1、Chapter 4 Inverter 主讲：伍文俊 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 2 4.4 Current Source Inverter-CSI 一、 Features of CSI 直流侧为 电流源 或串联 大电感 ，直流侧电流基本无脉动。 逆变桥各臂功率开关管不需反并联二极管。 输出电流为 矩形波 ，输出电压因负载阻抗不同而不异。 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 3 二、 Single-phase CSI 1、电路分析 采用 负载换相 方式工作的。 电容 C和 L 、 R构成 并联谐振电路 而略呈 容性 。 直流侧串大电感，工作过程可认为 id基本没有脉动
2、，其值为 Id。输出电流波形为 矩形波。 负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以 uo接近 正弦波 。 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 4 2、控制脉冲 VT1和 VT4脉冲相同，VT2和 VT3脉冲相同，且 VT1和 VT2脉冲相差180 . 3、波形分析 导通规律： VT1和 VT4导通半个周期， VT2和VT3再导通半个周期，如此交替。 单相电流型逆变电路 为保证可靠换相， io超前 uo足够时间，tqtoff。 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 5 4、负载换相条件 1) 欠阻尼； 2）逆变频率 谐振频率 r，使负载呈现容性； 3） tq toff。 电路提
3、供的器件关断后所承受的反压时间 器件固有关断时间 5、数值关系 输出电流的 FFT分析： tttIi 5s i n513s i n31s i n4 do其基波电流有效值 Io1为： dd1o 9.024 III 单相电流型逆变波形 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 6 11 200114811 sin ( ) c o sdddiIIU u d t t d tYY 014 sin( ) , 1 , 3 , 5 , dnn nIu n t nnY 0142dIUY 输出电压有效值： 若忽略直流侧滤波电感的内阻： 其中： Yn： n次谐波负载的导纳； n： n次谐波负载的阻抗角。 输出电
4、压有效值： 0111 .1 c o s2 2 c o sddUUU 即： 单相电流型逆变波形 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 7 每个功率器件开通时 ,故要串联 Lk抑制 。 0didt 0didt6、保护 单相电流型逆变波形 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 8 C的作用 : 欠阻尼，保证谐振；补偿负载功率因数，保证可靠换相。 工作方式： 自励方式： 实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整 (逆变的工作频率取自负载端 )； Ld作用： 减小电流纹波；抑制逆变输出的交流电进入工频电网；逆变失败时造成电源短路的损害较小。 7、电路
5、的启动 单相电流型逆变波形 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 9 他励方式： 固定工作频率的控制方式； 自励方式存在起动问题 ： 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 。 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 10 三、 Three-Phase CSI 1、电路分析 基本工作方式是 120 导电方式 ，每个臂一周期内导电 120 ，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通。 换流方式为 横向换流 。 2、波形分析 输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各 120 的 矩形波 。 三相电流型逆变波形 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 11 输出
6、电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，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。 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 12 4.5 Multiple Inverter and Multilevel Inverter 目的 :改善输出波形 ,使其更接近于正弦波； 一、 multiple Inverter 串 联 多 重 ： 多 用 于 电 压 型 逆 变 电 路并 联 多 重 ： 多 用 于 电 流 型 逆 变 电 路二、 Single-phase Inverter 思路： 把两个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所
7、含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 13 120 60 180 t O t O t O 三次谐波 三次谐波 u 1 u 2 u o 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。 输出波形 u1和 u2是 180 矩形波 。 u1和 u2相位错开 =60 , 变压器串联合成后， 3次谐波互相抵消 ，总输出电压中不含 3次谐波。 uo波形是 120 矩形波，含 6k 1次谐波 ， 3k次谐波都被抵消。 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 14 d114 sinnUu n tn d214 sin
