第4章_DC-AC变换技术

1、1第第4章章 DC-ACDC-AC变换技术变换技术24.1 4.1.1 逆变电路的概念及应用逆变电路的概念及应用4.1.3 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理4.1.2 换流方式换流方式34.1.1 逆变的概念逆变的概念 与整流相对应，将与整流相对应，将直流电直流电变成变成交流电交流电，实现，实现DC/AC变换。变换。 交流侧接电网，为交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。 交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变无源逆变。 如果不加说明，逆变电路一般多指无源逆变电路。如果不加说明，逆变电路一般多指无源逆变电路。逆变与变频逆变与变频 变频电路：分为变频电路：分为交交变频交交变频和和交直交

2、变频交直交变频两种。两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。是逆变。主要应用主要应用 在已有的各种电源中，如蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电在已有的各种电源中，如蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。 不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。 交流电机调速用变频器、家用电器等。交流电机调速用变频器、家用电器等

3、。 有源逆变电路常用于直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机的有源逆变电路常用于直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机的串级调速以及高压直流输电等方面。串级调速以及高压直流输电等方面。44.1.3 以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 S1S4是桥式电路的是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 负载（a）（b）tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2 S1、S4闭合，闭合，S2、S3断开时，断开时，uo为正；为正；S1、S4断开，断开，S2、S3闭合时，闭合时，uo为负，这样就把直流电变成

4、了交流电。为负，这样就把直流电变成了交流电。 改变改变两组开关的切换频率两组开关的切换频率，即可改变输出，即可改变输出交流电的频率交流电的频率。 电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流io和和uo的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，阻感负载时，io相位滞后于相位滞后于uo，波形也不同。，波形也不同。图图4-3 逆变电路原理图及波形逆变电路原理图及波形 4.1.2 换流方式换流方式换流换流 电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相换相。 研究换流方式主要是研究研究换流方式主要是研究如何使器件关断如何使器件关断。换流方

5、式分为以下四种换流方式分为以下四种 器件换流（器件换流（Device Commutation） 利用利用全控型器件的自关断能力全控型器件的自关断能力进行换流。进行换流。 在采用在采用IGBT 、电力、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。器件的电路中的换流方式是器件换流。 电网换流（电网换流（Line Commutation） 电网电网提供提供换流电压换流电压的换流方式。的换流方式。 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断（如第（如第3章介绍的可控整流电路）章介绍的可控整流电路）。不需要器

6、件具有门极可关。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。4.1.2 换流方式换流方式 t t t tOOOOiit1b)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4负载换流（负载换流（Load Commutation） 由由负载负载提供提供换流电压换流电压的换流方式。的换流方式。 负载负载电流电流的的相位超前相位超前于负载于负载电压电压的场的场合，都可实现负载换流，如电容性负载和合，都可实现负载换流，如电容性负载和同步电动机。同步电动机。 左图是基本的负载换流逆变电路，整左图是基本的负载换流逆变

7、电路，整个负载工作在接近个负载工作在接近并联谐振状态并联谐振状态而略呈而略呈容容性性，直流侧串大电感，工作过程可认为，直流侧串大电感，工作过程可认为id基本没有脉动。基本没有脉动。 负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以小，所以uo接近接近正弦波正弦波。 注意触发注意触发VT2、VT3的时刻的时刻t1必须在必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。利完成。4.1.2 换流方式换流方式强迫换流（强迫换流（Forced Commutation） 设置设置附加的换流电路附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫，给欲关断的晶

8、闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为此也称为电容换流电容换流。 分类分类 电压强迫换流电压强迫换流：由换流电路内电容直接提供：由换流电路内电容直接提供换流电压。换流电压。 电流强迫换流电流强迫换流：通过换流电路内的电容和电：通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。感的耦合来提供换流电压或换流电流。 电压强迫换流电压强迫换流 如图如图4-1，当晶闸管，当晶闸管VT处于通态时，预先给电处于通态时，预先给电容充电。当容充电。当S合上，就可使合

9、上，就可使VT被施加反压而关断。被施加反压而关断。 也叫直接耦合式强迫换流。也叫直接耦合式强迫换流。 图图4-1 电压强迫换电压强迫换流电路原理图流电路原理图 4.1.2 换流方式换流方式图图4-2 电流强迫换流电路原理图电流强迫换流电路原理图 电流强迫换流电流强迫换流 图图4-4a中晶闸管在中晶闸管在LC振荡振荡第一个半第一个半周期周期内关断，图内关断，图4-4b中晶闸管在中晶闸管在LC振荡振荡第二个半周期第二个半周期内关断，注意两图中电容内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。所充的电压极性不同。 在这两种情况下，晶闸管都是在正向在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过

