第2篇电力电子电路拓扑

第2篇电力电子电路拓扑第一页，共107页。2.1变流电路拓扑概述电力电子装置最根本任务是实现电能的变换，因此也称为变换器，其对应的电路称变流电路或变换电路，通常有：AC→DC，DC→DC，DC→AC，AC→AC变换器最基本的性能要求直流输出的性能要求输出电压（流）的大小：静态精度纹波：输出最大值与最小值的差值纹波系数：输出最大值与最小值的差与输出平均值的比交流输出的性能要求交流电的基本要素：波形、大小、频率三种。2第二页，共107页。2.1变流电路拓扑概述波形：一般情况要求输出正弦波，失真度？正弦波电压可表示为：对于周期性的非正弦波电压，可分解为傅里叶级数：基波（fundamental）——频率与工频相同的分量谐波——频率为基波频率大于1整数倍的分量谐波次数——谐波频率和基波频率的整数比n次谐波电流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示：电流谐波总畸变率THDi（TotalHarmonicdistortion）定义为：3第三页，共107页。2.1变流电路拓扑概述大小：由于交流电是瞬时变化的，其大小的表示方法可以用瞬时值表示，或用有效值（幅值）及相位描述；频率：交流电输出正负变化周期所对应的频率对交流输出来说，除了对输出大小和频率的精度要求外，输出波形的谐波含量小也是一个非常重要的指标。交流输入侧的性能要求交流输入侧一般为电网，其主要考虑的是对电网的影响应尽可能小，因此一般要求功率因数高、谐波污染小变换器的动态性能指标主要包含变换器在各种扰动条件下输出的稳定性、超调量、动态稳定时间等指标。4第四页，共107页。2.1变流电路拓扑概述变换器的主要类型整流电路（AC→DC）二极管不可控桥式整流（往往带大电容滤波）单相、三相晶闸管可控整流三相大功率场合开关电源方式（一般为：AC→DC＋DC→DC）

AC→DC常采用二极管整流，由DC→DC调节输出谐波及功率因数无源LC滤波及补偿、PFC电路、PWM整流电路5第五页，共107页。2.1变流电路拓扑概述直流变换电路（DC→DC）非隔离直接变换6种基本电路：Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta输入输出隔离的直流变换常用电路：正激式、反激式、半桥、全桥、推挽式高频变压器：铁芯材料、线圈工艺、效率输出级整流器件：快速恢复二极管、肖特基二极管、MOSFET电路：半波、全波、桥式、同步整流、交错并联6第六页，共107页。2.1变流电路拓扑概述逆变电路（DC→AC）有源逆变晶闸管三相桥式可控变流电路、双桥12脉可控变流电路无源逆变单相逆变：半桥逆变、全桥逆变、推挽逆变电路三相逆变：三相三桥臂桥式逆变、三相四桥臂桥式逆变单相逆变组合、波形重构技术、多电平逆变DC变换式逆变：两台DC变换器合成高频链逆变：高频变实现输入输出隔离7第七页，共107页。2.1变流电路拓扑概述交交变换电路（AC→AC）交流调压晶闸管电路：单相交流调压、三相交流调压全控器件：斩控式交流调压电路交交变频晶闸管电路：三相交交变频电路全控器件：矩阵式变换器、双PWM变流电路8第八页，共107页。2.2整流电路AC→DC整流电路有：二极管不可控整流、晶闸管可控整流、高频开关电源、PWM整流等许多方式二极管不可控整流电路一般仅为输入级电路，而非直接输出带负载单相桥式不可控整流电容滤波的单相桥式不可控整流在u2正半周过零点至wt=0期间，因u2<ud，故二极管均不导通，电容C向R放电，提供负载所需电流。至wt=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。b)0iudqdp2pwti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud9第九页，共107页。2.2整流电路三相桥式不可控整流某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。a)b)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt结论：二极管不可控整流，输出电压不可控，网侧电流与电压相位基本相同，但为尖峰电流，谐波大。电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形10第十页，共107页。2.2整流电路感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a)b)u2udi20dqpwti2,u2,udb)c)iaiaOOtt感容滤波的三相桥式不可控整流a）电路b）轻载时的电流波形c）重载时的电流波形11第十一页，共107页。2.2整流电路晶闸管可控整流电路主要应用于大功率场合：高压直流输电、直流传动、电解、电镀、蓄电池电极的极板化成电源、……等三相全桥6脉波整流电路，如直流传动系统。整流变压器三相整流桥输出电压可以通过控制晶闸管的触发角来调节；输出电压在工频周期内脉动6次，输出直流侧谐波含量为mk（m=6,k=1，2，3...）次;输入网侧电流与电压的相位差由晶闸管触发角α决定；网侧电流谐波含量为：谐波次数为mk