8、 ( - )3nUu n tn 1214 1 si n si n ( ) 323 11si n( ) si n 5 ( ) si n 7 (6 5 6 7 611si n 11 ( ) si n 13 ( ) . ( 6 1 )11 6 13 6odndu u uUn t n tnUt t tt t n k ）n=1,3,5. n=1,3,5. 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 15 二、 Three-phase Inverter 1、电路结构分析 由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过 变压器串联 合成。 两个逆变电路均为 180 导通方式 。 工作时，逆变桥 II的相位比逆变桥
9、I滞后30 。 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 16 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 17 nk tnntUu s i n)1(1s i n32 dU1式中， n=6k 1， k为自然数。 uU1的基波分量有效值为： ddU 1 1 78.06 UUU n次谐波有效值为： nUU dU 1 n62、基本的数量关系 uU1傅里叶级数 ： 输出相电压 uUN的基波电压有效值为： ddUN1 56.162 UUU 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 18 其 n次谐波有效值为 : U N 1dU N n162 UnnUU 式中， n=12k 1， k为自然数，在
10、 uUN中已不含 5次、 7次等谐波。 该三相电压型二重逆变电路的直流侧电流每周期脉动 12次，称为 12脉波逆变电路 。一般来说，使 m个三相桥式逆变电路的相位依次错开 运行，连同使它们输出电压合成并抵消上述相位差的变压器，就可以构成 脉波数为 6m的逆变电路。 )3/( m自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 19 三、 Multilevel Inverter 1、两电平逆变器（ Two-level Inverter） jn,2 ( j u , v , w ),2ddUuU 上 桥 臂 导 通下 桥 臂 导 通自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 20 2、三电平逆变器（
11、Three-level Inverter） 二极管箝位三电平逆变器（ Neutral Point Clamped Inverter-NPC） 1981年， 由日本长冈大学教授 Nabae A.等人提出 。 j 1 j 2 j 3 j 4k N j 2 j 3 j 1 j 4j 3 j 4 j 1 j 2, V T , V T V T , V T ;20 , V T , V T V T , V T ; ( j 1 , 2 , 3 ;k = u , v , w ), V T , V T V T , V T .2ddUuU 导 通 ， 关 断导 通 ， 关 断导 通 ， 关 断自动化与信工程学院电气
12、系 -电力电子技术 - 21 特点： 输出相电压有 Ud/2和 0 三种电平，线电压有 Ud、 Ud/2和 0五种电平。 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。 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 22 拓展：七电平 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 23 飞跨电容三电平逆变器（ Flying-Capacitor Inverter） 缺点： 逆变器每个桥臂需要的电容数量随输出电平数增加而增加，再加上直流侧的大量电容使得系统成本高且封装困难； 优点 ：在电压合成方面，开关状态的选择具有更大的灵活性；
13、由于电容的引进，可通过在同一电平上不同开关的组合，使直流侧电容电压保持均衡； 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 24 3、单元串联或并联逆变器（ Cascaded Inverter） 即罗宾康结构，以前也叫级联多电平逆变器。 由若干个基本变换单元，例如 H桥 逆变 器、两电平 逆变 器、三电平 逆变 器等，通过串联或并联连接而形成的单相或三相逆变 器。每一个 逆变 单元可以输出方波或阶梯波，通过输出波形的叠加合成，形成更多电平台阶的阶梯波，以逼近正弦输出电压或电流。 Ta Tb110 kV馈线 A 27 . 5 kV 馈线 B 27 . 5 kVC dcC dcC dcC dcC
14、dcC dcC dcC dcC dcC dcLf Lf独立直流电源 型 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 25 Cdc110 kV馈线 A 27 . 5 kV 馈线 B 27 . 5 kVTaC dcTb110 kV馈线 A 27 . 5 kV 馈线 B 27 . 5 kV特殊变压器隔离型 变压器隔离型 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 26 各个 逆变 器单元 功率开关器件的开关频率 低 ，在中、高压应用中无需均压电路，可避免大的 du/dt所导致的电机负载绝缘等问题； 冗余 -当各串联或并联连接的级联单元中有一个单元故障时，可通过把此单元短接而退出工作，其它单元仍然能够正常工作，保证系统正常运行； 可扩展性强 -使模块化变换器产品的封装，生产和制造成为可能，扩展容易。 随着变换器级联数目的增加，输出电压或电流波形的 谐波含量减小 ； 特点： -The End- 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 27 作业 : 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 28 单相电流型逆变电路 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 29 单相电流型逆变电路波形 自动化与信工程学院电气系 -电力电子技术 - 30 三相电流型逆变电路波形
