆變電路的分類；典型典型電壓型逆變電路電壓型逆變電路的基本組成、工作原理和特性；的基本組成、工作原理和特性；電壓型逆變電路的應(yīng)用實(shí)例（開關(guān)電源和變頻器）；電壓型逆變電路的應(yīng)用實(shí)例（開關(guān)電源和變頻器）；電流型逆變電路電流型逆變電路的基本組成、特點(diǎn)、工作原理；的基本組成、特點(diǎn)、工作原理；并聯(lián)型多重逆變電路和串聯(lián)型多重逆變電路。并聯(lián)型多重逆變電路和串聯(lián)型多重逆變電路。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：逆變把直流電變成交流電逆變器實(shí)現(xiàn)逆變的裝置逆變電路將直流電逆變成交流電的電路。一般指無源逆變電路第第4 4章

2、章 DC/ACDC/AC逆變電路逆變電路概述概述第第4 4章章 DC/ACDC/AC逆變電路逆變電路概述概述逆變電路應(yīng)用廣泛，在各種直流電源、電池向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的電路核心部分都是逆變電路。4.1 逆變概念4.1.1 逆變的定義4.1.2 逆變電路的分類4.1.3 換流方式4.1.1 4.1.1 逆變的定義逆變的定義uS1S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成負(fù)載S1S2S3S4iouoUS 逆變電路原理圖 阻抗性負(fù)載波形u當(dāng)開關(guān)S1、S4 閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo =USu輸出uo為交流電

3、，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。u當(dāng)S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，uo = US4.1.1 4.1.1 逆變的定義逆變的定義u 當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，io和uo的波形相同，相位也相同 電阻型負(fù)載波形阻感性負(fù)載波形u當(dāng)負(fù)載為阻感時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同直流電到交流電的直流電到交流電的變換稱為逆變。變換稱為逆變。4.1.2 4.1.2 逆變電路的分類逆變電路的分類根據(jù)輸出電能去向，分為有源逆變電路和無源逆變電路兩種。根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)，分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路兩種根據(jù)輸出相數(shù)，分為單相逆變電路和多相逆變電路兩種。根據(jù)逆變電路的結(jié)構(gòu)，分為半橋式、全橋式和推挽式逆

4、變電路。4.1.2 4.1.2 逆變電路的分類逆變電路的分類根據(jù)逆變電路的器件，分為由具有自關(guān)斷能力的全控型器件組成的全控型逆變電路和由無關(guān)斷能力的半控型器件（如普通晶閘管）組成的半控型逆變電路兩種。根據(jù)按所用的電力電子器件的換流方式，可 分 為 自 關(guān) 斷 （ 如 G T O , G T R , 電 力MOSFET,IGBT等）、強(qiáng)迫換流、電網(wǎng)換流以及負(fù)載諧振換流逆變電路。有源逆變和無源逆變u有源逆變：其交流側(cè)接在交流電網(wǎng)上根據(jù)輸出電能去向，分為有源逆變電路和無源逆變電路兩種。無源逆變：交流側(cè)直接和負(fù)載連接有源逆變過程為：直流電逆變器交流電交流電網(wǎng)無源逆變過程為：直流電逆變器交流電負(fù)載（如電

5、機(jī)）有源逆變和無源逆變u有源逆變電路常用于直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速以及高壓直流輸電等方面。u無源逆變電路常用于開關(guān)電源、交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等。電壓型逆變電路和電流型逆變電路 電壓型逆變電路（Voltage Source Type Inverter-VSTI ）直流側(cè)是電壓源 電流型逆變電路（Current Source Type Inverter-CSTI ）直流側(cè)是電流源根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)，分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路兩種。電壓型逆變電路廣泛應(yīng)用于由自關(guān)斷器件組成的開關(guān)電源、變頻器等裝置中。4.1.3 換流方式換流的概念 電流從一個(gè)支

6、路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程稱為換流，也稱為換相。 研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。換流方式分類： 器件換流（Device Commutation） 利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。電網(wǎng)換流（Line Commutation） 利用電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。4.1.3 換流方式強(qiáng)迫換流（Forced Commutation） 設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。 通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流。直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖負(fù)載換流（Lo

7、ad Commutation） 由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。負(fù)載換流的電流型逆變電路4.2 4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路4.2.1 單相電壓型逆變電路4.2.2 三相電壓型逆變電路4.2.3 電壓型逆變電路的應(yīng)用4.2 4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 本節(jié)介紹單相和三相電壓型逆變電路的基本組成、工作原理和特性。 電壓型逆變電路（Voltage Source Type Inverter-VSTI ）直流側(cè)是電壓源電壓型逆變電路，也稱電壓源型逆變電路。電壓型逆變電路的特點(diǎn)電壓型逆變電路的特點(diǎn)：1）直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)。直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，相當(dāng)于電壓源。2）輸出電壓為矩形波，

8、交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗的不同而不同。3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)反饋二極管。4.2.1 單相電壓型逆變電路1半橋逆變電路半橋逆變電路有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂有一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成單相半橋電壓型逆變電路+- -RLUdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)是直流電源的中點(diǎn)4.2.1 單相電壓型逆變電路1半橋逆變電路單相半橋電壓型逆變電路+- -RLUdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2控制方式:開關(guān)器件V1和

9、V2柵極信號(hào)在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補(bǔ)。 分析穩(wěn)態(tài)波形 假設(shè)電容電壓基本不變 V1 / VD1導(dǎo)通時(shí)負(fù)載電流計(jì)算公式+- -RLUdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2單相半橋電壓型逆變電路2dooURidtdiL初值io(0)輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2輸出電流io波形隨負(fù)載情況而異。 V1 / VD1導(dǎo)通時(shí)uo =Ud/2 io按指數(shù)規(guī)律上升. V2 / VD2導(dǎo)通時(shí)uo =-Ud/2 io按指數(shù)規(guī)律下降.V1 / VD1導(dǎo)通時(shí)等效電路ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2單相半橋電壓型逆變電路感性負(fù)載