±1（m=6,k=1，2，3…)次。12第十二页，共107页。2.2整流电路晶闸管三相12脉整流电路三相12脉整流电路的工作电流波形三相12脉波整流电路，它是高压直流输电的典型电路。整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差30、大小相等的两组电压。星形三角形0a)b)c)d)ia1Id180°360°ia2iab2'iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33IdId323(1+)Id323(1+)Id33Id1313第十三页，共107页。2.2整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路，适应于低压大电流电源场合，如：电解整流变压器二次侧为两组匝数相同极性相反的绕阻，分别接成两组三相半波电路整流变压器两绕组极性相反的目的是为了消除直流磁通势平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电。

带平衡电抗器的双反星形可控整流电路14第十四页，共107页。2.2整流电路电路输出电压仍为6脉，但数值比三相全桥电路小一半电路输出电流比三相全桥电路大一倍。几种典型的晶闸管触发角时输出电压波形如右图所示。当

=30、60、90时，双反星形电路的输出电压波形

。90=a。60=a。30=audududwtOwtOwtOuaubucuc'ua'ub'ubucuc'ua'ub'ubucuc'ua'ub'15第十五页，共107页。2.2整流电路晶闸管整流电路的系统结构为实现对输出的调节与稳定控制，一个完整的晶闸管可控整流电路应由主电路、控制电路组成一个闭环控制系统，其结构框图如下：三相市电经整流变压器后给晶闸管可控整流电路供电，通过整流获得脉动的直流电，然后经LC组成的低通滤波器进行滤波后，获得平直的直流输出，该输出由控制电路采样并反馈到控制系统，经调节产生晶闸管整流电路的触发脉冲角，实现对输出的稳定控制。16第十六页，共107页。2.2整流电路晶闸管整流电路的特点整流变压器工作在工频状态，体积大，重量重；晶闸管采用移相触发，网侧谐波电流含量大；直流输出由多个脉动波形组成，需要较大的输出低通滤波器（滤波电感、电容参数较大，因此体积大）输出精度不高、动态响应慢、纹波系数大；网侧谐波主要是由固定频率的特征谐波组成；网侧电流与电压的相位差角等于晶闸管移相角。17第十七页，共107页。2.2整流电路高频开关电源高频工作的作用调节过程快，性能指标可以提高；变压器、滤波器、磁性元件的体积与重量减小，滤波电感电容参数值可减小变换器功率密度提高高频工作引起的问题开关损耗大；电磁兼容问题突出电路复杂，分布参数影响大，难度增加18第十八页，共107页。2.2整流电路高频开关电源的结构取消工频变压器，采用高频变压器→变压器体积↓↓；电路结构比SCR可控整流复杂；通过PWM控制来调节高频DC/DC变换电路的占空比，实现对输出的调节和稳定；动态响应快，稳定精度高，纹波小，体积小，重量轻。19第十九页，共107页。2.2整流电路高频变压器铁芯材料工频变：硅钢片，50Hz，饱和磁密高，电阻率小，当f上升涡流损耗大，不适于高频工作高频变：铁芯为软磁材料，如铁氧体铁芯特点是：饱和磁密低，电阻率高

→涡流损耗小，但易饱和，增加气隙防饱和变压器绕组因为f上升匝数下降，匝数太少，原副耦合度受影响→为提高原副边的耦合度，采用“三明治绕法”20第二十页，共107页。2.2整流电路网侧谐波与功率因数问题及对策非正弦条件下的功率因数定义有功功率视在功率：电压、电流有效值的乘积，即S=UI功率因数λ：

