電力電子課件第七章36-41

1、第第 三十六講三十六講主講教師：王念春主講教師：王念春東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育第七章 無源逆變器 在第二章中所論述的整流是將交流電經(jīng)晶閘管變換成直流；第三章中的有源逆變，是將直流電經(jīng)逆變向交流電源供電。本章所講的無源逆變是將直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需要的不同頻率和電壓值的交流電。 它們在交流電機(jī)調(diào)速、感應(yīng)加速、不停電電源等方面應(yīng)用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容。若逆變器的直流電源由蓄電池、直流發(fā)電機(jī)等直流電源供電，被稱為直流交流逆變器，又稱直交逆變器。一般較大功率的無源逆變器，直流電是由交流電整流得到的，因此，這種系統(tǒng)的電源構(gòu)成是交流直流不同頻率和電壓的交流，故稱它為交直交變頻器。 最基本的

2、無源逆變器是單相逆變器，它可以很好的說明逆變器的工作原理，其電路如圖71（a）。輸入直流電壓E，逆變器負(fù)載是電阻。當(dāng)以頻率f交替切換開關(guān)K1、4和K2、3時(shí)，則在電阻上得到圖71（b）的第一節(jié) 逆變器的工作原理 電壓波形。圖中T1/f，所以負(fù)載電壓就是頻率為f的交變電壓，它含有各次諧波，如欲得到正弦電壓或電流，可以通過濾波器濾波。R0u1K2K3K4KE)(b)(aE00uTt圖 7 1 單 相 橋 式 逆 變 器 管 工 作 原 理 圖71（a）電路中的開關(guān)K14實(shí)際是各種半導(dǎo)體器件的一種理想模型。逆變器電路中現(xiàn)在常用的開關(guān)器件有功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)管（POWER MOSFET）

3、、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、普通型和快速型晶閘管（SCR）；近年來新的器件絕緣柵晶體管（IGBT）也逐漸在應(yīng)用。它們和開關(guān)二極管反并聯(lián)構(gòu)成了各種逆導(dǎo)型開關(guān)管。GTR、GTO、 POWER MOSFET等在控制信號控制控制下導(dǎo)通，當(dāng)控制極信號撤出后（GTO為加反向電壓），就自行關(guān)斷，所有它們是自關(guān)斷元件。由它們構(gòu)成圖71（a）的開關(guān)，就可以用控制信號方便地控制導(dǎo)通與關(guān)斷切換。晶閘管在控制極的觸發(fā)信號作用下，一經(jīng)導(dǎo)通，若使其關(guān)斷，必須使陽極電流過零才行，因而需要有換流電路，使晶閘管強(qiáng)迫關(guān)斷，這點(diǎn)要比自關(guān)斷器件麻煩。容量較大的半導(dǎo)體開關(guān)器件主要是晶閘管，所以目前已在應(yīng)用的較大容量的逆變器多是晶閘管逆變

4、器。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，GTR、MOSFET、GTO等單只容量增大，價(jià)格也逐漸便宜，先GTO的單只容量已接近普通晶閘管，所以從80年代中期開始，逆變器中 的開關(guān)元件采用可關(guān)斷器件已占有相當(dāng)比重。 逆變器類型可由直流電源近似是電壓源或電流源分為電壓型和電流型。可根據(jù)輸出相數(shù)分單相和三相逆變器。又可根據(jù)開關(guān)元件類型分晶體管逆變器、可關(guān)斷晶閘管逆變器和晶閘管逆變器等。對晶閘管逆變器又可根據(jù)換流型式不同分為脈沖換流、諧振換流等多種形式。下面將介紹主要類型逆變器，分析其各種原理和電路參數(shù)的確定。 第二節(jié) 功率晶體管單相逆變器 功率晶體管基級對集電極電流的控制作用與一般晶體管一樣。當(dāng)逆變輸出頻率不很

5、高時(shí)，功率晶體管可采用內(nèi)部結(jié)構(gòu)為達(dá)林頓連接的復(fù)合管，這樣可有大的電流放大倍數(shù)；內(nèi)部結(jié)構(gòu)的等效電路如圖72（a）所示。圖72（b）為逆導(dǎo)型晶體管結(jié)構(gòu)，它相當(dāng)于晶體管再反并聯(lián)一只二極管。在此講述逆變器工作原理時(shí)，將它看作是受基極信號控制的理想開關(guān)即可。)(b)(aBCE1Q2Q1R2RBCE1Q2Q1R2RD圖 7 2 功 率 晶 體 管 內(nèi) 部 等 效 電 路 一、電壓型逆變器工作原理 由于多數(shù)負(fù)載是電感性的，下面著重分析帶有電感性負(fù)載的晶體管單相橋式逆變器的工作原理。圖73（a）是直流電源供電的直交逆變器，圖73（b）是交流供電的交直交逆變器，圖中電容C是濾波電容，其容量較大，對逆變器來說可以

6、把整流濾波后的 輸出當(dāng)做電壓源。這種由電壓源供電的逆變器，就稱為電壓型逆變器。圖73（b）是一種教常用的電路，可以通過調(diào)整整流橋晶閘管控制角實(shí)現(xiàn)對整流電壓的控制，該電路就是變壓變頻系統(tǒng)（VVVF系統(tǒng)）。比較圖73（a）和圖73（b）可見，帶電感性負(fù)載時(shí)，每個(gè)逆變橋臂的晶體管都反并聯(lián)一只二極管，這些二極管是在Q1、4和Q2、3相互切換時(shí)，為負(fù)載電感提供能量釋放通路的，電感儲能提供Q2、3或Q1、4回饋給直流電源，所以稱D14為能量回饋二極管。E1Q2Q3Q4Q1D2D3D4DRLabui)(a1Q2Q3Q4Q1D2D3D4DRLabuiC1T2T3T4T5T6T3)(b圖 7 3 具 有 電 感