10、工作波形 t2時(shí)刻以前V1通，V2斷 t2時(shí)刻給V1關(guān)斷/ V2開通信號(hào)，則V1關(guān)斷，但感性負(fù)載中io不能立即改變方向，于是VD2導(dǎo)通續(xù)流。 t3時(shí)刻io降為零，VD2截止，V2開通，io將反向。 t4時(shí)刻給V2關(guān)斷/V1開通信號(hào)，V2關(guān)斷，VD1先導(dǎo)通續(xù)流，t5時(shí)刻V1才開通。+- -RLUdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2單相半橋電壓型逆變電路 VD1或VD2導(dǎo)通時(shí)，io和uo反向，負(fù)載電感中貯藏的能量向直流側(cè)反饋ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2單相半橋電壓型逆變電路感性負(fù)載工作波形+- -RLUdiouoV1V2VD1

11、VD2Ud2Ud2單相半橋電壓型逆變電路 V1或V2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流io和電壓uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量負(fù)載電感將其吸收的無功能量反饋回直流側(cè)，反饋回的能量暫時(shí)儲(chǔ)存在直流側(cè)電容器中，直流側(cè)電容器起著緩沖這種無功能量的作用。二極管反饋二極管反饋二極管是負(fù)載向直流側(cè)反饋能量的通道續(xù)流二極管續(xù)流二極管使負(fù)載電流連續(xù)u可控器件是不具有門極可關(guān)斷能力的晶閘管時(shí)，須附加強(qiáng)迫換流電路才能正常工作。1半橋逆變電路二極管作用半橋逆變電路特點(diǎn)半橋逆變電路特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 簡單，使用開關(guān)器件少，抗電路不平衡能力強(qiáng) 缺點(diǎn) 輸出交流電壓幅值只有Ud/2，直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，工作時(shí)要控制兩者電壓均衡半橋逆變電路常用于幾k

12、W以下的小功率逆變電源2全橋逆變電路+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio電壓型全橋逆變電路(全橋逆變電路）電壓型全橋逆變電路可看成由兩個(gè)半橋電路組合而成，共4個(gè)橋臂，橋臂1和4為一對(duì)，橋臂2和3為另一對(duì)。禁止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通控制方式成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通。2 全橋逆變電路 V1 、V4/ VD1、VD4導(dǎo)通時(shí)負(fù)載電流計(jì)算公式dooURidtdiL初值io(0) V1 、V4/ VD1、VD4導(dǎo)通時(shí)uo =Ud， io按指數(shù)規(guī)律上升. V2 、V3/ VD2、VD3導(dǎo)通時(shí)uo =-Ud， io按指數(shù)規(guī)律下降.tOuoUm- -Um工作波形tOiot1t2

13、t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio電壓型全橋逆變電路2全橋逆變電路工作波形l電壓型全橋逆變電路輸出電壓uo的波形和半橋電路的波形uo形狀相同，但幅值高出一倍，Um=Udt tt tOOOOuo oU Umm- - U Ummi io ot t1 1t t2 2t t3 3t t4 4t t5 5t t6 6V V1 1V V2 2V V1 1V V2 2VDVD1 1VDVD2 2VDVD1 1VDVD2 2l 輸出電流io波形和半橋電路的io形狀相同，幅值增加一倍工作原理+- -CRLUdV1V2

14、V3V4VD1VD2VD3VD4uoio電壓型全橋逆變電路基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為:.5sin513sin31sin4tttUudoddo1mUUU27. 14ddoUUU9 . 0221主要數(shù)量關(guān)系ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作波形輸出電壓有效值:doUU 輸出電壓諧波分析將幅值為Ud 的矩形波uo展開成傅里葉級(jí)數(shù)，得:主要數(shù)量關(guān)系輸出電流計(jì)算:dooURidtdiL0tt2初值iomdooURidtdiLt2tt4初值ioM負(fù)載為RL時(shí)，輸出電流io的基波分量為:)sin()(4)(2201tLR1Utid

15、ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作波形+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio電壓型全橋逆變電路?輸出電壓=Ud不變采用移相方式調(diào)節(jié)輸出電壓移相調(diào)壓移相調(diào)壓V4的柵極信號(hào)比V2落后q 2全橋逆變電路實(shí)質(zhì):調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度調(diào)電壓單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoioV1和V2柵極信號(hào)互補(bǔ)， V3和V4柵極信號(hào)互補(bǔ)V3的基極信號(hào)比V1落后q ( 0 q 180)控制方案:tOuG1tOuG2tOq quG3tOuG4iot1t2t3iotOuo單

16、相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式lt1時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)反向，V4截止，因io不能突變，V3不能立即導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流，因V1和VD3同時(shí)導(dǎo)通，所以輸出電壓為零工作原理+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiolt1時(shí)刻前V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓uo=Ud 電流上升t1t2間V1、VD3導(dǎo)通t1uo工作原理tOuG1tOuG2tOq quG3tOuG4+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiolt2時(shí)刻V1和V2柵極信號(hào)反向， V1截止， V2不能立即導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道， uo= -Ud, 電流下降,t20時(shí)刻電流=0t

17、2t20間VD2、VD3導(dǎo)通t20iot1t2t3iotOuot1uol t20時(shí)刻,負(fù)載電流過零開始反向， VD2和VD3截止， V2和V3開始導(dǎo)通， uo=- Ud工作原理tOuG1tOuG2tOq quG3tOuG4+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiot20t3間V2、V3導(dǎo)通t20iot1t2t3iotOuot1uo輸出電壓uo的正負(fù)脈沖寬度為 ，改變 ，可調(diào)節(jié)輸出電壓tOuG1tOuG2tOq quG3tOuG4工作原理+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiolt3時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)再次反向， V3截止， V4不能立刻導(dǎo)通，

18、 VD4導(dǎo)通續(xù)流， uo=0t3t4間V2、VD4導(dǎo)通t20iot1t2t3iotOuot1uot4lt4時(shí)刻V1和V2柵極信號(hào)再次反向， 進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期若逆變輸出功率為數(shù)千瓦到數(shù)百千瓦，可采用MOSFET, IGBT等高頻自關(guān)斷器件，若逆變電路輸出功率很大，其電路中的開關(guān)器件應(yīng)采用GTO、IGCT 優(yōu)點(diǎn)是器件承受電壓不高，輸出功率大全橋逆變電路特點(diǎn)全橋逆變電路特點(diǎn)缺點(diǎn)是使用的開關(guān)器件多，驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜，適用于大功率的逆變器3 3帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭變壓器的逆變電路負(fù)載+-iouoUdV1V2VD1VD2l交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩

19、形波交流電壓3 3帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭變壓器的逆變電路負(fù)載+-iouoUSV1V2VD1VD2V1斷開、V2導(dǎo)通等效電路3 3帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭變壓器的逆變電路負(fù)載+-iouoUSV1V2VD1VD2V2斷開、V1導(dǎo)通等效電路3 3帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭變壓器的逆變電路負(fù)載+-iouoUdV1V2VD1VD2l 當(dāng)Ud和負(fù)載參數(shù)相同、變壓器一次側(cè)2個(gè)繞組和二次側(cè)繞組的匝比為1:1:11:1:1時(shí)，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同l交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT，經(jīng)變壓器

20、耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓l兩個(gè)二極管的作用是給負(fù)載電感中貯藏的無功能量提供反饋通道3 3帶中心抽頭變壓器的逆變電路帶中心抽頭變壓器的逆變電路l必須有一個(gè)變壓器 帶中心抽頭變壓器的逆變電路負(fù)載+-iouoUdV1V2VD1VD2l 帶中心抽頭變壓器的逆變電路比全橋電路少用一半開關(guān)器件，但器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高一倍。4.2.2 4.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路三相電壓型橋式逆變電路通常應(yīng)用的電壓型三相橋式逆變電路可看成由三個(gè)半橋逆變電路組成。NN+-UVWV1VD 5VD 2VD 6VD 3VD 1VD 4V3V5V4V6V22dU2dUR4.2.2 4.2.2

21、三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行控制方式:l電壓型三相橋式逆變電路可用180導(dǎo)電方式，上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)l各相開始導(dǎo)電的角度依次相差120 在任一瞬間將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通U相輸出電壓波形相輸出電壓波形當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)， uUN =Ud /2Ud /2Ud /2V1V4V1uUNttUG當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)， uUN=Ud /2 uUN的波形是幅值為Ud/2 的矩形波 NN+-UVWV1VD 5VD 2VD 6VD 3VD 1VD 4V3V5V4V6V22dU2dUR電壓型三相橋式逆變電路180導(dǎo)電模式工作波形V、W兩相波兩相波形和形和U相類似相類似, ,只是相

22、位依次相差120V3V6V3tV6V5V2tV2V1V4V1tUGuUNUd /2Ud /2tuVNt120uWNt120其中負(fù)載中點(diǎn)N與直流電源假想中點(diǎn)N之間的電壓為uNNNN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuuNN+-UVWV1VD 5VD 2VD 6VD 3VD 1VD 4V3V5V4V6V22dU2dUR 負(fù)載相電壓)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu)(31 WN VN UNNNuuuu負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)載，則有 uUN+uVN+uWN=0，可得:NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuuNN+-UVWV1VD

23、 5VD 2VD 6VD 3VD 1VD 4V3V5V4V6V22dU2dURuUNUd/2Ud /2tuVNt120uWNt120uNNtUd /6)(31 WN VN UNNNuuuu負(fù)載相電壓波形uUN= uUN- uNNtuUN負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可由uUN波形求出U相電流iU波形，負(fù)載的阻抗角j不同，iu的波形形狀和相位都有所不同2Ud /3三相橋式逆變電路輸出相電壓展開成傅里葉級(jí)數(shù)得:式中，n=6k1, k為自然數(shù)111)120sin(12)120sin(12sin12ndWNndVNndUNtnnUutnnUutnnUu電壓諧波分析1sin12ndUNtnnUu電壓諧波分析輸出相電壓

24、有效值UUN為:相電壓基波幅值為:ddUN1mUUU637. 02dUNUNUtduU471. 021202電壓諧波分析負(fù)載線電壓有效值UUV為:負(fù)載線電壓:11)120sin(12sin12ndVNndUNtnnUutnnUu1)6sin(6cos14ndUVtnnnUudUVUVUtduU816.021202式中，n=6k1, k為自然數(shù)電壓諧波分析SdUV1mUUU1 . 132線電壓基波幅值為:ddUV1mUV1UUUU78. 062線電壓基波有效值為:負(fù)載線電壓:1)6sin(6cos14ndUVtnnnUu輸出電壓中諧波成份約4.5%dUVUU816.0已知線電壓有效值為:直通的防

25、止在180導(dǎo)電方式逆變電路中，為了防止同一相上下兩橋臂開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起的直流側(cè)電源短路直通，要采取“先斷后通”的方法。為防止直通,應(yīng)先關(guān)斷導(dǎo)通橋臂的器件, 并留有短暫的時(shí)間（稱為死區(qū)時(shí)間），然后再開通應(yīng)導(dǎo)通橋臂的器件。死區(qū)時(shí)間的長短視器件的開關(guān)速度而定，器件的開關(guān)速度越快，所留的死區(qū)時(shí)間越短。死區(qū)時(shí)間的存在加大了輸出波形的諧波成份。4.2.3 4.2.3 電壓型逆變電路的應(yīng)用電壓型逆變電路的應(yīng)用電壓型逆變電路的應(yīng)用十分廣泛，典型應(yīng)用:l開關(guān)電源開關(guān)電源l變頻器變頻器1 1開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)開關(guān)電源通常是指利用自關(guān)斷器件和PWM控制技術(shù)制成的高頻開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源，在用電

26、設(shè)備中得到了普遍應(yīng)用。開關(guān)電源具有如下優(yōu)點(diǎn)： 用材少 體積小 重量輕 效率高）開關(guān)電源的性能指標(biāo)）開關(guān)電源的性能指標(biāo)主要的電氣性能指標(biāo)：輸入電源的相數(shù)、頻率輸入電源的相數(shù)、頻率：根據(jù)輸出功率的不同，可采用單相或三相電源供電。輸出功率高于5kW時(shí)通常采用三相電源供電，以使三相負(fù)荷均衡。額定輸入電壓、容許電壓波動(dòng)范圍額定輸入電壓、容許電壓波動(dòng)范圍：在容許輸入電壓波動(dòng)范圍內(nèi)都要保證額定輸出功率。額定輸入電流額定輸入電流：在額定輸入電壓、額定輸出功率時(shí)的輸入電流。 輸入功率因數(shù)輸入功率因數(shù)：輸入有功功率與視在功率的比值。）開關(guān)電源的性能指標(biāo)）開關(guān)電源的性能指標(biāo)主要的電氣性能指標(biāo)：額定輸出直流電壓額定輸

