第五章 DC-AC变换电路(2)

第五章DC-AC变换电路1。定义：DC→AC

直流电变为交流电的电路称为逆变电路2。有源逆变：交流侧和电网连结。交流电网←晶闸管电路←直流电动机特点：只改变电压，不改变频率；能量→电网

3。无源逆变：变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载直流电源→晶闸管电路→交流负载特点：既改变电压，又可改变频率；能量→负载

有源逆变电路无源逆变电路有源逆变电路逆变的概念三相有源逆变电路逆变失败及最小逆变角的限制

图5-1aM电动运转，EG>EM，电流Id从G流向M，M吸收电功率。RΣ为主回路总电阻。由于Id和EG同方向，与EM反方向，因此G输出电功率PG=EG·Id，电能由G流向M，M吸收功率PM=EM·Id，再转变为机械能，RΣ上是热耗。图5-1b回馈制动状态，M作发电运转，此时，EM>EG，电流反向，从M流向G。故M输出电功率，G则吸收电功率，M轴上输入的机械能转变为电能反送给G。图5-1c两电动势顺向串联，向电阻R供电，G和M均输出功率，由于R一般都很小，实际上形成短路，在工作中必须严防这类事故发生。åå5.1有源逆变的基本原理5.1有源逆变的基本原理一、电能的流转1°两个电势源同极性相接时，电流总是从电势高的流向电势低的，其值大小取决于电势差和回路总电阻。2°电流由电势源正极流出的为输出功率；电流由电势源正极流入的为输入功率。3°顺向串联时，电源短路，应防止出现该情况。以单相全波电路给直流电动机负载供电为例

图5-2a

M电动运行，全波电路工作在整流状态，

在0~/2间，Ud为正值，并且Ud

>EM，才能输出Id。交流电网输出电功率电动机输入电功率电动机输出电功率交流电网输入电功率

图5-2bM回馈制动，由于晶闸管的单向导电性，Id方向不变，欲改变电能的输送方向，只能改变EM极性。为了防止两电动势顺向串联，Ud极性也必须反过来，即Ud应为负值，且|EM

|>|Ud

|，才能把电能从直流侧送到交流侧,实现逆变。

Ud可通过改变

来进行调节，逆变状态时Ud为负值，逆变时在/2~间5.1有源逆变的基本原理5.1有源逆变的基本原理二、逆变产生的条件：1。外部条件：必须要有直流电动势，其极性和晶闸管导通的方向一致，|EM|>|Ud|2。内部条件：要求晶闸管的控制角α＞π/2，使Ud为负值。两者必须同时具备才能实现有源逆变。例：判断下列电路能否逆变？1、单相全控桥式电路，U2=100V，E=-70V,α=120

2、单相全控桥式电路，U2=100V，E=-30V,α=120

3、单相半控桥式电路，U2=100V，E=-70V,α=120

4、如图所示电路，U2=100V，E=-70V,α=120

注意：半控桥或有续流二极管的电路不能实现有源逆变。5.2有源逆变应用电路Ud=Ud0cosα

0＜α＜π/2Ud＞0整流

π/2＜α＜πUd＜0逆变逆变角β：以α=π为计量起始点，向左度量。即：π-α=β，π/2＜α＜π即0＜β＜π/2∴

Ud=Ud0cosα=-Ud0cosβ一、三相半波逆变电路二、三相桥式逆变电路5.2有源逆变应用电路1、输出电压平均值的近似计算和整流时一样。2、电流计算

三相半波电路三相全控桥式电路

5.2有源逆变应用电路3、功率计算

4、逆变时的功率因素5、考虑变压器漏抗逆变失败及最小逆变角的限制三、逆变失败的原因逆变失败（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。1。触发电路工作不可靠（脉冲丢失、脉冲延时、脉冲次序颠倒等）2。晶闸管发生故障3。交流电源发生缺相或突然消失4。换相的裕量角不足逆变失败及最小逆变角的限制换相重叠角的影响：当b>g时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。如果b<g时（从图2-47右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（VT1）会关断，而应关断的晶闸管（VT3)不能关断，最终导致逆变失败。