定义为有功功率P和视在功率S的比值，即畸变系数：基波电流有效值和总电流有效值之比位移因数：基波电压与电流相位差角的余弦功率因数等于位移因数和畸变系数的乘积。21第二十一页，共107页。2.2整流电路谐波及功率因数补偿方法无源LC滤波补偿设计LC参数，使其在待滤谐波的频率处谐振。因此无源滤波器原理简单，补偿容量大，成本低，运行维护费用低。但只能针对特定次谐波，与系统发生谐振的可能性，工程设计应特别注意LC滤波器的品质因数选择要恰当，一般在60左右LC滤波器的参数设计应考虑基波频率的允许波动范围高次谐波滤波支路的LC参数，对基波呈容性，即滤波的同时也具有基波的容性无功补偿作用滤波器参数的工程设计应注意防止谐振现象发生22第二十二页，共107页。2.2整流电路功率因数校正技术（PFC）引入功率因数校正电路，通过对该电路开关器件的高频PWM控制，使网侧电源电流按正弦规律轮廓变化，并保持与网侧电源电压同相位，则网侧功率因数为1。当然也可以控制网侧电源电流与电压保持一定的电角度，使功率因数为所需要的值。PWM整流技术采用全控型开关器件作为整流电路元件，通过对该电路的开关器件进行高频PWM控制，使网侧电源电流按正弦规律轮廓变化，并保持与网侧电源电压同相位，则网侧功率因数将为1，当然也可以控制网侧电源电流与电压保持一定的电角度，使功率因数为所需要的值。23第二十三页，共107页。2.2整流电路PWM整流电路单相桥式PWM整流电路三相桥式PWM整流电路以电源电压us为参考相位；采用电流跟踪PWM控制，使电源电流is按正弦规律变化;控制系统的高频PWM控制，在保持输出电压ud稳定的情况下，同时使网侧电流正弦且与电压同相位；详细控制策略将在后面分析。24第二十四页，共107页。2.3直流变换电路DC→DC直流电路种类繁多，根据是否有高频变压器隔离措施，其电路结构也有相应的区别。非隔离的直流变换电路非隔离直流变换电路不含高频变压器，变换电路相对简单，变换效率也较高。最基本的电路有6种：Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk电路、Sepic电路、Zeta电路Buck电路分析时，LC可作为低通滤波器处理全控型器件

续流二极管25第二十五页，共107页。2.3直流变换电路工作原理降压斩波电路及波形设开关管V周期性地通断，其导通为ton，关断时间为toff，周期为T，定义占空比为：D=ton/(ton+toff)=ton/T。输出电压的平均值Uo为：

Uo＝D·E由于0<D<1，所以输出电压小于输入电压的，即降压斩波；输出电压与输入电压同极性。Buck电路工作特点：V导通，电源向负载供电，V关断，电源不供电；26第二十六页，共107页。2.3直流变换电路保持输出电压储存电能Boost电路工作原理[0,ton]：V导通，D截至，电源给电感L供电，储能，有：[ton,T]：V关断，D导通，L释放能量，与电源一起向负载供电，有：稳定后，应有：由此推导出：27第二十七页，共107页。2.3直流变换电路由于0<D<1，所以输出电压大于输入电压的，即升压斩波；输出电压与输入电压同极性。电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用电容C可将输出电压保持住Boost电路的几个典型应用场所：1）直流电动机传动：电机制动时的能量向电源回馈2）用于单相功率因数校正（PFC）电路3）用于其他交直流电源中Boost电路工作特点：V导通，电感储能，不给负载供电，V关断，电感储能释放，与电源一起向负载供电；