10、电流时关电流减至零且二极管开始流过电流时关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。上的反向电压。 也叫电感耦合式强迫换流。也叫电感耦合式强迫换流。换流方式总结换流方式总结 器件换流器件换流只适用于只适用于全控型器件全控型器件，其余三种方式主要是针对，其余三种方式主要是针对晶闸管晶闸管而言的。而言的。 器件换流和强迫换流属于器件换流和强迫换流属于自换流自换流，电网换流和负载换流属于，电网换流和负载换流属于外部换流外部换流。 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，

11、则称为变为零，则称为熄灭熄灭。 94.2 4.2 相控有源相控有源4.2.1 有源逆变的工作原理和实现的条件有源逆变的工作原理和实现的条件4.2.2 三相相控有源逆变电路三相相控有源逆变电路4.2.3 逆变失败及最小逆变角的限制逆变失败及最小逆变角的限制104.2.1 有源逆变的工作原理和实现的条件有源逆变的工作原理和实现的条件1、电路工作于整流状态，提升重物、电路工作于整流状态，提升重物图图4-4，图，图4-5 单相桥式相控整流电路原理图（提升重物）及工作波形单相桥式相控整流电路原理图（提升重物）及工作波形 电动机电动机M作作电动机电动机运行，相控电路应工作在运行，相控电路应工作在整流状态整

12、流状态， 的范围在的范围在0 /2间，直流侧输出间，直流侧输出Ud为正值，并且为正值，并且UdEM，交流电网输出电功率，交流电网输出电功率，电动机则输入电功率。电动机则输入电功率。 REUIddcos9 .02UUd114.2.1 有源逆变的工作原理和实现的条件有源逆变的工作原理和实现的条件2、电路工作于逆变状态，下放重物、电路工作于逆变状态，下放重物图图4-6，图，图4-7 单相桥式相控有源逆变电路原理图（下放重物）及工作波形单相桥式相控有源逆变电路原理图（下放重物）及工作波形 REUIddcos9 .02UUd 电动机电动机M作作发电回馈制动发电回馈制动运行，由于晶闸管器件的运行，由于晶闸

13、管器件的单向导电性单向导电性，电路内电路内Id的方向依然不变，的方向依然不变， 而而M轴上输入的机械能转变为电能反送给轴上输入的机械能转变为电能反送给G，只能改变只能改变EM的极性的极性，为了避免两电动势顺向串联，为了避免两电动势顺向串联，Ud的极性的极性也必须反也必须反过来，故过来，故 的范围在的范围在 /2 ，且，且|EM|Ud|。产生逆变的条件产生逆变的条件 要有要有直流电动势直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。于变流器直流侧的平均电压。 要求晶闸管的控制角要求晶闸管的控制角 /2，使，使Ud为负值。为负

14、值。 两者必须同时具备才能实现有源逆变。两者必须同时具备才能实现有源逆变。半控桥或有续流二极管的电路半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压，因其整流电压ud不能出现负值，也不不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变，欲实现有源允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变，欲实现有源逆变，只能采用逆变，只能采用全控电路全控电路。逆变角逆变角 通常把通常把 /2时的控制角用时的控制角用 - = 表示，表示， 称为逆变角称为逆变角。 的大小自的大小自 =0的起始点向的起始点向左方左方计量。计量。4.2.1 有源逆变的工作原理和实现的条件有源逆变的工作原理和实现的条件c

15、os9 . 0)cos(9 . 0cos9 . 022UUUd（4-2） 移相范围：移相范围：90 180 ； 移相范围：移相范围：090 4.2.2 三相相控有源逆变电路三相相控有源逆变电路1、三相半波有源逆变电路、三相半波有源逆变电路图图4-8 三相半波有源逆变电路三相半波有源逆变电路90，|E|Ud| ：Ud= 1.17U2 cos=-1.17U2cos（4-3）RUEIdd（4-4）uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtO =4 =3 =

16、6 =4 =3 =6wt1wt3wt2图图4-10 三相桥式相控有源逆变电路工作波形三相桥式相控有源逆变电路工作波形 4.2.2 三相相控有源逆变电路三相相控有源逆变电路2、三相桥式相控有源逆变电路、三相桥式相控有源逆变电路REUIddddVTIIII816. 03222IIIddVT577. 03基本的数量关系基本的数量关系 三相桥式电路的输出电压三相桥式电路的输出电压Ud=-2.34U2cos =-1.35U2Lcos 输出直流电流的平均值输出直流电流的平均值 流过晶闸管的电流有效值流过晶闸管的电流有效值变压器二次侧线电流的有效值变压器二次侧线电流的有效值 4.2.2 三相相控有源逆变电路