逆变失败及最小逆变角的限制四、最小逆变角的确定βmin=δ+γ+θ′δ：关断时间折合的电角度4°~5°γ：重叠换相角15°~20°θ′：安全裕量角10°∴βmin一般取30°~35°作业：1、三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，U2=220V，LB=1mH，当EM=-400V，β=60

时求Ud、Id与γ

的值，此时送回电网的有功功率是多少？2、单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，U2=100V，LB=0.5mH，当EM=-99V，β=60

时求Ud、Id和γ的值。无源逆变电路：要求：1。四种换流方式

2。电压型逆变器的特点及单相和三相电压型逆变电路

3。电流型逆变器的特点及并联谐振式逆变电路和三相串联二极管式逆变电路变频方法：①交—交变频（直接变频）②交—直—交变频（间接变频）用途：1、蓄电池、太阳能电池等直流电源，通过无源逆变电路给交流负载供电

2、电网的50Hz电源不能满足特殊要求

3、满足负载的严格要求

4、交流电动机的变频调速工业用特殊电源：1。变频变压电源（VVVF电源）

VariableVoltageVariableFrequency

交流电动机的交流调速（变频器）2。恒频恒压电源（CVCF电源）

ConstantVoltageConstantFrequency不间断电源UPS3。感应加热用交流电源5.3无源逆变电路一、逆变电路的基本工作原理无源逆变电路二、换流方式分类一、逆变电路的基本工作原理负载

S3S4

S1

S2Ud改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负直流交流改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同t1前：S1、S4通，uo和io均为正t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向

io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大过程分析：二、换流方法分类换流（换相）：电流从一个支路向另一个支路转移的过程使其导通：给控制极适当的信号使其关断：（1）半控器件——外部条件or一定措施（2）全控器件——用控制极信号二、换流方法分类1。器件换流（DeviceCommutation）利用全控器件自关断能力用于采用全控器件（GTO、GTR、电力MOSFET、IGBT）的电路2。电网换流（LineCommutation）由电网提供换流电压用于整流、有源逆变、交交变频、交流调压二、换流方法分类3。负载换流（LoadCommutation）由负载提供换流电压用于负载电流的相位超前负载电压的场合负载换流逆变电路：采用晶闸管负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入直流侧串入大电感Ld，

id基本没有脉动图5-7

负载换流电路及其工作波形

图5-7

负载换流电路及其工作波形

工作过程:4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uot1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成4。强迫换流（ForcedCommutation）——电容换相设置附加的换流电路，给欲关断的器件强迫施加反向电压或反向电流二、换流方法分类——通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流两种电感耦合式强迫换流：强迫换流逆变电路直接耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流——由换流电路内电容提供换流电压VT通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断图5-9a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断图5-9b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加

反压的换流叫电流换流给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流换流方式小结：器件换流——适用于全控型器件其余三种方式——针对晶闸管器件换流和强迫换流——属于自换流电网换流和负载换流——外部换流当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭5.4电压型和电流型逆变器1一、电压型和电流型逆变器的特点2二、三相电压型逆变电路4四、三相电流型逆变电路3三、单相电流型逆变电路逆变电路按其直流电源性质不同分为两种电压型逆变电路或电压源型逆变电路电流型逆变电路或电流源型逆变电路电压型逆变电路（VSTI）一、主要特点1）直流侧为电压源，或并联大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗2）交流侧输出电压波形为矩形波，并与负载阻抗角无关。3）直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各桥臂都并联反馈二极管。电压型逆变电路（VSTI）二、单相电压型逆变电路

——半桥逆变电路1、电路结构及工作原理（器件换流）2、VD1、VD2——反馈二极管（续流二极管）（1）为负载向直流侧反馈能量提供通道（2）使负载电流连续电压型逆变电路（VSTI）三、三相电压型逆变电路1、电路结构电压型逆变电路（VSTI）三、三相电压型逆变电路2、工作特点（1）触发顺序为V1→V2→…→V6，每隔60°发出一个脉冲（2）换相总是在同相之间进行——纵向换流（3）在任一瞬间有三个桥臂同时导通，每个桥臂一个周期内导通180°3、输出电压波形三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成图5-10三相电压型桥式逆变电路180°导电方式每桥臂导电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，也称为纵向换流注意:防止同一相上下两桥臂开关器件直通采取“先断后通”的方法图中VD1~VD6是负载向直流侧反馈能量的通道，故称为反馈二极管；又因为VD1~VD6起着使负载电流连续的作用，因此称为续流二极管。图5-11电压型三相桥式逆变电路的工作波形负载各相到电源中点N'的电压：U相，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2