7、 性 負(fù) 載 的 晶 體 管 單 相 橋 式 逆 變 器設(shè)Q1、4、和Q2、3以頻率f進(jìn)行切換，基極控制信號如圖74（a）。但由于負(fù)載電感的這樣，負(fù)載電流并聯(lián)突變，在Q1、4關(guān)斷到Q2、3導(dǎo)通（或Q2、3關(guān)斷到Q1、4導(dǎo)通）的中間有一段時(shí)間，二極管D2、3（或D1、4）在自感電勢作用下導(dǎo)通，使電感儲能向電源回送。因此在一個(gè)工作周期中，開關(guān)元件的開通順序是Q1、4， D2、3， Q2、3， D1、4四種，構(gòu)成如圖75四種工作模式，圖中標(biāo)出了電流的實(shí)際方向，可由幫助理解各種模式的各種情況。在Q1、4或 D1、4導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓uab=E, D2、3 或Q2、3導(dǎo)通時(shí)，uab=E，所以負(fù)載電壓是方波

8、，必須如圖74（b）。下面按這四個(gè)階段分析。tttttii3,2bu4, 1bu)(a)(b1t2t3t4t4, 1D導(dǎo)通4, 1Q導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通3,2D3,2Q導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通4, 1D4, 1Q3,2D3,2Q圖 74 晶體管電壓型單相橋式逆變器波形圖)(c)(d 第一階段 在t=t1時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)負(fù)載電流為0。負(fù)載電流按指數(shù)規(guī)律上升，方向由a端到b端（設(shè)為正方向）。此階段電路圖如圖7-5（a）。E)(aiRL1Q4Q 第二階段 在t=t2時(shí)，Q1、4基極信號撤除，Q1、4關(guān)斷；Q2、3給基極信號，此時(shí)i在負(fù)載電感作用下將不能突變， ，使D2、3導(dǎo)通，負(fù)載電流繼續(xù)按正方向流通，將電感儲能向電源

9、回饋。而Q2、3承受D2、3導(dǎo)通壓降的反偏電壓，故雖有基極驅(qū)動(dòng)信號卻不能導(dǎo)通。由于D2、3導(dǎo)通，所以負(fù)載端電壓uab=E。電路圖如圖75(b)。此階段直到t=t3時(shí)EdtdiL i(t3)=0為止。這時(shí)D2、3關(guān)斷，Q2、3導(dǎo)通。電流曲線如圖74（c）的t2t3段。iRL)(bE3D2D 第三階段 電路圖如圖75(c)。負(fù)載電壓uab=E。該段電流變化規(guī)律與第一階段相同，但時(shí)間延后T/2，電流的方向相反。iRLE2Q3Q)(c 第四階段 在t=t4時(shí)，基極信號為0，Q2、3關(guān)斷，D1、4在負(fù)載電感電勢作用下導(dǎo)通，Q1、4不能導(dǎo)通。電路圖如圖7-5(d)。uab=E,電流變化規(guī)律與第二階段相同，

10、但時(shí)間延后T/2，電流方向相反。 如果負(fù)載是純電感，則電流波形如圖74（d），為三角波。EiRL1D4D)(d圖75 晶體管電壓型單相橋式逆變器工作狀態(tài)電路圖 由以上四個(gè)階段可見，負(fù)載電壓是方波，與Q1、4和 Q2、3基極信號變化一致。電流為由兩段RL過渡過程指數(shù)曲線過程的正負(fù)半波對稱的交流。電流過零比電壓過零滯后時(shí)間，它們與負(fù)載R、L值大小及逆變器頻率有關(guān)。 圖73（a）中的功率晶體管如用功率場效應(yīng)管代換，就構(gòu)成場效應(yīng)管逆變器。由于大功率晶體管共射電流放大倍數(shù)較低，一般為十幾到幾十，所以需要基極驅(qū)動(dòng)電流較大。而場效應(yīng)管為電壓控制器件，所以基極驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡單，且開關(guān)頻率高。如圖73（a）

11、中的晶體管用可關(guān)斷晶閘管代替，據(jù)過程GTO逆變器，它們的各種原理和方向方法都是相同的。 二、輸出電壓和電流 由圖74的波形可見，輸出電壓和電流是一個(gè)非正弦的周期函數(shù)，它們可由展開成富氏級數(shù)，用頻譜分析的方法繼續(xù)分析。由于uab是方波，所以輸出電壓有效值EdtETUT2/12/0202輸出電壓的富氏級數(shù)為 (7-8)基波分量n1 基波有效值.)sin51sin31(sin4)(0tttEtutEusin401EEu9 . 02401與輸出電壓的各次諧波相對應(yīng)，電流也含各次諧波，如負(fù)載R和L是線性的，其n次諧波電流的大小和相位可由下式求出RLntgZULnRUInnnnn10220)( 所以 （7