28第二十八页，共107页。2.3直流变换电路ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo用于电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a）电路图b）电流连续时c）电流断续时用于直流电动机传动当电机作制动时，转速将下降，其反电势EM随着转速的降低而减小，必有EM<E；要想通过再生制动时把电能回馈给直流电源，必须采用升压电路。电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定的，可以不并联电容器。29第二十九页，共107页。2.3直流变换电路图3-4升降压斩波电路Buck-Boost电路工作原理[0,ton]：V导通，D截至，电源给电感L储能，C维持输出电压，此时有：[ton,T]：V关断，D导通，电电感L释放能量给电容C和负载供电，此时有：电路稳定后应有：由此可得：负号表示输入与输出反极性；30第三十页，共107页。2.3直流变换电路当D<0.5时，输出电压小于输入电压，降压；当D>0.5时，输出电压大于输入电压，升压；所以：Buck-Boost电路也称升降压斩波电路输出电压与输入电压反极性。Buck-Boost电路工作特点：V导通，电感储能，不给负载供电，V关断，电感储能释放，向负载供电；

31第三十一页，共107页。2.3直流变换电路Cuk电路V导通时，D截止，E-L1-V回路和R-L2-C-V回路有电流。V关断时，D导通，E-L1-C-VD回路和R-L2-VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路32第三十二页，共107页。2.3直流变换电路稳态时有：数量关系V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得：优点（与升降压斩波电路相比）：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。升降压斩波，输入输出反极性33第三十三页，共107页。2.3直流变换电路Sepic斩波电路Sepic电路工作原理V导通，D截止，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能;V关断，D导通，E－L1－C1－VD－负载回路及L2－VD－负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）Sepic电路的电源电流和负载电流均连续；升降压，输入输出同极性。输入输出关系：34第三十四页，共107页。2.3直流变换电路Zeta斩波电路Zeta电路工作原理V导通，D截止，电源E经V向电感L1贮能;输入输出关系：V关断，D导通，则L1－VD－C1构成振荡回路，L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。升降压斩波，输入输出同极性35第三十五页，共107页。2.3直流变换电路输入输出隔离的直流变换电路采用高频变压器实现输入与输出的电气隔离，常用电路有5种：正激变换电路、反激变换电路、半桥变换电路、全桥变换电路、推挽变换电路正激变换电路（Forward）为Buck插入高频变压器后的变型电路高频变压器绕组N1、N2为输入输出主功率传送绕组，N3为磁复位绕组正激变换电路36第三十六页，共107页。2.3直流变换电路正激电路的原理图正激电路的理想化波形SuSiLiSOttttUiOOO开关S开通后，变压器绕组W1两端的电压为上正下负，与其耦合的W2绕组两端的电压也是上正下负。因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长；S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为：工作原理37第三十七页，共107页。2.3直流变换电路BRBSBHO磁心复位过程变压器的磁心复位开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到S关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。变压器的磁心复位时间为38第三十八页，共107页。2.3直流变换电路输出电压当输出滤波电感电流连续时，有：当负载电流较小而导致电感电流断续时，输出电压将有所增加，在负载空载时达到极限的最高电压为：39第三十九页，共107页。2.3直流变换电路反激变换电路（Flyback）为Boost插入高频变压器后的变型电路绕组N1、N2为输入、输出主功率传送绕组，同名端反向工作过程：反激变换电路S导通，VD关断，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD向输出端释放。40第四十页，共107页。2.3直流变换电路输出电压：电流连续模式：当S开通时，W2绕组中的电流尚未下降到零。输出电压关系：电流断续模式：S开通前，W2绕组中的电流已经下降到零。输出电压高于上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，，因此反激电路不应工作于负载开路状态。41第四十一页，共107页。2.3直流变换电路工作过程S1与S2交替导通，变压器一次侧为±Ui/2的交流电压。改变开关的占空比，就改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态;当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。半桥变换电路半桥电路原理图

S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO半桥电路的理想化波形42第四十二页，共107页。2.3直流变换电路输出电压：由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。半桥电路原理图

S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO半桥电路的理想化波形当滤波电感L的电流连续时：

如果输出电感电流不连续，输出电压U0将高于上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下有：

43第四十三页，共107页。2.3直流变换电路全桥电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。当S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升；S2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。全桥变换电路全桥电路原理图

S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO全桥电路的理想化波形44第四十四页，共107页。2.3直流变换电路如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。输出电压：滤波电感电流连续时：