负载线电压(5-11)

负载相电压(5-12)波形分析负载中点和电源中点间电压(5-13)利用式(5-12)和(5-14)可绘出uUN、uVN、uWN波形负载已知时，可由uUN波形求出iU波形一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点(5-14)负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是

电压型逆变电路（VSTI）总结：（电压型逆变电路应掌握以下问题）1。电压型逆变电路的主要特点2。单相电压型逆变电路的工作原理3。三相电压型逆变电路的工作特点4。三相电压型逆变电路输出电压计算作业：由IGBT构成的三相电压型逆变电路，已知，现在是VT3、VT4、VT5导通，问下一步应触发哪一个管子，关断哪一个管子，换流结束后，在图中标出负载电流方向，及此时三相相电压值。电流型逆变器(CSTI)要求：1、了解电流型逆变器的特点

2、单相电流型逆变电路——并联谐振式逆变器

3、三相电流型逆变电路——串联二极管式电流型逆变器电流型逆变器(CSTI)一、电流型逆变器的主要特点1、直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。2、交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。3、直流侧电感起缓冲无功能量的作用。但其不必像电压型逆变电路给开关器件反并联二极管。电流型逆变器(CSTI)二、单相电流型逆变电路

——并联谐振式逆变电路（一）电路结构Ld：滤波、交流隔离VT1~VT4：主逆变晶闸管LT1~LT4：限制SCR开通时的di/dtC：补偿电容L、R：负载+-单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路

4桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器LT，用来限制晶闸管开通时的di/dt1、4和2、3以1000~2500Hz的中频轮流导通，可得到中频交流电采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负载电压负载一般是电磁感应线圈，加热线圈内的钢料，R和L串联为其等效电路因功率因数很低，故并联CC和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，谐波在负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦电流型逆变器(CSTI)二、单相电流型逆变电路

——并联谐振式逆变电路（二）工作原理——负载换流负载电路总体工作在容性小失谐的情况下注意以下时间：1）换流时间tγ=t4-t22）反压时间tβ=t5-t4>tq3）触发引前时间tδ=t5-t2=tγ+tβ

4）io超前于uo的时间tφ=t5-t3=tγ/2+tβ∴功率因素角为φ=γ/2+β并联谐振式逆变电路工作波形

一周期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段t1~t2：VT1和VT4稳定导通阶段，iｏ=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压t2~t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程VT2、VT3电流有一个增大过程4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到Ct=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束t4－t2=tg

称为换流时间io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点保证晶闸管的可靠关断晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tbtb=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq并联谐振式逆变电路工作波形

为保证可靠换流应在uo过零前td=t5-t2时刻触发VT2、VT3td为触发引前时间

(5-23)io超前于uo的时间

(5-24)表示为电角度(5-25)w为电路工作角频率；g、b分别是tg、tb对应的电角度电流型逆变器(CSTI)小结：（并联谐振式逆变电路应掌握以下问题）1、并联谐振式逆变器为保证换相应满足什么条件？（1）负载工作于容性小失谐情况（2）反压时间tβ>关断时间tq（3）tδ=tγ+tβ

2、并联谐振式逆变器的换流方式——负载换流3、并联谐振式逆变器的电流、电压波形及四个时间电流型逆变器(CSTI)三、三相电流型逆变电路——串联二极管式电流型逆变电路（一）电路结构L：滤波电感VT1~VT6：逆变桥C1~C6：换流电容VD1~VD6：隔离二极管——防止C对负载放电+-+-0+-+-0电流型逆变器(CSTI)三、三相电流型逆变电路——串联二极管式电流型逆变电路（二）工作特点（强迫换流）1、按VT1→VT6的顺序触发，每隔60°发出一个脉冲；2、换相总是在不同相之间进行——横向换相；3、任何时刻只有两个器件导通，一个共阳极组，一个共阴极组，每个器件导电角120°。电流型逆变器(CSTI)三、三相电流型逆变电路——串联二极管式电流型逆变电路（三）换流过程（强迫换流）换流电容上电压稳定后有以下规律：共阳极组：与导通的晶闸管相连的电容端为+，Uc=Uco