12、9） 式中 輸出電壓n次諧波有 效值； 、 n次諧波對應(yīng)的 阻抗值和相位角。)sin(2)sin()(2)(0220nnnnnntnZUtnLnRUtinU0nZn基波電流為電流的富氏級數(shù)展開式為 （710） )sin()(2122011RLtgtLRUi.5 , 3 , 1)sin(4)(nnntnZnEti輸出電流有效值 （711）式中 I1、I3、I5為基波、 三次、五次諧波電流有效 值。 一般七次諧波以上分量都很小了，故高次諧波可由略去。.252321IIII第第 三十七講三十七講主講教師：王念春主講教師：王念春東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育 三、功率晶體管和二極管的電 壓電流值 在外加輸入電壓及負(fù)

13、載阻抗值已定的情況和負(fù)載為純電阻時(shí)，晶體管導(dǎo)通整半個(gè)周期，所以電流很大，此時(shí)電流平均值為REITav.21電流有效值為 負(fù)載為純電感時(shí)，二極管導(dǎo)通時(shí)間最長為T/4，流過的電流最大，這時(shí)負(fù)載電流為三角波，電流平均值為REIT24/0321TDavLETtdtLETI電流的有效值為 晶體管和二極管承受的反壓均為E?？梢愿鶕?jù)上面的計(jì)算方法選擇晶體管和二極管。 4/02/12243)(1TDLETdttTETI 例 圖73（a）中E110V，逆變器頻率f100Hz，負(fù)載R10，L0.02H。求 （1）輸出電壓基波分量U01。（2）輸出電流基波分量I1。（3）輸出電流有效值。（4）輸出功率P0。 解 （

14、1） （2）基波阻抗（3）VEU99211042401221)( LRZ59.18)02. 01002(10221ZAZUI33. 559.18/99/101139)02.010023(10)3(22223LRZ6 .63)02. 010025(10)5(22225LRZ56.88)02. 010027(10)7(22227LRZAZUI85. 0392311043033AZUI31. 06 .632511045055AZUI16. 056.882711047077AIIIII41. 527252321（4） 從電流基波分量有效值與電流有效值相比較可見，在電感較大時(shí)，二者相近，所以可以用基波分

15、量近似代替輸出電流。這樣電流滯后電壓的相角近似是負(fù)載的功率因數(shù)角。WRIP6 .2921041. 5220tttttii3,2bu4, 1bu)(a)(b1t2t3t4t4, 1D導(dǎo)通4, 1Q導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通3,2D3,2Q導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通4, 1D4, 1Q3,2D3,2Q圖 74 晶體管電壓型單相橋式逆變器波形圖)(c)(d 第三節(jié) 可關(guān)斷晶閘管及其組成 的單相逆變器 一、可關(guān)斷晶閘管 可關(guān)斷晶閘管又稱門極可關(guān)斷晶閘管，簡寫作GTO(Gate-Turn-Off Thyristor)。GTO構(gòu)造及其工作原理與晶閘管相似，也是PNPN四層三端元件。結(jié)構(gòu)示意圖和符號如圖76（a）（b）所示。 1.

16、導(dǎo)通原理 與晶閘管一樣，等效的雙晶體管P1N1P2的共基極電流放大倍數(shù)為 ，N1P2N2的共基極電流放大倍數(shù) AKGPNPNAKG)(a)(b圖 7 6 GTO 構(gòu) 造 示 意 圖 和 符 號1為 。在UAK為正向電壓和有一定的正向觸發(fā)電流Ig作用時(shí)，使兩晶體管導(dǎo)通，當(dāng) 時(shí)，在雙晶體管內(nèi)形成電流正反饋，Ic1逐漸增大到Ic1Ig時(shí)，就可由Ic1替代Ig，雙晶體管進(jìn)入飽和工作區(qū)，GTO就開通。當(dāng)陽極電流IA大于掣住電流時(shí)，觸發(fā)信號撤除后，GTO就保持導(dǎo)通狀態(tài)，這與晶閘管的22121導(dǎo)通原理一樣。它們之間所不同的是雙晶體管工作時(shí)的飽和程度不同。晶閘管 ，因之當(dāng)晶閘管導(dǎo)通后，雙晶體管進(jìn)入深度飽和，I

17、c1較大，所以要想在晶閘管控制極加負(fù)信號使它關(guān)斷就十分困難；而GTO在制造時(shí)，使它導(dǎo)通的 ，雙晶閘管工作于臨界飽和狀態(tài)，故門15. 12105. 121 極加負(fù)電流時(shí)，就可以使它關(guān)斷。 2.關(guān)斷原理 當(dāng)GTO在導(dǎo)通時(shí)，在門極加關(guān)斷信號負(fù)Ig，IA迅速下降。當(dāng)降到小于1時(shí)，正反饋過程結(jié)束，GTO內(nèi)部不再滿足自己維持導(dǎo)通的條件，陽極電流就逐漸下降到零而關(guān)斷。 二、GTO門極驅(qū)動(dòng)電路 從GTO的導(dǎo)通和關(guān)斷過程可見，GTO的門極驅(qū)動(dòng)電路，應(yīng)能給出正向觸發(fā)脈沖和反向關(guān)斷脈沖，兩個(gè)脈沖發(fā)出的時(shí)間分別可控。正向脈沖要有一定寬度，幅值大于IG,導(dǎo)通后還應(yīng)該保持一定的電流，以減小GTO導(dǎo)通管壓降。反向關(guān)斷電流脈