27、出直流電壓：指在額定輸出電流時(shí)的最大輸出直流電壓。額定輸出電流額定輸出電流：額定輸出電壓時(shí)供給負(fù)載的最大平均電流。穩(wěn)壓精度穩(wěn)壓精度：指在容許的工作條件范圍內(nèi)，實(shí)際輸出直流電壓與額定工作條件時(shí)理想輸出直流電壓的比值。它反映了電源的控制精度。最大紋波電壓最大紋波電壓：在額定輸出電壓和負(fù)載電流下，輸出電壓的紋波（包括噪聲）的絕對(duì)值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。 效率：效率：指輸出有功功率與輸入有功功率的比值。開關(guān)電源包括主電路與控制電路兩大部分 l主電路由輸入整流濾波、功率因數(shù)校正、逆變電路、輸出整流濾波等組成能量傳遞通道開關(guān)電源原理框圖2）開關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理l主電路以外的電路統(tǒng)稱為控制電路,它

28、保證主電路正常工作，并獲得設(shè)計(jì)期望的技術(shù)指標(biāo)2）開關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理l控制電路設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是根據(jù)主電路形式確定合適的控制方法及其實(shí)現(xiàn)，此外應(yīng)考慮必要的故障檢測(cè)與保護(hù)電路。l主電路設(shè)計(jì)包括主電路形式的選擇，開關(guān)工作頻率，功率器件選型與額定參數(shù)的確定，變壓器與電感參數(shù)的計(jì)算等。開關(guān)電源設(shè)計(jì)包括主電路設(shè)計(jì)與控制電路設(shè)計(jì) 2）開關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理采用PWM控制方案電路設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容:（1 1）主電路形式選擇）主電路形式選擇 可選擇半橋、全橋、單端正激/反激等電路形式（2 2） 開關(guān)工作頻率開關(guān)工作頻率 開關(guān)頻率越高，所需要的濾波電感、電容容量越小，脈沖變壓器體積也越小，然而開關(guān)器件的損耗也越大，對(duì)開關(guān)器

29、件的開關(guān)速度要求也越高，干擾抑制等問題也更復(fù)雜 綜合選擇確定開關(guān)工作頻率。(3) (3) 功率器件的確定功率器件的確定 根據(jù)輸出功率要求與主電路開關(guān)工作頻率，可基本選定功率器件類型。一旦選定器件類型，則容易根據(jù)器件特點(diǎn)、主電路形式與輸入輸出指標(biāo)確定功率器件的額定參數(shù)。磁性元件包括變壓器、電感等。磁性元件設(shè)計(jì)是主電路設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。l根據(jù)電路工作要求確定電感量大小或變壓器變比。l根據(jù)對(duì)溫升的限制決定允許銅耗的大小。銅耗的限制確定線圈截面積或線圈電流密度的選擇范圍。l確定磁性元件鐵芯材料選擇及繞組匝數(shù)等。(4) (4) 磁性元件設(shè)計(jì)磁性元件設(shè)計(jì)磁性元件設(shè)計(jì)內(nèi)容：l在電感平均電流I、電感量L、線圈電

30、流密度J確定后，還應(yīng)選擇磁芯并計(jì)算電感繞組匝數(shù)、氣隙長度等。電感器的設(shè)計(jì)l電感設(shè)計(jì)首先根據(jù)電路工作要求確定流過電感的平均電流及允許電流紋波的大小，同時(shí)還應(yīng)給定允許的電感溫升(電感銅耗)。l根據(jù)電路形式、平均電流與允許紋波大小確定所需電感量大小。l對(duì)于電感溫升的限制決定允許的電感銅耗大小。銅耗的限制確定線圈截面積或線圈電流密度的選擇范圍。根據(jù)上式可選擇或制作電感磁芯，使其窗口面積與截面積之積稍大于上述計(jì)算值。SBLINm設(shè)所選磁性材料的最大直流磁通密度為Bm，繞組匝數(shù)N為JNIkW磁芯窗口面積應(yīng)滿足k為窗口面積利用系數(shù)，通常在0.30.6之間。JkBLIWSm2LSNlg20設(shè)磁路氣隙為lg，為

31、防止磁芯飽和，根據(jù)安培環(huán)路定律有:變壓器的設(shè)計(jì)包括變比確定、磁芯材料及磁芯形式選擇、繞組匝數(shù)及導(dǎo)線規(guī)格等。l變壓器設(shè)計(jì)基本要求：a)變比的選擇應(yīng)使得輸入電壓降到允許的最低值時(shí)，仍能得到必要的最大輸出電壓；b) 磁芯不會(huì)飽和；c)盡可能提高變壓器的利用效率：如使原、副邊線圈損耗相等，銅耗與鐵損相等；d)溫升不超過允許的范圍；e)原、副邊線圈漏感要??；f)符合必要的安全規(guī)范等。變壓器的設(shè)計(jì)變壓器的設(shè)計(jì)l磁芯最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bm，磁芯截面積為S，繞線用窗口面積為W。變壓器的設(shè)計(jì)變壓器的設(shè)計(jì)l變壓器原邊由方波電壓激勵(lì)，頻率為f，原邊電壓最大幅值為U1max，最小幅值為U1min，最大電流為I1，匝數(shù)為

