第五章 直流－交流变换器

时，逆变电路一般多指无源逆变电路。 以图5-6的单相桥式逆变电路为例，图中S1～S4是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。nullS1、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null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、换流方式分类 二、换流方式分类 换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相 开通：适当的门极驱动信号就可使其开通 关断： 全控型器件可通过门极关断 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断 研究换流方式主要研究如何使器件关断 本部分换流及换流方式问题最为全面集中,因此在本部分讲述换流方式分类换流方式分类1. 器件换流2. 电网换流3. 负载换流利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Commutation）（Line Commutation）由电网提供换流电压称为电网换流 可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路 不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件（Load Commutation）由负载提供换流电压称为负载换流 负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流 负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流4. 强迫换流（Forced Commutation）设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流,通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流 总共有四种换流方式1. 器件换流2. 电网换流3. 负载换流4. 强迫换流null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 讨论：null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null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图5-8 直接耦合式强迫换流原理图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——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：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图5-9 电感耦合式强迫换流原理图给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图5-8） 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换流方式小结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，则称为熄灭第四节 电压型和电流型逆变器第四节 电压型和电流型逆变器一、电压型和电流型逆变器的特点一、电压型和电流型逆变器的特点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的特点 (1)  直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无 脉动 (2)  输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不 同 (3)  阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反 馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管电流型逆变电路主要特点电流型逆变电路主要特点(1) 直流侧串大电感，相当于电流源 (2) 交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同 (3) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多 换流方式有负载换流、强迫换流二、三相电压型逆变电路二、三相电压型逆变电路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 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。 波形分析图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null 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 定量分析输出线电压有效值 基波幅值 基波有效值1.输出线电压(5-22)(5-20)(5-21) 定量分析null负载相电压有效值 基波幅值 基波有效值 2.负载相电压uUN展开成傅里叶级数得(5-18)(5-16)(5-17)防止同一相上下两桥臂开关器件直通采取 “先断后通”的方法式中：三、单相电流型逆变电路三、单相电流型逆变电路电流型逆变电路直流电源为电流源的逆变电路一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似 看成直流电流源实例之一：电流型三相桥式逆变电路 吸收换流时 负载电感中存贮的能量null电流型逆变电路主要特点 (1) 直流侧串大电感，相当于电流源 (2) 交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因 负载不同而不同 (3) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关 器件反并联二极管 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍 应用较多 换流方式有负载换流、强迫换流 （一）电路构成 （一）电路构成 图5-12 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C C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（二）工作原理与波形分析（二）工作原理与波形分析图5-13 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null保证晶闸管的可靠关断（图5-13） 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tb tb= t5- t4应大于晶闸管的关断时间tq 图5-13 并联谐振式逆变电路工作波形 null为保证可靠换流应在uo过零前td= t5- t2时刻触发VT2、VT3 td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 （三）数值分析（三）数值分析 忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数 (5-26) 基波电流有效值 (5-27) 负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损 耗，忽略晶闸管压降） (5-28) null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，这种控制方式称为自励方式 固定工作频率的控制方式称为他励方式 自励方式存在起动问题，解决方法： 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，即预先给电容器充电，起动时将电容能量释放到负载上，形成衰减振荡，检测出振荡信号实现自励。四、三相电流型逆变电路四、三相电流型逆变电路电流型三相桥式逆变电路的输出波形 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 输出交流电流的基波有效值电流型三相桥式逆变电路（采用全控型器件）基本工作方式是120°导电方式—每个臂一周期内导电120°每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，横向换流null串联二极管式晶闸管逆变电路 主要用于中大功率交流电动机调速系统 电流型三相桥式逆变电路 各桥臂的晶闸管和二极管串联使用 120°导电工作方式，输出波形和图5-14的波形大体相同 强迫换流方式，电容C1~C6为换流电容 图5-14 串联二极管式晶闸管逆变电路 换流过程分析换流过程分析电容器充电规律： 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，（见图5-14） 图5-15 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null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null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稳定导通阶段波形分析波形分析 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－UC0 C3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 图5-16 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形第五节 脉宽调制（PWM）型逆变电路第五节 脉宽调制（PWM）型逆变电路一、概述一、概述PWM（Pulse Width Modulation）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。nullPWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。 早期的逆变电路所输出的波形都是矩形波或六拍阶梯波，这些波形含有较大的谐波成分，从而影响负载（尤其电动机负载）的工作性能。 由于其优良的性能，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。 除了全控器件未能及的大功率领域，不用PWM控制技术的逆变电路很少见了。 二、 PWM控制的基本原理 （一）面积等效原理 二、 PWM控制的基本原理 （一）面积等效原理 冲量指窄脉冲的面积指环节的输出响应波形基本相同（一）面积等效原理 null 实例以上实例说明了“面积等效原理”电路输入：e(t)电路输出：i(t)（二）正弦波脉宽调制（SPWM） （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 null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。null 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。null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null 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。null调制法: 把希望输出的波形作调制信号，通过对此信号波的调制 得到所期望的PWM波 采用等腰三角波或锯齿波作为载波 等腰三角波应用最多，因其任一点的水平宽度和高度成 线性关系且左右对称 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。1、单相桥式PWM逆变电路1、单相桥式PWM逆变电路 结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明图5-20 单相桥式PWM逆变电路工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补控制规律：以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断 负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一 段区间为正，一段区间为负负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于UdV4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=UdV4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0uo总可得到Ud和零两种电平uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平nullur正半周，V1保持通，V2保持断 当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud 当uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号 如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通， uo=Ud 当ur0，VD2和VD3通，uo=-Ud 动画null图5-22 双极性PWM控制方式波形 对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别 图5-21 单极性PWM控制方式波形动画2、三相桥式PWM型逆变电路2、三相桥式PWM型逆变电路双极性PWM控制方式（三相桥逆变） 图5-23 三相桥式PWM型逆变电路 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°下面以U相为例进行分析：动画控制规律控制规律图5-24 三相桥式PWM逆变电路波形 图5-23 三相桥式PWM型逆变电路 当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2当urU制度

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