17、三相相控有源逆变电路4.2.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，形成很大的短路电流，变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，形成很大的短路电流，这种情况称为这种情况称为逆变失败逆变失败，或称为，或称为逆变颠覆逆变颠覆。逆变失败的原因逆变失败的原因 触发电路触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉工作不可靠，不能

18、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。冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。 晶闸管晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。发生故障，该断时不断，或该通时不通。 交流电源交流电源缺相或突然消失。缺相或突然消失。 逆变角逆变角取值过小，致使取值过小，致使换相的换相的裕量角裕量角不足，引起换相失败。不足，引起换相失败。图图4-11 触发脉冲丢失造成逆变失败触发脉冲丢失造成逆变失败 4.2.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制udOOidwtwtuaubucuaubpg giVT1iVTiVT3iVTiVT322图图4-1

19、2 交流侧电抗对逆交流侧电抗对逆变换相过程的影响变换相过程的影响 考虑变压器漏抗引起重叠角对逆考虑变压器漏抗引起重叠角对逆变电路换相的影响变电路换相的影响 以以VT3和和VT1的换相过程来分析，的换相过程来分析，在在 g g 时，经过换相过程后，时，经过换相过程后，a相电相电压压ua仍高于仍高于c相电压相电压uc，所以换相结，所以换相结束时，能使束时，能使VT3承受反压而承受反压而关断关断。 当当 g g 时，换相尚未结束，电时，换相尚未结束，电路的工作状态到达自然换相点路的工作状态到达自然换相点p点之点之后，后，uc将高于将高于ua，晶闸管，晶闸管VT1承受反承受反压而重新压而重新关断关断，

20、使得应该关断的，使得应该关断的VT3不能关断却继续不能关断却继续导通导通，且，且c相电压随相电压随着时间的推迟愈来愈高，电动势着时间的推迟愈来愈高，电动势顺顺向串联向串联导致逆变失败。导致逆变失败。 为了防止逆变失败，不仅逆变为了防止逆变失败，不仅逆变角角 不能等于零，而且不能太小，必不能等于零，而且不能太小，必须限制在某一允许的须限制在某一允许的最小角度最小角度内。内。 4.2.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制gminmUXIBdgsin2)cos(cos2确定最小逆变角确定最小逆变角 min的依据的依据 逆变时允许采用的逆变时允许采用的最小逆变角最小逆变角 应为应为

21、 为晶闸管的关断时间为晶闸管的关断时间tq折合的电角度折合的电角度,约约4 5 g g为换相重叠角，可查阅相关手册，也可根据下列式子计算，即为换相重叠角，可查阅相关手册，也可根据下列式子计算，即 为安全裕量角，主要针对脉冲不对称程度（一般可达为安全裕量角，主要针对脉冲不对称程度（一般可达5 ），约取为），约取为10 。设计逆变电路时，必须保证设计逆变电路时，必须保证 ，因此常在触发电路中附加，因此常在触发电路中附加一保护环节，保证触发脉冲不进入小于一保护环节，保证触发脉冲不进入小于 min的区域内。的区域内。 min（4-5）194.3 4.3 单相无源逆变电路单相无源逆变电路4.3.1 电压

22、型单相无源逆变电路电压型单相无源逆变电路4.3.2 电流型单相无源逆变电路电流型单相无源逆变电路204.3.1 电压型单相无源逆变电路电压型单相无源逆变电路根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类 电压型电压型逆变电路：直流侧是电压源。逆变电路：直流侧是电压源。 电流型电流型逆变电路：直流侧是电流源。逆变电路：直流侧是电流源。电压型逆变电路的特点电压型逆变电路的特点 直流侧为直流侧为电压源电压源或并联或并联大电容大电容，直流侧电压基本无脉动。，直流侧电压基本无脉动。 由于直流电压源的由于直流电压源的钳位作用钳位作用，输出电压为，输出电压为矩形波矩形波，输出电