32、N1l原、副邊繞組電流密度為Jl副邊繞組最小電壓幅值為U2min，最大電流為I2，匝數(shù)為N2設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)條件: 為保證最大占空比Dmax下輸出額定電壓Uo，要求副邊最小電壓滿足：oDFUUDUmaxmin2DFoUUUDUUNNnmin1maxmin2min121SfBDUNm4maxmax11有關(guān)設(shè)計(jì)和計(jì)算公式有關(guān)設(shè)計(jì)和計(jì)算公式其中UDF為副邊整流二極管及線路壓降之和。 變比n為為保證最大輸入電壓與最大占空比下磁芯不會(huì)飽和，根據(jù)法拉第定律有:假定窗口面積被充分利用，則有:JINJInNJINJINJINkW11211122112有關(guān)設(shè)計(jì)和計(jì)算公式有關(guān)設(shè)計(jì)和計(jì)算公式式中k為窗口利用系數(shù)。式中，

33、P為變壓器輸出最大功率。 DFoUUUDnmin1maxmin1max1min1max1222)(UUkfJBPUUkfJBUUIWSmmDFoSfBDUNm4maxmax11mkfJBIUDWS21max1max 變壓器設(shè)計(jì)過程為：選擇或制作一磁芯，使其實(shí)際窗口面積與磁芯截面積之積略大于計(jì)算值，確定原、副邊繞組匝數(shù)，原、副邊導(dǎo)線截面積。最后，對(duì)變壓器的功耗、溫升、勵(lì)磁電流等進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合乎要求。min1max1min1max1222)(UUkfJBPUUkfJBUUIWSmmDFo變壓器的設(shè)計(jì)變壓器的設(shè)計(jì)2）開關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理）開關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理(5) 控制電路設(shè)計(jì)v控制電路的核心

34、是根據(jù)反饋控制原理，將期望輸出電壓信號(hào)與實(shí)際輸出電壓信號(hào)進(jìn)行比較，利用誤差信號(hào)對(duì)功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際輸出電壓維持在期望電壓附近的目標(biāo)。v目前，能實(shí)現(xiàn)PWM控制的集成芯片很多，也可利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM控制。例例4-14-1設(shè)某設(shè)備需要一直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓Uo=24V，最大輸出電流Io=20A，輸出電壓紋波峰峰值不超過0.24V，輸出電流5A時(shí)副邊電感電流仍然連續(xù)。采用PWM控制方案，最大占空比Dmax=0.9。設(shè)輸入直流電壓變化范圍為245350V，且采用隔離變壓器的橋式逆變+二極管整流電路結(jié)構(gòu)。試設(shè)計(jì)滿足上述要求的電路主要參數(shù)。開關(guān)電源設(shè)計(jì)開關(guān)電源設(shè)計(jì)例例因輸

35、出功率不大，可選MOSFET作為開關(guān)器件，并選逆變工作頻率 ，即 usKHzf5020STu1u2IoUoCLD1D2USM4M3M2M1Us=245350V例例4-14-1解解: :依題意，所求電源電路原理圖如圖所示。 (1) 電路結(jié)構(gòu)假設(shè)開關(guān)器件導(dǎo)通壓降及原邊線路壓降之和為5伏，則 最小值為 V，最大值 V1U240min1U345max1Uu1u2IoUoCLD1D2USM4M3M2M1Us=245350V例例4-14-1解解: :（2）變壓器設(shè)計(jì) 當(dāng)輸入電壓取最小值245伏時(shí)，占空比達(dá)到最大，設(shè)此時(shí)副邊電壓幅值為 ，則： 2U24max2oDFVVDU 為副邊二極管及線路壓降之和，取

36、V，由上式得： VDFV3DFV302U變比 830/240n例例4-14-1解解: :（3）副邊濾波電路設(shè)計(jì) 在副邊電感電流臨界連續(xù)時(shí)，輸出平均電流等于電感電流紋波峰峰值的一半。24)1 (LSSLSoinLTUDDnRDUI4)1 (LSRTDL當(dāng)輸出電壓24伏、電流5安時(shí) 歐。顯然當(dāng)變壓器原邊電壓取最大值時(shí)占空比最小，對(duì)應(yīng)電流連續(xù)要求的電感取最大值。 8 . 4LR例例4-14-1解解: :（3）副邊濾波電路設(shè)計(jì) 62. 0)(max1minUVUnDDFo最小占空比 4)1 (minLSRTDL661012. 9410208 . 438. 0LH取L=10uH例例4-14-1解解: :

37、（3）副邊濾波電路設(shè)計(jì) 當(dāng)變壓器原邊電壓取最大值時(shí)占空比最小，此時(shí)濾波電感中電流紋波最大，輸出電壓紋波也最大。 橋式變換器輸出電壓紋波峰峰值可表示為： LCfnDUDUo2max18)1 ( F610417*oULfnUC=2max1minmin8)1 (DDoU24. 0345max1U62. 0minDL=10H例例4-14-1解解: :（4）主要電力電子器件的選擇 MOSFET耐壓可選為(23)*350=1000V通過MOSFET電流為Io/n=20/8=2.5A可選MOSFET額定直流電流為:5A副邊整流二極管耐壓可選為(23)*350/8=100V額定電流可選為(1.52)*20*0

38、.7/1.57=20A2 2變頻器變頻器變頻器是把工頻電源變換成各種頻率的交流電源以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。u作為電動(dòng)機(jī)的電源裝置，目前在國內(nèi)外使用廣泛u可以節(jié)能、提高產(chǎn)品和勞動(dòng)生產(chǎn)率等u變頻器通常由主電路、控制電路和保護(hù)電路組成整流電 路逆變電 路控制電 路M變頻器基本結(jié)構(gòu)AC中間環(huán)節(jié) DC運(yùn)行指令A(yù)C主電路整流電路逆變電路中間直流環(huán)節(jié)整流電路將交流電變換成直流電；直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波；逆變電路將中間環(huán)節(jié)輸出的直流電轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電。 2 2變頻器變頻器控制電路主控制電路信號(hào)檢測(cè)電路基極驅(qū)動(dòng)電路外部接口電路保護(hù)電路控制電路將檢測(cè)電路得到的各種信號(hào)送到運(yùn)

39、算電路，使運(yùn)算電路能夠根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求為變頻器主電路提供必要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并對(duì)變頻器以及異步電動(dòng)機(jī)提供必要的保護(hù)。 2 2變頻器變頻器1 1） 交交- -直直- -交變頻器的基本原理交變頻器的基本原理 交-直-交變頻器是一種目前被廣泛應(yīng)用在交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中的變頻器。它是先將恒壓恒頻（CVCF:Constant Voltage Constant Frequency）的交流電通過整流器變成直流電，再通過逆變器將直流電變換成可控交流電的間接型變頻電路。 按照不同的控制方式，交-直-交變頻器可分為以下四種形式。 可控 整流 逆變可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器結(jié)構(gòu)框圖(1) 采用可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控