输出电感电流断续时，输出电压Uo将高于上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下：图8-23全桥电路原理图

S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图8-24全桥电路的理想化波形45第四十五页，共107页。2.3直流变换电路推挽电路原理图

S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO推挽电路的理想化波形推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N,1两端分别形成相位相反的交流电压。S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升。S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。推挽变换电路工作过程46第四十六页，共107页。2.3直流变换电路推挽电路原理图

S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO推挽电路的理想化波形输出电压S1和S2同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通。滤波电感L电流连续时：输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，47第四十七页，共107页。2.3直流变换电路Cuk电路的能量耦合电容是实现输入向输出负载输送能量的关键插入隔离变压器的Cuk变换电路48第四十八页，共107页。2.3直流变换电路电路优点缺点功率范围应用领域正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W~几kW各种中、小功率电源反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W~几十W小功率电子设备,计算机设备,消费电子设备电源全桥变压器双向励磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W~几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等半桥变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W~几kW各种工业用电源，计算机电源等推挽变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W~几kW低输入电压的电源带隔离变压器的各种不同电路的比较49第四十九页，共107页。2.3直流变换电路输出级整流采用高频变压器隔离后的直流变换电路，变压器副边的输出级需要再次整流，常用电路有：半波整流、全波整流、全桥整流、同步整流等应用场合单端变换电路一般采用半波整流，如：正激式变换器、反激式变换器；双端变换电路常采用全波整流或全桥整流同步整流电路主要应用于超低输出电压场合50第五十页，共107页。2.3直流变换电路输出整流器件要求：高频，管压降小器件：肖特基二极管，快速恢复二极管、MOSFET管半波整流正激变换电路反激变换电路51第五十一页，共107页。全波整流电路和全桥整流电路原理图2.3直流变换电路全波整流优点：电感L的电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要2个二极管，元件数较少。缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。适用场合：输出电压较低的情况下（<100V）。52第五十二页，共107页。2.3直流变换电路a）全波整流电路b）全桥整流电路全桥整流优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组简单。缺点：电感L的电流回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要4个二极管，元件数较多。适用场合：高压输出的情况下。全波整流电路和全桥整流电路原理图53第五十三页，共107页。2.3直流变换电路同步整流采用MOSFET器件，相应地，也需要驱动电路，电路复杂;优点：当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电路，利用低电压MOSFET具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗，进一步提高效率。同步整流电路54第五十四页，共107页。2.4逆变电路DC→AC逆变电路分有源逆变、无源逆变两种方式有源逆变电路有源逆变电路——交流侧和电网连结。应用场所：直流电机可逆调速系统、交流线绕电机的串级调速、高压直流输电主要源逆变电路：三相全桥可控变流电路、双桥12脉变流电路逆变和整流的区别：控制角不同

0<<π

/2时，电路工作在整流状态。

π

/2<

<π时，电路工作在逆变状态。定义

β

=π-

，β

称为逆变角。55第五十五页，共107页。2.4逆变电路逆变失败（逆变颠覆）

逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。触发电路：不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相晶闸管：晶闸管故障，该断时不断，或该通时不通。交流电源：缺相或突然消失换相的裕量角不足：引起换相失败。逆变失败的原因56第五十六页，共107页。2.4逆变电路无源逆变电路无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。应用场所：变频调速系统、逆变器、UPS等分类：电压型逆变、电流型逆变电压型需反并联二极管；电流型需正向串联二极管电流型三相桥式逆变电路电压型单相桥式逆变电路57第五十七页，共107页。2.4逆变电路单相逆变电路u单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2半桥逆变电路工作原理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，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。58第五十八页，共107页。2.4逆变电路全桥逆变电路全桥逆变电路的同步控制开关管V1和V4、V2和V3成对同步控制导通或关断V1和V4导通时，输出电压为正；V2和V3导通时，输出电压为负。两者在一周期内各半周交替切换，则输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud。单相全桥电压型逆变电路输出电压波形同半桥相同，但电压幅值增大一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。59第五十九页，共107页。2.4逆变电路全桥逆变电路的移相控制同一桥臂上下两管互补导通，而桥臂之间彼此错开一定的角度。在V1和V4同时导通时有正输出电压、V2和V3同时导通时有负输出电压。其余状态输出电压为零，输出电压uo为脉宽波，幅值为Um=Ud。设桥臂之间错开的角度为θ,(0＜θ