23、流因负，输出电流因负载阻抗不同而不同。载阻抗不同而不同。 阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管反馈二极管。214.3.1 电压型单相无源逆变电路电压型单相无源逆变电路图图4-14 电压型单相全桥逆变电路原理图与工作波形电压型单相全桥逆变电路原理图与工作波形224.3.1 电压型单相无源逆变电路电压型单相无源逆变电路图图4-15 单相全桥逆变电路的移相调压方式单相全桥逆变电路的移相调压方式234.3.2 电流型单相无源逆变电路电流型单相无源逆变电路 t t

24、 t tOOOOiit1b)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4直流电源为直流电源为电流源电流源的逆变电路称为电的逆变电路称为电流型逆变电路。流型逆变电路。电流型逆变电路主要特点电流型逆变电路主要特点 直流侧串直流侧串大电感大电感，电流基本无脉动，电流基本无脉动，相当于电流源。相当于电流源。 交流输出电流为交流输出电流为矩形波矩形波，与负载阻，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同。不同而不同。 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，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。不必给开关器件反并联二极管

25、。电流型逆变电路中，采用电流型逆变电路中，采用半控型器件半控型器件的电路仍应用较多，换流方式有的电路仍应用较多，换流方式有负载换负载换流流、强迫换流强迫换流。补充补充 负载换流电路及其工作波形负载换流电路及其工作波形 244.4 4.4 三相无源逆变电路三相无源逆变电路4.4.1 电压型三相无源逆变电路电压型三相无源逆变电路4.4.2 电流型三相无源逆变电路电流型三相无源逆变电路254.4.1 电压型三相无源逆变电路电压型三相无源逆变电路三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路三相六拍三相六拍180导电方式导电方式 V1V6间隔间隔60o依次触通，依次触通，每次换流都是在同一相上下两臂之间每次换流都是

26、在同一相上下两臂之间进行，也称为进行，也称为纵向换流纵向换流。每只开关在一个周期内导电每只开关在一个周期内导电180 。 为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取电源的短路，要采取“先断后通先断后通”的方法。的方法。 同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 ，任一，任一瞬间有瞬间有三个桥臂三个桥臂同时导通。同时导通。 图图4-19 电压源三相桥式逆变电路电压源三相桥式逆变电路264.4.1 电压型三相无源逆变电路电压型三相无源逆变电路tOtOtOtOtO

27、tOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAOuAOuABiAiduBOuCOuOOUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-19 电压源三相桥式逆变电路工作波形电压源三相桥式逆变电路工作波形工作波形工作波形 对于对于U相输出来说，当桥臂相输出来说，当桥臂1导通时，导通时，uAO=Ud/2，当桥臂，当桥臂4导通导通时，时，uAO=-Ud/2，uAO的波形是的波形是幅幅值为值为Ud/2的矩形波的矩形波，V、W两相的两相的情况和情况和U相类似。相类似。 负载线电压负载线电压uAB、uBC、uCA可可由下式求出由下式求出ABAOBOBCBOCOCACOAOuuuuuuuuu(4-12) 274.4

28、.1 电压型三相无源逆变电路电压型三相无源逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAOuAOuABiAiduBOuCOuOOUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-19 电压源三相桥式逆变电路工作波形电压源三相桥式逆变电路工作波形负载各相的相电压分别为负载各相的相电压分别为 OOCOCOOOBOBOOOAOAOuuuuuuuuu可推得：可推得：)(31 CO BO AOOOuuuu负载参数已知时，可以由负载参数已知时，可以由uAO的的波形求出波形求出A相电流相电流iA的波形。的波形。 把桥臂把桥臂1、3、5的电流加起来，的电流加起来，就可得到直流侧电流就可得到

29、直流侧电流id的波形，如的波形，如图图4-19h所示，可以看出所示，可以看出id每隔每隔60脉动一次。脉动一次。 284.4.1 电压型三相无源逆变电路电压型三相无源逆变电路基本的数量关系基本的数量关系 把输出线电压把输出线电压uAB展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得 nktnntUtttttUuwwwwwwwsin)1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddAB输出线电压有效值输出线电压有效值UAB为为 d202ABAB817.0d21UtuUw其中基波幅值其中基波幅值UAB1m和基波有效值和基波有效值UAB1分别为分别为 ddAB1m1 .132UUU(4-18) (4-16) ddAB1mAB178. 062UUUU(4-17) 把把uAO展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得 ntnntUtttttUuwwwwwwwsin1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2ddAO 式中，式中， ，k为自然数。为自然数。16 kn 负载相电压有效值负载相电压有效值UAO为为d202AOAO472.0d21UtuUw 其中基波幅值其中基波幅值UAO1m和基波有效值和基波有效值UAO1分别为分别为ddAO1m637.02U