40、制方式。調(diào)壓和調(diào)頻在兩個(gè)環(huán)節(jié)上分別完成，器件結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。工作模式為三相六拍，每周換相六次，其主要缺點(diǎn)是電網(wǎng)端功率因數(shù)較低；輸出的諧波較大。這類控制方式現(xiàn)在采用較少。AC50Hz調(diào)壓調(diào)頻DCACV V V F不可控整流器整流、斬波器調(diào)壓、逆變器結(jié)構(gòu)框圖（2）采用不可控整流器整流、斬波器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式。它有三個(gè)環(huán)節(jié)，整流器由二極管組成，只整流不調(diào)壓；調(diào)壓環(huán)節(jié)由斬波器單獨(dú)進(jìn)行，用脈寬調(diào)壓，該方法克服了功率因數(shù)較低的缺點(diǎn)。但由于輸出逆變環(huán)節(jié)不變，所以仍有較大諧波的缺點(diǎn)。AC50Hz調(diào)壓調(diào)頻DCACVVVF不控整流斬波器逆變DC不控整流器整流、脈寬調(diào)制逆變器結(jié)構(gòu)框圖（3）采用不控整流

41、器整流、PWM逆變器同時(shí)調(diào)壓調(diào)頻的控制方式。該方法較好地解決輸入功率因數(shù)較低和輸出諧波大的問題。PWM逆變器采 用了全控式電力電子開關(guān)器件，因此輸出的諧波大小取決于PWM的開關(guān)頻率以及PWM的控制方式AC50Hz調(diào)壓調(diào)頻DCACVVVF 不控 整流 PWM 逆變器PWM整流器整流、PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻結(jié)構(gòu)框圖（4) 采用PWM可控整流、PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻的控制方式。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的諧波污染可以控制得很低，同時(shí)具有較高的功率因數(shù)。而且通過PWM控制可使系統(tǒng)進(jìn)行再生制動(dòng)，即可以使異步電機(jī)在四象限上運(yùn)行。AC50Hz調(diào)壓調(diào)頻DCACVVVFPWM可控整流PWM逆變器中間環(huán)節(jié)優(yōu)點(diǎn):功率因數(shù)高、能量可

42、雙向流動(dòng)缺點(diǎn)：控制復(fù)雜，使用IGBT多電流型變頻器u當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí)，直流電壓波形比較平直，輸出交流電壓是矩形波或階梯波電壓型逆變器逆 變 器電壓型變頻器 + - UdCd逆變器 + - LdUdId中間直流環(huán)節(jié)u當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時(shí)，直流電流波形比較平直，輸出交流電流是矩形波或階梯波電流型逆變器2）變頻電路中泵升電壓處理圖示為常用交-直-交電壓型PWM變頻電路。整流器只能由電源向直流側(cè)輸送能量。不能再生反饋的電壓型變頻電路AC（負(fù)載）AC（電源）圖中逆變電路的能量是可以雙向流動(dòng)的，在負(fù)載能量反饋到中間直流電路時(shí)，將導(dǎo)致電容電壓升高，稱為泵升電壓。當(dāng)向中間直流環(huán)節(jié)反饋的

43、負(fù)載能量較大時(shí)，如果能量無法反饋回交流電源，泵升電壓會(huì)危及整個(gè)電路的安全。2 2）變頻電路中泵升電壓處理為了限制泵升電壓，可采用帶有泵升電壓限制電路的電壓型變頻電路：泵升電壓限制電路由開關(guān)器件V0 和能耗電阻R0組成，與直流側(cè)電容并聯(lián)。當(dāng)泵升電壓超過一定數(shù)值時(shí)，使V0導(dǎo)通，把從負(fù)載反饋的能量消耗在R0上。這種電路可運(yùn)用于對(duì)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)間有一定要求的調(diào)速系統(tǒng)中。AC負(fù)載AC電源V0R0帶有泵升電壓限制電路的電壓型變頻電路2 2）變頻電路中泵升電壓處理利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反饋的電壓型變頻電路：當(dāng)負(fù)載回饋能量時(shí)，中間直流電壓上升，使不可控整流電路停止工作，可控變流器工作于有源逆變狀態(tài)，將電能反饋回

44、電網(wǎng)。利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反饋的電壓型變頻電路 AC負(fù)載AC電源3 3）變頻器的主要參數(shù)計(jì)算）變頻器的主要參數(shù)計(jì)算對(duì)采用二極管整流、IGBT作為主開關(guān)的交直交型變頻器中二極管、IGBT及中間環(huán)節(jié)濾波電容的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)電機(jī)繞組采用星形聯(lián)接方式、額定負(fù)載時(shí)的相電壓Ue、相電流Ie、功率因數(shù)角為 ，變頻器采用三相輸入，電網(wǎng)相電壓U1，頻率f。j 為簡化計(jì)算，不考慮器件損耗。 直流側(cè)輸出額定功率為Ud * Id Ud 二極管整流環(huán)節(jié)輸出的平均直流電壓 Id直流脈動(dòng)電流平均分量 （1）中間環(huán)節(jié)濾波電容的參數(shù)計(jì)算jcos3ededIUUI根據(jù)功率平衡原則，有:fdTCR)53(通常濾波電容C的選擇

45、應(yīng)滿足：dddIUR 等效負(fù)載電阻Rd為:Tf:電容一次放電時(shí)間，對(duì)三相不可控整流， Tf T/8(2)二極管的參數(shù)計(jì)算 二極管的額定電壓根據(jù)輸入相數(shù)、相電壓確定。對(duì)三相輸入、電網(wǎng)相電壓U1情形，二極管的額定電壓可選為 二極管的額定電流可選為 式中kv為考慮諧波成分影響的系數(shù)。16) 32(UURRM57. 13/)25 . 1 ()(dvAVFIkI 二極管整流環(huán)節(jié)輸出的平均直流電壓為Ud，考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)為a%，關(guān)斷時(shí)等效電感引起的直流環(huán)節(jié)電壓尖峰為U，則直流環(huán)節(jié)最高電壓Udmax=（1+ a%）Ud+U。IGBT的額定電壓可選為 max) 5 . 11 . 1 (dCEMUU 考慮電網(wǎng)電

