电压型变换器

1. 电路结构

三相电压型DC/AC变换器电路结构如图3-25所示，在直流电源Ud电路上并联电容器Cd，直流侧电压基本无脉动；逆变器采用六个功率开关器件VT1～VT6和六个分别与其反并联的续流二极管VD1～VD6共同构成的IGBT功率模块，也可以使用其他全控器件。这种结构每相输出有两种电平，因此也称为两电平逆变电路。

图3-25 三相电压型DC/AC变换器电路

从电路结构上看，如果把三相负载ZA、ZB、ZC作为三相整流电路变压器的三个绕组，那么三相桥式逆变电路即为三相桥式可控整流电路与三相桥式不可控整流电路的反并联，其中，可控电路用来实现直流到交流的逆变功能，不可控电路为感性负载电流提供续流回路，完成电流续流或能量反馈，因此二极管VD1～VD6称为续流二极管或反馈二极管。这种三相桥式逆变电路在交流电动机变频调速系统中得到了广泛的应用。

三相桥式逆变电路开关器件的导通次序和整流电路一样，也是VT1、VT2、VT3…各器件的驱动信号依次互差60°。根据各器件导通时间的长短，分为180°导通型和120°导通型两种。对于瞬时完成换流的理想情况，180°导通型的逆变电路在任意时刻都有三只管子导通，每个开关周期内各管导通的角度为180°。同相上下两桥臂中的两只管子称为互补管，他们轮流导通，如A相中的VT1和VT4各导通180°，同时相位也差180°，不会因VT1和VT4同时导通而引起电源短路。因此180°型三相桥式逆变电路导通间隔60°，各管的导通情况依次是VT1、VT2、VT3，VT2、VT3、VT4，VT3、VT4、VT5，…，VT5、VT6、VT1，如此反复。120°导通型逆变电路各管导通120°任意时刻有两只不同相的管子导通，同一桥臂中的两只管子不是互补导通，而是有60°的时间间隔，所以逆变电路的各管导通间隔60°，按VT1、VT2， VT2、VT3，VT3、VT4，…，VT6、VT1，的顺序导通。当某相中没有管子导通时，该相的感性电流经续流二极管导通。

2. 三相桥式逆变电路的基本参数

对180°导通型三相桥式逆变电路进行分析，每隔60°的时段，其相电压、线电压、输出等效电路如表3-1所示。

表3-1 180°导通型三相桥式逆变电路参数分析

续表

假设三相负对称，即ZA=ZB=ZC。以0°～60°时段为例对电路工作原理进行分析。

在0°～60°时段IGBT（或其他全控型电力电子器件）VT1、VT2、VT3同时导通，A相和B相负载ZA、ZB都与电源正极连接，C相负载ZC与电源负极连接。由于三相负载对称，取负载中心点为电压基准点，则A相的电压uAO和B相的电压uBO相等，均为，C相电压为。

同理，在60°～120°时段，VT1关断，VT2、VT3、VT4导通，ZB与电源正极连接，ZA与ZC与电源负极连接，故，，依次类推可得一个周期内其他时段的各相电压。最终得出任何一相的相电压的波形为六阶梯波，uBO滞后uAO 120°，uCO滞后uBO 120°，如图3-26（a）所示。

图3-26 180°导通型三相逆变电路输出电压波形

（a）相电压波形；（b）线电压波形

线电压的表达式为

u AB=u AO-u BO（3-23）

u BC=u BO-u CO（3-24）

u CA=u CO-u AO（3-25）

线电压波形为120°的矩形波，各线电压依次相差120°，如图3-26（b）所示。

当逆变电路按120°导通方式工作时，如在0°～60°，VT6、VT1导通，则ZA、ZB连接电源的正负极，ZC不通电，则，，u CO=0。在60°～120°时段，VT1、VT2导通，ZA、ZC分别连接电源的正负极，ZB不通电；则，u BO=0，。以此类推，可以得到相电压与线电压波形，如图3-27所示。与180°导通型逆变电路输出相反，该相电压为矩形波，而线电压为六阶梯波。

图3-27 120°导通型三相逆变电路输出电压波形

（a）相电压波形；（b）线电压波形

逆变器采用120°导通方式时，输出电压波形如图3-27所示。由于同一桥臂中上下两开关管有60°的导通间隙，对换流的安全有利，但管子的利用率较低，并且若电动机采用星形接法，则始终有一相绕组断开，在换流时该相绕组中会引起较高的感应电动势，需要采取过电压保护措施。而180°导通方式无论电动机星形接法或是三角形接法，正常工作时不会引起过电压，因此对于电压型逆变器，180°导通方式应用较为广泛。