18、沖前沿應(yīng)有一定陡度，以降低GTO關(guān)斷時(shí)間，通 常反向關(guān)斷電流幅值約為1/5IA，脈沖寬度tOF。 常用的門極驅(qū)動(dòng)電路有以下幾種：電感電容門極驅(qū)動(dòng)電路、用輔助晶閘管控制的驅(qū)動(dòng)電路、晶體管開關(guān)控制的驅(qū)動(dòng)電路以及由高壓電源關(guān)斷的GTO門極驅(qū)動(dòng)電路。 GTO的主要特點(diǎn)：一、額定電流的定義二、電流關(guān)斷增益第第 三十八三十八 講講主講教師：王念春主講教師：王念春東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育 三、GTO并聯(lián)逆變器.ababoLE0i負(fù)載0u1R3D1GTO2GTO2D2R4D1D1C2C)(a第第 三十九三十九 講講主講教師：王念春主講教師：王念春東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育.ababoLE0i負(fù)載0u1R3D1GTO2GTO2D

19、2R4D1D1C2C)(a圖 7 1 6 G T O 單 相 并 聯(lián) 逆 變 器 及 其 波 形tttt00000u0i)( b 圖716（a）是GTO單相并聯(lián)逆變器電路，E為輸入直流電源，用帶中心抽頭的變壓器向輔助傳送能量。D1、D2是負(fù)載電感L0（包含變壓器漏感）的能量回饋二極管。當(dāng)GTO1導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓u0=E/n，n為變壓器變比。負(fù)載電流按的指數(shù)曲線上升。當(dāng)GTO1關(guān)斷并觸發(fā)GTO2時(shí)，由于負(fù)載電感作用，使為uba正，變壓器原邊電壓uba為正且大于E，故使D2導(dǎo)通，而GTO2不導(dǎo)通。D2導(dǎo)通使uab=-E，將負(fù)載電壓限制在E/n。D2將負(fù)載電感儲能回饋給電源E。待到回饋電流為0時(shí)D2

20、關(guān)斷，GTO2自己導(dǎo)通。負(fù)載電壓和電流波形如圖716（b）所示。這個(gè)電流工作原理分析與本章第二節(jié)晶體管單相橋式逆變器一致。GTO工作時(shí)，同樣要對di/dt和重加正向du/dt的限制，設(shè)置保護(hù)電路。與晶閘管保護(hù)相似，常用圖717與GTO串聯(lián)電感L限制導(dǎo)通時(shí)的di/dt；用C、D、R與GTO并聯(lián)，作GTO關(guān)斷時(shí)的緩沖器，限制du/dt。緩沖器的二極管D應(yīng)用快速二極管，緩沖器與GTO的引線要短，以減小導(dǎo)線分布電感，增加緩沖效果。當(dāng)GTO外加直流電壓為E和導(dǎo)通切換電流值為IA時(shí)，L和C可近似按下式取 (7-13) (7-14)但L、C都并聯(lián)太大，GTO關(guān)斷時(shí)，L儲能釋放給C，所以C的充電電壓將是 ，L

21、大則C充電 電壓dtduICdtdiELA/CLIEA過高，GTO和C的電壓定額過高。在GTO導(dǎo)通時(shí)，C的儲能經(jīng)R和GTO釋放而消耗掉，L、C大緩沖器損耗大，GTO開通時(shí)C放電沖擊電流也大。所以L、C要選取合適。 用GTO構(gòu)成的橋式逆變器，其電路只需將圖71（a）的開關(guān)用GTO代替即可。逆變器電路的工作情況與晶體管單相橋式逆變器完全一樣。 第四節(jié) 晶閘管的換流和 斬波器 晶閘管逆變器在大功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用技術(shù)中是較為成熟的。 晶閘管工作在直流電路中，換流是關(guān)鍵問題。在研究晶閘管逆變器之前，本節(jié)對這一問題先闡述一些基本概念，并結(jié)合講解斬波器。 一、晶閘管的換流 晶閘管逆變器由逆變電路（即將圖71

22、（a）的開關(guān)用晶閘管代替）和換流電路構(gòu)成。按需要的時(shí)刻把代替的晶閘管關(guān)斷，使電流換到另一個(gè)規(guī)定的晶閘管稱為換流。換流電路對晶閘管是必須設(shè)置的，因?yàn)樵谥绷麟娫垂╇姇r(shí)，晶閘管一經(jīng)導(dǎo)通，通過單方向電流，要使其關(guān)斷必須采取一定設(shè)施才行。換流方式總的來說有自然換流和強(qiáng)迫換流兩種。 1.自然換流 在電路正常工時(shí)，晶閘管電流過零（實(shí)際是小于維持電流），自然關(guān)斷。如整流電路電流過零使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，諧振式逆變器諧振電流過零時(shí)晶閘管自然關(guān)斷等。 2.強(qiáng)迫換流 在晶閘管通過直流導(dǎo)通時(shí)，由換流電路提供反向電壓，使晶閘管電流強(qiáng)迫降到零而關(guān)斷。為保證晶閘管可靠關(guān)斷，所加反向電壓時(shí)間應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tOF。 強(qiáng)