46、壓波動(dòng)為-a%時(shí)也應(yīng)輸出額定功率，此時(shí)直流脈動(dòng)電流平均分量Idmax為%)1/(maxddIIIGBT的額定直流電流可選為 :max) 25 . 1 (dCII （3）IGBT的參數(shù)計(jì)算4.3 4.3 電流型逆變電路電流型逆變電路4.3.1 單相電流型逆變電路4.3.2 三相電流型逆變電路電流型逆變電路逆變電路直流側(cè)串聯(lián)一個(gè)大電感，因大電感中的電流脈動(dòng)很小，可近似看成直流電流源電流型逆變電路主要特點(diǎn)電流型逆變電路主要特點(diǎn)1) 直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源。2) 交流側(cè)輸出電流為矩形波，與負(fù)載性質(zhì)無關(guān); 而輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。3) 采用負(fù)載換流方式，不必給開關(guān)器件

47、反并聯(lián)二極管。4.3.1 單相單相電流型逆變電路電流型逆變電路在電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。換流換流 電路從一個(gè)支路向另一個(gè)支路的轉(zhuǎn)移，也稱換相換相。它分為器件換流器件換流 、電網(wǎng)換流、電網(wǎng)換流、負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。 4.3.1 4.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路l4橋臂，每橋臂晶閘管各串聯(lián)一個(gè)小電抗器LT，用來限制晶閘管開通時(shí)的di/dt。1 1 基本原理基本原理l使橋臂1、4和橋臂2、3以10002500Hz的中頻輪流導(dǎo)通，就可以在負(fù)載上得到中頻交流電。關(guān)鍵：理解晶閘管如何關(guān)斷單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）

48、逆變電路 i1C+ uo -VT1ioVT2IdVT3VT4i3LT 4.3.1 4.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路l 采用負(fù)載換相方式，要求負(fù)載電流略超前于負(fù)載電壓容性負(fù)載。lR和L串聯(lián)為感應(yīng)線圈的等效電路，負(fù)載功率因數(shù)很低，同時(shí)考慮到負(fù)載換相需要，故并聯(lián)補(bǔ)償電容器C。lC 、 L和R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振式逆變電路。 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路 i1C+ uo -VT1ioVT2IdVT3VT4i3LT 4.3.1 4.3.1 單相電流型逆變電路單相電流型逆變電路l交流輸出電流波形接近矩形波。l控制逆變基波頻率接近負(fù)載電路諧振頻率，使負(fù)載電壓波形接近

49、正弦波。單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路 i1C+ uo -VT1ioVT2IdVT3VT4i3LTl 設(shè)開通VT2、VT3前， VT1和VT4已穩(wěn)定導(dǎo)通一段時(shí)間，io=Id ，在電容C上建立了左正右負(fù)的電壓電路工作原理電路工作原理i1C+ uo -VT1ioVT2IdVT3VT4i3LTVT1、VT4導(dǎo)通等效電路LTVT2、VT3承受正電壓，可觸發(fā)導(dǎo)通l 設(shè)t2時(shí)刻觸發(fā)VT2和VT3電路工作原理電路工作原理換流階段：VT1、VT4 VT2、VT3uVT1UG2、3uoUG1、4tiott2i1i3t3換流 t3t2換流時(shí)間換流時(shí)間 t3 -t2 =tl t3時(shí)刻后VT1和VT4關(guān)斷電路工

50、作原理電路工作原理t3UG2、3t2UG1、4tuVT1i1i3iouotVT2、VT3導(dǎo)通階段t4l t4時(shí)刻觸發(fā)VT1和VT4電路工作原理電路工作原理換流階段：VT2、VT3 VT1、VT4t5換相 t5t4t3UG2、3t2UG1、4tuVT1i1i3iouotUG1、4t4l t5時(shí)刻后VT2和VT3關(guān)斷電路工作原理電路工作原理VT1、VT4導(dǎo)通等效電路t5換相 t5t4t3UG2、3t2UG1、4tuVT1i1i3iouotUG1、4t4電路工作原理電路工作原理t5換相 t5t4t3UG2、3t2UG1、4tuVT1i1i3iouotUG1、4t4換相時(shí)間：tg= t5- t4 =

51、t3- t2tg晶閘管在電流減小到零后，仍需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力。為保證可靠換流，應(yīng)在電容電壓過零前td時(shí)間觸發(fā)晶閘管。 td= tg+ tbtb應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tqtd為觸發(fā)引前時(shí)間td電路工作原理電路工作原理換相時(shí)間：tg= t5- t4 = t3- t2td= tg+ tbtb應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tqtd:觸發(fā)引前時(shí)間t5換相 t5t4t3UG2、3t2UG1、4tuVT1i1i3iouotUG1、4t4tgtdtbtj= tg/2+ tbtj : 負(fù)載阻抗角j對(duì)應(yīng)時(shí)間tj通過控制觸發(fā)脈沖時(shí)刻可有限度地控制逆變頻率解決自勵(lì)方式起動(dòng)問題方法先用他勵(lì)方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入

52、自勵(lì)方式附加預(yù)充電起動(dòng)電路自勵(lì)方式自勵(lì)方式實(shí)際工作過程中，為保證電路正常工作，必須使工作頻率適應(yīng)負(fù)載的變化而自動(dòng)調(diào)整的控制方式他勵(lì)方式他勵(lì)方式固定工作頻率的控制方式電流型逆變電路應(yīng)用問題：負(fù)載變化2 2定量計(jì)算定量計(jì)算以某中頻電源為例討論逆變電路主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)要求最大直流電流IdM，輸入側(cè)直流電壓Ud 。(1) 換向重疊時(shí)間t的計(jì)算 近似認(rèn)為換向期間電流線性變化，則 若管子允許電流上升率id=di/dt, 則 由于換流時(shí)間相對(duì)中頻周期而言，換流時(shí)間很短，可近似認(rèn)為負(fù)載電流為矩形波。，tIdtdidTtiItTdd/dgdgiItdM由換向重疊時(shí)間可導(dǎo)出限流電感值2 2定量計(jì)算定量計(jì)算