与不导通的晶闸管相连的电容Uc=0共阴极组：与导通的晶闸管相连的电容端为-，Uc=Uco

与不导通的晶闸管相连的电容Uc=0电容器充电规律：等效换流电容概念：分析从VT1向VT3换流时，C13就是C3与C5串联后再与C1并联的等效电容换流过程各阶段的电流路径对共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零三、三相电流型逆变电路——串联二极管式电流型逆变电路（三）换流过程（强迫换流）从VT1向VT3换流的过程:假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负恒流放电阶段

t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于tq就能保证关断从VT1向VT3换流的过程:假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负二极管换流阶段t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。忽略负载电阻压降，则二极管VD3导通，电流为iV，VD1电流为iU=Id-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段随着C13电压增高，充电电流渐小，iV渐大，t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束

t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段电感负载时，uC13、iU、iV及uC1、uC3、uC5波形uC1的波形和uC13完全相同，从UC0降为－UC0C3和C5是串联后再和C1并联的，电压变化的幅度是C1的一半uC3从零变到-UC0，uC5从UC0变到零这些电压恰好符合相隔120°后从VT3到VT5换流时的要求串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形波形分析电流型逆变器(CSTI)小结：串联二极管式电流型逆变器应掌握以下问题1、三相电流型逆变器的工作特点2、换相方式——强迫换流3、换流过程及电容上电压和充放电电流作业：串联二极管式电流型逆变电路（1）在图中标出VT3、VT4导通时C1~C6的电压极性及大小；（2）下一步应触发哪个管子，关断哪个管子；（3）换流过程中，C1、C3、C5的充放电电流分别为多少？第五节脉宽调制（PWM）型逆变电路1一、概述2二、PWM控制的基本原理3三、脉宽调制型逆变电路及其控制方法一、概述PWM（PulseWidthModulation）控制：就是对脉冲宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。二、PWM控制的基本原理（一）面积等效原理——冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同1、冲量——窄脉冲面积2、效果基本相同——环节的输出响应波形基本相同3、举例方波窄脉冲三角波窄脉冲单位冲击函数正弦半波窄脉冲f(t)d

(t)tOa)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲i(t)e(t)实例电路输入：e(t)电路输出：i(t)（二）正弦波脉宽调制（SPWM）如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波SPWM波若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。（二）正弦波脉宽调制（SPWM）

对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：

根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。OwtUd-UdOwtUd-Ud（二）正弦波脉宽调制（SPWM）等幅PWM波不等幅PWM波输入电源是恒定直流输入电源是交流或不是恒定的直流直流斩波电路PWM逆变电路PWM整流电路斩控式交流调压电路矩阵式变频电路基于面积等效原理进行控制，本质是相同的u0tEOwtUd-Ud（二）正弦波脉宽调制（SPWM）

PWM电流波电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波

PWM波形可等效的各种波形直流斩波电路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:所需波形

等效的PWM波基于“面积等效原理”三、脉宽调制型逆变电路及其控制方法（一）调制法产生PWM波形计算法:根据PWM的基本原理，如果给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的周波数，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。计算法很繁琐，而且当希望输出的正弦波频率，幅值或相位变化时，结果都要变化。三、脉宽调制型逆变电路及其控制方法调制法:把希望输出的波形作调制信号，通过对此信号波的得到所期望的PWM波采用等腰三角波或锯齿波作为载波载波与平缓变化的调制信号相交，在交点时刻控制器件通断，就得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。三、脉宽调制型逆变电路及其控制方法1、单相桥式PWM逆变电路信号波载波调制电路工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补（1）单极性控制方式ur正半周，V1保持通，V2保持断当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0ur负半周，V1保持断，V2保持通当ur>uc时使V4通，V3断，uo=0

当ur<uc时使V4断，V3通，uo=-Ud（2）双极性控制方式当ur

>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号uo=Ud当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号uo=-Ud2、三相桥式PWM逆变电路调制电路三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°当urU>u