＜180°)，则输出电压的脉宽为θ。改变θ就可调节输出电压，称为移相调压tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo单相全桥电压型逆变电路移相控制的工作波形60第六十页，共107页。2.4逆变电路推挽逆变电路

带中心抽头变压器的逆变电路与全桥电路的比较：比全桥电路少用一半开关器件。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。交替驱动V1、V2两个开关管，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提供无功能量的反馈通道。Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。61第六十一页，共107页。2.4逆变电路逆变电路的输出电压及谐波分析单相半桥逆变、全桥逆变、推挽逆变等，其输出得到一个正负交变的矩形波；输出频率等于开关管切换频率，幅值为输入直流电压；设直流输入电压为E，由傅立叶级数分析可得：问题：谐波含量大，且均为低次谐波，滤波困难；输出电压的基波大小不可调；解决方案：PWM调制：通过高频PWM调制，使输出的谐波频谱转移到高频区域分布，便于滤波，同时高频PWM调制→减少谐波分量波形重构：多个电路模块叠加→近似正弦的阶梯波62第六十二页，共107页。2.4逆变电路三相逆变电路三个独立的单相逆变电路组成三相逆变电路图中H表示单相H桥逆变器共用一个直流电源时，则输出侧需要变压器实现电气隔离；如果不用变压器输出，则必须采用三个独立的直流电源63第六十三页，共107页。2.4逆变电路三相三桥臂逆变电路经典应用场合：电机的变频调速系统6个开关管组成三相三桥臂逆变电路适用于三相负载对称的场合。电压型逆变电路一般采用180°导电方式电流型逆变电路一般采用120°导电方式64第六十四页，共107页。2.4逆变电路电压型逆变的180°导电方式电压型三相桥式逆变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°任一瞬间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。防止同一桥臂上下两管的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通”。(死区时间)65第六十五页，共107页。2.4逆变电路itOtOtOtOIdiViWuUVU电流型三相桥式逆变电路的输出波形

电流型三相桥式逆变电路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。输出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。电流型逆变的120°导电方式每个开关管一周期内导电120°，上下两组各有一个开关管导通，换流方式为横向换流。66第六十六页，共107页。2.4逆变电路三相四桥臂逆变电路对三相负载不对称场合也适用在三相三桥臂逆变电路的基础上，增加中心线桥臂可以带三相不对称负载。相线桥臂和中心线桥臂可分开控制，即相线桥臂按三相三桥臂方式控制，中心线桥臂单独控制也可以统一模型控制S1S2S3S4S5S6UVWNN‘67第六十七页，共107页。2.4逆变电路三相四桥臂逆变电路对三相负载不对称场合也适用在三相三桥臂逆变电路的基础上，增加中心线桥臂可以带三相不对称负载。相线桥臂和中心线桥臂可分开控制，即相线桥臂按三相三桥臂方式控制，中心线桥臂单独控制也可以统一模型控制S1S2S3S4S5S6UVWNN‘68第六十八页，共107页。2.4逆变电路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：两个单相的输出u1和u2是180°矩形波。二重逆变电路的工作波形120°60°180°tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo二重单相逆变电路逆变电路的波形重构技术几个相同结构的逆变电路相移动后迭加，使输出更接近正弦波。69第六十九页，共107页。2.4逆变电路u1和u2相位错开j=60°,其中的3次谐波就错开了3×60°=180。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。串联多重——把几个逆变电路的输出串联起来，多用于电压型。并联多重——把几个逆变电路的输出并联起来，多用于电流型。120°60°180°tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo二重逆变电路的工作波形二重单相逆变电路70第七十页，共107页。2.4逆变电路三相电压型二重逆变电路的工作原理三相电压型二重逆变电路由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过变压器串联合成。两个逆变电路均为180°导通方式。逆变桥II的相位逆变桥I滞后30°。T1为Δ/Y联结，线电压变比为（一次和二次绕组匝数相等)。T2一次侧Δ联结，二次侧两绕组曲折星形接法，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。71第七十一页，共107页。2.4逆变电路可看出uUN比uU1接近正弦波。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)，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的脉波逆变电路。UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud二次侧基波电压合成相量图三相电压型二重逆变电路波形图72第七十二页，共107页。2.4逆变电路三电平逆变电路也称中点钳位型逆变电路（NeutralPointClamped）每桥臂由两个全控器件串联构成，两者中点通过钳位二极管和直流侧中点相连。三电平逆变电路多电平逆变电路采用更多开关管使电路具有更多的输出电平数可选择，使输出更接近正弦波。73第七十三页，共107页。2.4逆变电路V11和V12（或VD11和VD12）通，V41和V42断，UO‘间电位差为Ud/2。V41和V42（或VD41和VD42）通，V11和V12断，UO’间电位差为-Ud/2。V12和V41导通，V11和V42关断时，UO‘间电位差为0。V12和V41不能同时导通。iU>0时，V12和VD1导通。iU<0时，V41和VD4导通。三电平逆变电路以U相为例分析工作情况74第七十四页，共107页。2.4逆变电路线电压的电平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。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。75第七十五页，共107页。2.4逆变电路双DC变换式逆变电路DC变换式逆变电路Cuk等人在1978年根据推挽电路的工作原理，提出了一种新型CUK组合式逆变器。该逆变器由两组电流可以双向流动的CUK变换器组成，负载跨接在两组CUK变换器的输出端。两组CUK变换器按照推挽电路工作原理对称工作，实现交流电压的稳定输出。76第七十六页，共107页。2.4逆变电路双半桥变换双DC变换式逆变的典型电路可用双Buck、双Boost、双Buck-Boost、双半桥等组成