53、(2) 觸發(fā)引前時(shí)間t的計(jì)算 取快速晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq，為安全換相取t=1.5tq, 則 t=t+t。 (3)中頻電流、電壓和輸出功率的計(jì)算 忽略換換向重疊時(shí)間t，i0可近似成矩形波，展開成傅里葉級(jí)數(shù)上式中基波電流有效值為 .5sin513sin31sin4tttIidodd1o9 . 024III2 2定量計(jì)算定量計(jì)算 ( (設(shè)逆變頻率設(shè)逆變頻率諧振頻率諧振頻率) ) 忽略逆變電路的功率損耗，則逆變電路輸入的有功功率即直流功率）等于輸出的基波功率（高次諧波不產(chǎn)生有功功率），即 Pe=UdId=UaI01cos , 將上式代入可得:中頻輸出功率為 式中R1對(duì)應(yīng)于某一阻抗角 時(shí)，負(fù)載阻抗電阻分

54、量 Ua 負(fù)載電壓基波分量jcos22daddIUIUjjjcos11.1cos22ddaUUU12RUPaaj2定量計(jì)算由上式可見，調(diào)節(jié)直流電壓Ud或改變逆變頻率(導(dǎo)致阻抗角改變)，都能改變中頻輸出功率大小。12223. 1cosRUpdaj (4)逆變晶閘管的選擇 考慮負(fù)載電壓近似正弦波，可選逆變晶閘管額定電壓為 URM = (23) 。 額定電流IT(AV)=(1.52) .由于逆變橋中電流為矩形波，所以，IT=0.707IdM。aU257. 1TI4.3 4.3 電流型逆變電路電流型逆變電路4.3.1 單相電流型逆變電路4.3.2 三相電流型逆變電路4.3.2 4.3.2 三相電流型逆

55、變電路三相電流型逆變電路l串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路主要用于中大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)M3UVW+- -LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 1串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路的工作原理l電流型三相橋式逆變電路，各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用，各橋臂之間換流采用強(qiáng)迫換流方式，電容C1C6為換流電容4.3.2 三相電流型逆變電路串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 1串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路的工作原理M3UVW+- -LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT

56、5VT6l若不考慮二極管的換流過程, 逆變器向負(fù)載輸出120的矩形波電流。因逆變器在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)生六次換流，所以也稱為六階梯波逆變器。l電路為120導(dǎo)電工作方式，每個(gè)臂一周期內(nèi)導(dǎo)電120，按VT1VT6的順序每隔60依次導(dǎo)通。每時(shí)刻上下橋臂組各有一個(gè)臂導(dǎo)通，在上下橋臂組內(nèi)依次換流，為橫向換流tOtOtOtOIdiViWuUViU電流型三相橋式逆變電路輸出波形 l輸出電流波形和負(fù)載性質(zhì)無關(guān)，是正負(fù)脈沖各120的矩形波l輸出線電壓波形和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，大體為正弦波，但疊加了一些脈沖,這是由于逆變器中的換流過程而產(chǎn)生的串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 l對(duì)共陽極晶閘管，電容器與導(dǎo)通晶閘管相連一端極性為正，另

57、一端為負(fù)，不與導(dǎo)通晶閘管相連的另一電容器電壓為零M3UVW+- -LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6電流型三相橋式逆變電路換流過程分析 l共陰極晶閘管與共陽極晶閘管情況類似，只是電容器電壓極性相反l在分析換流過程中，常用等效換流電容概念等效換流電容概念+ - -U VWa)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT3換流過程各階段的電流路徑l 假設(shè)換流前VT1和VT2導(dǎo)通，C13電壓UC0左正右負(fù) 恒流放電 換流過程可分為 兩個(gè)階段 二極管換流iu/ivtuC13tt1換流過程波形lt1時(shí)刻給VT3觸發(fā)脈沖導(dǎo)

58、通，而VT1被施以反向電壓而關(guān)斷+ - -U VWb)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id+ - -U VWa)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT3換流過程各階段的電流路徑l Id從VT1換到VT3，C13通過VD1、U相負(fù)載、W相負(fù)載、VD2、VT2、直流電源和VT3放電，放電電流恒為Id，故稱恒流放電階段iu/ivtuC13tt1t2換流過程波形l C13電壓uC13下降到零之前，VT1一直承受反壓，只要反壓時(shí)間大于晶閘管關(guān)斷時(shí)間tq就能保證可靠關(guān)斷+ - -U VWb)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id- - +UVWc)VT1VT2VT3VD

59、1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV+ - -U VWa)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT3換流過程各階段的電流路徑t2時(shí)刻uC13降到零，之后在U相負(fù)載電感的作用下，開始對(duì)C13反向充電。忽略負(fù)載電阻壓降，則在t2時(shí)刻uC13=0后，二極管VD3正向偏置導(dǎo)通，開始流過電流iV，VD1流過充電電流iU=Id-iV，VD1和VD3同時(shí)通，進(jìn)入二極管換流階段，直到t3時(shí)刻iu/ivtuC13tt1t2t3換流過程波形+ - -U VWb)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id- - +UVWc)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViVi

60、U=Id- -iV- - +U VWd)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id+ - -U VWa)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT3換流過程各階段的電流路徑l 隨著C13充電電壓不斷增高，充電電流逐漸減小，iV逐漸增大，到t3時(shí)刻iU減到零，iV=Id，VD1承受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段結(jié)束l t3以后，進(jìn)入VT2、VT3穩(wěn)定導(dǎo)通階段iu/ivtuC13tt1t2t3換流過程波形2 2逆變電路中各元件參數(shù)計(jì)算逆變電路中各元件參數(shù)計(jì)算 逆變電路中各元件參數(shù)可按如下計(jì)算選擇：（1）晶閘管 考慮安全系數(shù)1.52倍，晶閘管的額定電流為： IT(AV)=(1.52)