23、迫換流電路一般由電容電感和輔助開關(guān)元件構(gòu)成。換流方式和電路結(jié)結(jié)構(gòu)種類很多，下面 介紹一種脈沖換流方式，以對換流電路工作有個(gè)了解，然后結(jié)合逆變器具體電路介紹諧振式換流和互補(bǔ)式換流。 二、斬波器 圖718（a）為給電阻R供電的斬波器電路，控制晶閘管通斷時(shí)間，就可得到斷續(xù)的輸出電第第 四十四十 講講主講教師：王念春主講教師：王念春東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育1R1TTRiCE)(atttttt1t2t3tTo nt0000001gucuTuRu1Tu)( b圖 7 1 8 斬 波 器 電 路 及 其 輸 出 波 形電壓，電阻R的兩端電壓波形如圖718（b）所示。所以這種斬波器又叫做直流斷續(xù)器，當(dāng)改變晶閘管占空比

24、DtON/T時(shí)，負(fù)載的平均電壓就得到調(diào)節(jié)，如輸出加濾波器，濾去交流分量，在輸出端就得到與占空比D成正比的直流電壓，即 （715）DEUR所以這種斬波器又稱直流直流電壓變換器，或直流電壓調(diào)節(jié)器。 圖718（a）電路的工作原理可以分兩段時(shí)間來講述 （1）t=t1時(shí)觸發(fā)晶閘管T，負(fù)載電阻R有電流i通過，。同時(shí)換流元件電容C經(jīng)R1、T充電，C充電結(jié)束時(shí)， uc=E，極性如圖中所示，為關(guān)斷主晶閘管T作好準(zhǔn)備。這段時(shí) 間是T導(dǎo)電時(shí)間tON，也是負(fù)載兩端有電壓的時(shí)間。 （2）在t=t2時(shí)，要關(guān)斷T，需要觸發(fā)T1，T1導(dǎo)通，使T承受反壓而截止。或者說，C經(jīng)T1向T放電，放電電流與T導(dǎo)通電流相反，使T電流降到0

25、而關(guān)斷。T關(guān)斷后C經(jīng)R、T1被反向充電，直到電容電壓uc=-E時(shí)為止，為T導(dǎo)通時(shí)關(guān) 斷T1作好準(zhǔn)備。以后在t=t3時(shí)重復(fù)上述過程。晶閘管的觸發(fā)信號、電容電壓和負(fù)載電壓波形示于圖718（b）。 由上可見，由C、R1、T1構(gòu)成強(qiáng)迫換流電路，換向元件是電容C，為使T可靠關(guān)斷，在T1導(dǎo)通時(shí)，uc加于T反壓時(shí)間應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tOF。因此C的容量可 按下述方法取值，設(shè)T導(dǎo)通時(shí)最大電流為Im，則關(guān)斷T要求C提供的最大電荷量為ImtOF。而電容C充電到E，所存儲電荷量為q=CE，為使T可靠關(guān)斷，應(yīng)有 則EtICtICEOFmOFm 一般取 （716）式中tOF為微秒。 C取值大些雖可使T可靠關(guān)斷，但C

26、大充放電損耗大，同時(shí)R1在T1導(dǎo)通時(shí)，一直消耗過功率，因此R1值不能小，但R1的上限值受負(fù)載電壓的最小寬度（即T導(dǎo)通的最短uFEtICOFm7.0 時(shí)間）tONmin限制，它可認(rèn)為是C從E經(jīng)充電到E的時(shí)間。一般取由式（716）及IM=E/R得 （717） CRtON1min3 . 2OFONtRtR3 . 3min1或R1已定，則 為了不使換流電路損耗過大，所以該電路只適合于輸出電壓教寬的電路，以及小功率的控制電路。斬波器在電力機(jī)車、城市電車等直流拖動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)有較多，其換流方式也有多種。 從上可見換流電力的作用是 RtRtOFON/3 . 31min產(chǎn)生一個(gè)關(guān)斷導(dǎo)通晶閘管的反壓脈沖，因此叫脈沖

27、換流。圖718（a）的換流脈沖是電容C儲能提供的，所以又叫做電容換流。 很顯然用可關(guān)斷晶閘管作斬波器的開關(guān)元件，就可以省去用晶閘管所需的換流電力。故現(xiàn)在的斬波器對中小功率的，可以用功率晶體管，對功率較大如幾十千瓦以上，則也可用GTO作開關(guān)元件。 第五節(jié) 晶閘管并聯(lián)諧振式 逆變器 工業(yè)生產(chǎn)中，常用感應(yīng)加熱進(jìn)行工件的淬火和金屬的熔煉，它們的電源頻率通常在400800Hz，主要由單相橋式并聯(lián)諧振逆變器提供。電路如圖719 所示。負(fù)載R、L為感應(yīng)加熱的等效電阻和電感，它的功率因數(shù)（在供電頻率的情況下）一般為0.050.3，所以需要電容C來補(bǔ)償L的無功，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，同時(shí)電容C也是晶閘管換流用的

28、儲能電容。電容與R、L并聯(lián)，它們的諧振頻率略低于晶閘管的切換頻率，即R、L、C工 作于容性小失諧狀態(tài)，因此稱此逆變器為并聯(lián)諧振式逆變器。如將換流電容（也是補(bǔ)償電容）與負(fù)載R、L串聯(lián)，形成串聯(lián)諧振，就稱為單相橋式串聯(lián)諧振逆變器。并聯(lián)（或串聯(lián)）諧振逆變器都是利用負(fù)載呈容性，在負(fù)載電流（或電壓）過零時(shí)晶閘管換流。由于負(fù)載參與了晶閘管換流，故它們都屬于負(fù)載換流一類。在感應(yīng)加熱設(shè)備中80采用并聯(lián)諧振逆變器。由于逆變器的工作頻率高，所以所用的晶閘管為快速晶閘管。 下面分析其工作原理。 1.晶閘管導(dǎo)通狀態(tài) 晶閘管單相橋式逆變器中，圖 7 19 單 相 橋 式 并 聯(lián) 諧 振 逆 變 器dL2T1T3T4T1