双Buck变换双Boost变换双Buck-Boost变换77第七十七页，共107页。2.4逆变电路电压方向变换单DC变换式逆变由单级DC－DC变换器将输出电压控制为连续的正弦半波后级将连续正弦半波进行换向，使输出称为正负对称的正弦波单Buck变换示例如下：

单Buck变换78第七十八页，共107页。2.4逆变电路高频链逆变电路为了实现逆变器的高性能和小型化，Espelage于1977年提出了可变高频环节逆变技术新概念基本原理是将负载端工频变压器的变压功能转移到直流环节由高频变压器实现。解决变压器体积和重量问题；当然，这也使逆变器的结构复杂，成本增加，电路的可靠性和效率下降。逆变电路结构如下：79第七十九页，共107页。2.5交流变换电路AC→AC电路分为交流调压电路、交交变频电路两种方式概述交流调压电路：只改变输出大小，而不改变输出频率，主要应用场所为灯光控制、电机软启动、TCR、变压器一次调压移相调压方式：晶闸管移相触发方式调节输出电压斩控调压方式：全控开关器件，PWM方式调节输出电压调功方式：晶闸管通断方式调节输出功率，（晶闸管过零触发）交交变频电路：改变输出频率，输出电压也可以随之改变，主要应用于大功率电机的变频调速移相方式：晶闸管移相触发方式矩阵变换方式：全控开关器件，PWM方式80第八十页，共107页。a的移相范围应为j

≤a

≤π特点：谐波大、功率因数低0.6Ou1

u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1

G1uG2OOwtwt阻感负载单相交流调压电路波形VT12.5交流变换电路Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt电阻负载单相交流调压电路波形交流调压电路晶闸管单相交流调压两个晶闸管反并联组成调压开关；晶闸管采用移相触发方式工作；输出电压随移相触发角变化；81第八十一页，共107页。斩控式交流调压斩控式交流调压2.5交流变换电路采用全控开关器件，为双向开关开关高频PWM调制电源正半周：V1和V3互补导通，V1斩波，V3续流电源负半周：V2和V4互补导通，V2斩波，V4续流输出电压正比于PWM占空比双向开关82第八十二页，共107页。特点斩控式交流调压电路波形2.5交流变换电路电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1。电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波。功率因数接近1。83第八十三页，共107页。2.5交流变换电路交流调功电路相同点