29、L2L3L4LaiCRLdUabU 晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)與前述的晶體管和GTO前述逆變器一樣，T1、4導(dǎo)通，T2、3關(guān)斷，當(dāng)觸發(fā)T2、3導(dǎo)通后，關(guān)斷T1、4。重復(fù)循環(huán)，每對管子各導(dǎo)通半個(gè)周期。 由于RL和C是并聯(lián)諧振，即電流諧振，所以供電給并聯(lián)諧振的電源應(yīng)是交變的，以便在負(fù)載兩端得到諧振頻率的基波電壓。因此，這個(gè)電路的構(gòu)成是先將交流電經(jīng)晶閘管整流變成電壓可調(diào)的直流，直流電壓值為Ud，經(jīng)濾波電感Ld將交流成分濾去，Ld電感量很大，所以認(rèn)為通過它的電流是近似不變的恒流源。分別與T14串聯(lián)的電感L14是限制晶閘管di/dt的限流電感。L1=L2=L3=L4=L,它們間沒有互感，且電感量很小，所以 它們雖

30、有作用，但換流時(shí)間在一個(gè)周期所占的時(shí)間是很短的，故分析導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為T1、4和T2、3是瞬時(shí)完成的。所以在T1、4和T2、3交替導(dǎo)通時(shí)，ia的波形如圖720（a）所示的方波。用富氏級數(shù)展開為 （718）5 , 3 , 11sin4ndatnIi其基波分量 （719） 基波電流有效值 （720）tIidasin41ddaIII22241Uab和Ia1的向量關(guān)系如圖720（c）, Uab為正弦波，相位滯后Ia1為 角， 的波形如圖720（b）所示。 2.換流過程 參看圖719電路。設(shè)原來T1、4導(dǎo)通，在ia1=0時(shí)觸發(fā)T2、3（實(shí)際是T2、3與T1、4的切換，造 abu0.Ia bU.1aI.a

31、 fIttaiai1ai1ai00a bu)( a)(b)( c圖 7 2 0 負(fù) 載 電 壓 電 流 波 形 及 向 量 圖成ia換向，使ia1=0）。這時(shí)uab滯后ia1角，極性如圖719（a）所示。T2、3導(dǎo)通后，有一個(gè)T14全部導(dǎo)通的瞬時(shí)短路過程，電容電壓Uc通過T2加到T1，通過T3加到T4，電容電壓對導(dǎo)通管子是反偏電壓。這時(shí)電容經(jīng)過L1、T1、T2、L2放電，當(dāng)放電電流上升到 Id時(shí)，T1電流為0而關(guān)斷。同理電容通過L3、T3、T4、L4放電，關(guān)斷T4，電流Id就由T1、4流通轉(zhuǎn)換到通過T2、3，負(fù)載電流反向，電流ia(t)為方波。第第 四十一四十一 講講主講教師：王念春主講教師：

32、王念春東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育第六節(jié) 晶閘管單相并聯(lián)逆變器 一、晶 閘 管 單 相 橋 式 并 聯(lián) 逆 變 器 晶閘管單相橋式并聯(lián)逆變器電路如圖722（a)所示。這是一種較為常見的電路，對中小容量的變頻器它是一種線路比較簡單、性能比較優(yōu)良的方案。它除有晶 LR.2D4D2T4T1C2C3C4C2L4L1D3D1T3TE1L3L0i圖7-22（a）LR.2D4D2T4T1C2C3C4C2L4L1D3D1T3TE1L3L0i圖7-22（a）閘管T14和二極管D14組成的橋式逆變器外，電路中L14和C14組成換流電路，逆變器橋臂的右半邊晶閘管T2、4和左半邊晶閘管T1、3的工作是對稱的，電路結(jié)構(gòu)也對稱，所以

33、下面僅以左半橋臂為例進(jìn)行分析。電路中L1L3L/2并且是緊耦合的，它們分別與T1、3串聯(lián)，C1=C3=C分別與T1、 L1和T3、L3并聯(lián)，作為T1和T3間的換流元件。 (一) 換流原理 1.穩(wěn)定工作狀態(tài) 處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，負(fù)載電流I0由E經(jīng)T1、L1、RL、L4、T4到E的負(fù)極流通，iL1=iT1=I0，uC1=0，uC3=E,電流電壓極性如圖7-22(a)所標(biāo)定。 2.換流過程 換流過程可由下面幾個(gè)階段說明。設(shè)不計(jì)晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。 （1）從觸發(fā)T3導(dǎo)通到T1關(guān)斷 階段 T3觸發(fā)導(dǎo)通瞬間反電勢eL3=eC3=E。由于L3和L1緊耦合，所以在L1上感生電動(dòng)勢eL1=eL3=E，極性如圖7