电路形式完全相同不同点

控制方式不同晶闸管触发方式：调压电路采用移相触发，谐波含量大；调功电路采用过零触发，无工频谐波污染。交流调压电路在每个电源周期都对输出电压波形进行控制。交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,在断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。84第八十四页，共107页。2.5交流变换电路三相交流调压电路三相交流调压电路a)星形联结b)线路控制三角形联结c)支路控制三角形联结d)中点控制三角形联结85第八十五页，共107页。基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120°工作。基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线。功率因数接近1。问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍次谐波电流。a＝90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。三相四线运行三相交流调压电路a)星形联结4.1.2三相交流调压电路86第八十六页，共107页。三相交流调压电路a)星形联结4.1.2三相交流调压电路任一相导通须和另一相构成回路。电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发。触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT1～VT6,依次相差60°。相电压过零点定为a的起点，a角移相范围是0°～150°。三相三线运行87第八十七页，共107页。4.1.2三相交流调压电路a=0°时：三管全导通，三相运行在完整正弦波状态；0°≤a<60°：三管导通与两管导通交替，每管导通180°－a。任一相导通须和另一相构成回路。60°≤a<90°：两管导通，每管导通120°。任一相导通须和另一相构成回路。90°≤a<150°：两管导通与无晶闸管导通交替，每管导通300°－2a。电流谐波次数为6k±1(k=1，2，3，…)，和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同。谐波次数越低，含量越大。和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。88第八十八页，共107页。支路控制三角连接电路

支路控制三角形联结的三相交流调压4.1.2三相交流调压电路由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电压作用下工作。单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用。输入线电流（即电源电流）为与该线相连的两负载相电流之和。3倍次谐波相位和大小相同，在三角形回路中流动，而不出现在线电流中。线电流谐波次数为6k±1(k为正整数)；在相同负载和a角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路89第八十九页，共107页。2.5交流变换电路交交变频电路晶闸管单相交交变频单相交交变频电路由P组和N组反并联的晶闸管可控整流电路构成；晶闸管采用移相触发方式工作；触发角采用余弦调制方式，使整流输出电压的值按接近正弦变化；输出电压频率由两组切换频率决定；输出频率越低，整流电路分段数越多，输出谐波含量越小90第九十页，共107页。交交变频的整流和逆变工作状态2.5交流变换电路交交变频电路理想化，可等效成正弦波交流电源和二极管的串联。设负载阻抗角为j

，则输出电流滞后输出电压j角。两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关。工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定。91第九十一页，共107页。当uo和io的相位差小于90°时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，电动机工作在电动状态。当二者相位差大于90°时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段。图4-20单相交交变频电路输出电压和电流波形第1段

io

<0，

uo

>0，反组逆变第2段电流过零，为无环流死区第3段

io>0，

uo>0，正组整流

第4段

io>0，uo

<0，正组逆变

第5段又是无环流死区

第6段

io

<0，uo

<0，为反组整流

2.5交流变换电路92第九十二页，共107页。晶闸管交交变频电路的特点2.5交流变换电路输出频率有限制，当采用6脉波三相桥式电路时，不高于电网频率的1/3~1/2。电网频率为50Hz时，约为20Hz。输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率fi以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率fo有关。采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为：6fi±fo，6fi±3fo，6fi±5fo，…12fi±fo，12fi±3fo，12fi±5fo，…输入电流相位滞后于输入电压，输入功率因数低。输入电流波形谐波含量大，且频谱复杂，含：93第九十三页，共107页。2.5交流变换电路晶闸管三相交交变频由三组输出电压相位各差120°的单相交交变频电路组成。应用于大功率交流电机调速系统。公共交流母线进线方式输出星形联结方式94第九十四页，共107页。2.5交流变换电路基本思路各相输出的是相电压，而加在负载上的是线电压。在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频率的谐波分量，它们都不会在线电压中反映出来，因而也加不到负载上。利用这一特性可以使输入功率因数得到改善并提高输出电压。直流偏置负载电动机低速运