34、-22(b)。所以uT1=uC1-eL1=-E，承受反向電壓而立即關(guān)斷。iT1即刻為0。這是利用T3將已導(dǎo)通的T1關(guān)斷，所以稱為互補(bǔ)強(qiáng)迫換流。又由于換流電感與晶閘管串聯(lián)，所以這種電路又稱為串聯(lián)電感式逆變器。1D3D1T3TE1L3L1Le3Le1C3C0i1Ci3Ci圖 7 22 （ b） （2）從晶閘管T1關(guān)斷到C1 、 C3放電結(jié)束階段 以T1關(guān)斷瞬時(shí)作為過渡時(shí)間起點(diǎn)。T1關(guān)斷，iT1=0，L1中的磁場能瞬時(shí)轉(zhuǎn)移到L3，使iL3電流初始值為I0，其他各量初始值uC1=0，uC3=E。從此之后，C3放電，C1充電，充放電電路如圖722（c）。1D3D1T3TE1L3L1Le3Le1C3C0i

35、1Ci3Ci圖 7 22 （ C）3Li 在此過程中，uC1由0逐漸增加到E，uC3由E逐漸減少到0，uT1= uC1- uC3,當(dāng)uC1uC3E/2時(shí)，uT1=0,這個(gè)時(shí)間段即為T1承受反向壓降的時(shí)間，它必須要大于tOF,才能使晶閘管T1可靠關(guān)斷。 （3）換流電感儲能釋放階段 即從uC30，電容放電結(jié)束到L3磁場能量放完為止的階段，電路如圖722（d）。當(dāng)uC30后，D3在L3diL3/dt作用下導(dǎo)通，iL3經(jīng)D3以指數(shù)規(guī)律衰減，形成L3與D3閉合回路中的環(huán)流；同時(shí)負(fù)載電流經(jīng)D3和D2向電源回饋能量，負(fù)載電流以指數(shù)規(guī)律下降。經(jīng)過一定時(shí)間，能量釋放完畢。對負(fù)3D1T3TE1L3L1C3C0i1

36、D3Li圖722 （d）載電感較大儲能較多的電路，當(dāng)L3磁場能量放完后，D3、D2繼續(xù)過負(fù)載電流，T3和T2暫時(shí)導(dǎo)電停止。 （4）負(fù)載電流反向階段 負(fù)載電流經(jīng)D3、2向電源回饋能量，一段時(shí)間后，負(fù)載電流降到0，D3、2截止，T3、2重新導(dǎo)通，1D3D1T3TE1L3L0i1C3C圖722 單 相 橋 式 并 聯(lián) 逆 變 器)(e 負(fù)載電流反向，電路如圖722（e）。負(fù)載電流按指數(shù)規(guī)律反向上升到I0時(shí)，整個(gè)換流過程結(jié)束。在此注意：為使T3、2能在暫時(shí)停止導(dǎo)電后重新導(dǎo)通，晶閘管T3、2的觸發(fā)脈沖寬度應(yīng)大于900，一般取脈寬為1200。 二、單相并聯(lián)逆變器 圖725是另一種單相并聯(lián)，也稱并聯(lián)推挽式電

37、路，負(fù)載經(jīng)變壓器接入到逆變開關(guān)電路中。變壓器原邊有中心抽頭，接電源正端，原邊的另兩端經(jīng)二極管D1、2，晶閘管T1、2，電感L接電源負(fù)端，這樣在晶閘管T1和T2切換時(shí)，接 在變壓器副邊的負(fù)載就得到交變電壓。 T1和T2換流是由電容C進(jìn)行強(qiáng)迫換流的，道理與圖718的斬波器相似。但為了避免電容C向負(fù)載放電，采用二極管D1和D2進(jìn)行隔離，所以D1、D2稱隔離二極管。這樣電容的容量只要滿足 晶閘管換向即可，所以換向電容比不加隔離二極管要小得多。電感L是限制電容放電電流的。L和C分別稱換向電感和換向電容，它們構(gòu)成一個(gè)LC諧振換流電路。反饋二極管D3和D4將負(fù)載電感儲能回送電源。電阻R1、2是消耗換流電感儲

38、能的，當(dāng)然也可以用反饋?zhàn)儔浩鲗⑦@部分能量回送電源。 電路的換流過程：如負(fù)載是純電阻， 1.T1導(dǎo)通時(shí)，電流從電源E+經(jīng)變壓器原邊 oa(相當(dāng)于負(fù)載電阻折算到原邊的等效負(fù)載)、D1、T1、L到E-流通，負(fù)載電壓極性如圖中所示。同時(shí)換流當(dāng)然C由E+、經(jīng)ob、D2、C、T1、L到E-充電，極性如圖中所示，為T1關(guān)斷作好準(zhǔn)備。見圖725（a）所示。 .0u4D1D2D3D1T2T1R2RLECcu.abo負(fù) 載充 電ELTCDo bECELTDo aET12111充 電 ：對導(dǎo) 通 ：）（圖a 2 57 2.當(dāng)觸發(fā)T2導(dǎo)通時(shí)，電容電壓uc反向加于T1，使之立刻關(guān)斷。然后是C經(jīng)T2、L、電源、oa、D1

39、放電和被反向充電。在這個(gè)過程中，當(dāng)D2所受反向偏置為0時(shí)，D2導(dǎo)通，負(fù)載電流經(jīng)E+、ob、D2、T2、L到E-流通，負(fù)載電壓及電流反向改變。如圖725（b）所示。換流結(jié)束。 .0u4D1D2D3D1T2T1R2RLEcu.abo負(fù) 載12222DoaLTCCELTDobET電 源放 電 、 反 向 充 電 ：導(dǎo) 通 ：圖 7 25（ b）單 相 并 聯(lián) 逆 變 器充 放 電 如負(fù)載是電感性的，則負(fù)載電流在T1關(guān)斷后并不立即換到從T2流通，只是開始衰減，在使變壓器同名端“負(fù)”為正的負(fù)載電感電勢作用下，使反饋二極管D4導(dǎo)通將能量回送電源，直到負(fù)載電流降到0后，D4截止，T2才有電流導(dǎo)通，負(fù)載電流換

40、到T2。 換流電容C及電感L和耗能電阻值的計(jì)算公式也由電源電壓E、負(fù)載最大電流峰值I0和加于晶閘管的時(shí)間t0決定 (7-42) (7-43) 0000000035. 2425. 059. 04425. 0IEtIEtLEtIEtIC式中t0應(yīng)大于晶閘管tOF。耗能電阻取 (7-44)CLR41 . 0 三、帶有輔助晶閘管的換流電路 （麥克墨萊逆變器） 圖726（a）是對容量較大的逆變器常用的電路，換流環(huán)節(jié)由輔助晶閘管和LC串聯(lián)諧振換流電路構(gòu)成。橋式電路的左、右兩半邊對稱，所以只分析作左邊。晶閘管T1、3是逆變器主開關(guān)， T1、3是換流輔助晶閘管。換流過程如下： 1.穩(wěn)定工作狀態(tài) T1已導(dǎo)通，換

41、流前電容C已充電到UC0，極性如圖726（a）所示。負(fù)載電流由E經(jīng)T1、負(fù)載、T4到E的負(fù)極流通，電流極性如圖（a）標(biāo)定。1T2T3T4T1T2T3T4T1D2D3D4DCL負(fù) 載0icuECL圖 7 26（ a） 帶 輔 助 晶 閘 管 換 流 的 逆 變 電 路 2.開始換流 當(dāng)關(guān)斷T1時(shí)，觸發(fā)T1，使UC反向加于T1，C通過L、T1、T1放電，電容電流上升，在此過程中iT1逐漸減小直到T1關(guān)斷。初始條件，iL0，UCUC0。網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)如726（b）所示。LCE0I1T1T圖726 （b） LC支路中電流隨時(shí)間變化的圖形如726（c）所示。因負(fù)載為大電感負(fù)載，故流經(jīng)它的電流不變，為恒流I

42、0。在tt1時(shí)刻時(shí)，LC支路上的電流為I0，此時(shí)流經(jīng)T1的電流為0，所以T1關(guān)斷，D1導(dǎo)通。Lit1t2t3t0I圖726 （c）3.諧振過程 此后C經(jīng)D1、L1、T1繼續(xù)振蕩放電，直到 t2時(shí)刻時(shí),iL由0上升到最大，電容電壓uc0。拓樸結(jié)構(gòu)如726（d）所示。LCE0I1T圖 7 26 （ d）1DLi 4.電容C充電階段 過了 t2時(shí)刻，L儲能向電容反向充電，LC支路電流逐漸減小。在tt3時(shí)刻，iLI0，D1關(guān)斷。拓樸結(jié)構(gòu)如726（e）所示。在T3導(dǎo)通時(shí)，經(jīng)電源、T1、C、L、T3向C反向充電，直到uc-Uc0時(shí)電流為0，T1關(guān)斷。uc-Uc0為關(guān)斷T3作好準(zhǔn)備。T3導(dǎo)通達(dá)穩(wěn)態(tài)后，欲關(guān)斷

43、T3時(shí)，應(yīng)觸發(fā)T3，uc-Uc0加于T3使之承受反壓，其后過程與關(guān)斷T1時(shí)相似。LCE0I1T圖 7 26 （ e） 5.續(xù)流階段 給C充電，當(dāng)充電約大于E時(shí)，D3因承受正壓而導(dǎo)通，能量通過D3、D2反饋到電源中。拓樸結(jié)構(gòu)如726（f)所示。2D3DE負(fù)載圖 726 （f） L、C取值也與直流電源電壓E、負(fù)載最大電流峰值I0和晶閘管承受反向電壓時(shí)間 t0有關(guān)，一般由下式選取 (7-45) (7-46)0000397. 0893. 0IEtLEtIC 由上面三組換流電路可見，晶閘管逆變器可靠工作的關(guān)鍵是換流環(huán)節(jié)。對強(qiáng)迫換流的要求是有一定能力，換流元件L、C的容量和儲能要盡可能小些，換流過程的損耗要小，換流過程中加到晶閘管的du/dt和di/dt應(yīng)小。上述三種并聯(lián)逆變器換流電路都工作于LC諧振狀態(tài)，電路分析方法是一致的，其L、C參數(shù)的一般公式為0000IEtKLEtIKCLCKC和KL為系數(shù)，換流方式不同，KC、KL值不同。從上二式可見。換流參數(shù)與直流電源電壓及負(fù)載電流有關(guān)，這是電壓型逆變器的特點(diǎn)。第七節(jié) 電流型逆變器 一、電壓型和電流型逆變器 的特點(diǎn) 上節(jié)所介紹的各種逆變器，它們的直流電源是蓄電池或交流整流后由大電容濾波，無功能量由濾波電容吸收，所以輸入近似為恒壓源。逆變器工作時(shí)，輸出電壓是幅值為輸入電壓的方波，晶閘管電壓型逆變