第五章 DC-AC變換電路(1)

第五章DC-AC變換電路1。定義：DC→AC

直流電變?yōu)榻涣麟姷碾娐贩Q為逆變電路2。有源逆變：交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)。交流電網(wǎng)←晶閘管電路←直流電動機特點：只改變電壓，不改變頻率；能量→電網(wǎng)

3。無源逆變：變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負載直流電源→晶閘管電路→交流負載特點：既改變電壓，又可改變頻率；能量→負載

有源逆變電路無源逆變電路有源逆變電路逆變的概念三相有源逆變電路逆變失敗及最小逆變角的限制5.1有源逆變的基本原理一、電能的流轉(zhuǎn)1°兩個電勢源同極性相接時，電流總是從電勢高的流向電勢低的，其值大小取決于電勢差和回路總電阻。2°電流由電勢源正極流出的為輸出功率；電流由電勢源正極流入的為輸入功率。3°順向串聯(lián)時，電源短路，應(yīng)防止出現(xiàn)該情況。5.1有源逆變的基本原理二、逆變產(chǎn)生的條件：1。外部條件：必須要有直流電動勢，其極性和晶閘管導(dǎo)通的方向一致，|EM|>|Ud|2。內(nèi)部條件：要求晶閘管的控制角α＞π/2，使Ud為負值。兩者必須同時具備才能實現(xiàn)有源逆變。例：判斷下列電路能否逆變？1、單相全控橋式電路，U2=100V，E=-70V,α=120

2、單相全控橋式電路，U2=100V，E=-30V,α=120

3、單相半控橋式電路，U2=100V，E=-70V,α=120

4、如圖所示電路，U2=100V，E=-70V,α=120

注意：半控橋或有續(xù)流二極管的電路不能實現(xiàn)有源逆變。5.2有源逆變應(yīng)用電路Ud=Ud0cosα

0＜α＜π/2Ud＞0整流

π/2＜α＜πUd＜0逆變逆變角β：以α=π為計量起始點，向左度量。即：π-α=β，π/2＜α＜π即0＜β＜π/2∴

Ud=Ud0cosα=-Ud0cosβ一、三相半波逆變電路二、三相橋式逆變電路5.2有源逆變應(yīng)用電路1、輸出電壓平均值的近似計算和整流時一樣。2、電流計算

三相半波電路三相全控橋式電路

5.2有源逆變應(yīng)用電路3、功率計算

4、逆變時的功率因素5、考慮變壓器漏抗逆變失敗及最小逆變角的限制三、逆變失敗的原因逆變失?。孀冾嵏玻?/p>

逆變時，一旦換相失敗，外接直流電源就會通過晶閘管電路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變成順向串聯(lián)，形成很大短路電流。1。觸發(fā)電路工作不可靠（脈沖丟失、脈沖延時、脈沖次序顛倒等）2。晶閘管發(fā)生故障3。交流電源發(fā)生缺相或突然消失4。換相的裕量角不足逆變失敗及最小逆變角的限制換相重疊角的影響：當(dāng)b>g時，換相結(jié)束時，晶閘管能承受反壓而關(guān)斷。如果b<g時（從圖2-47右下角的波形中可清楚地看到），該通的晶閘管（VT1）會關(guān)斷，而應(yīng)關(guān)斷的晶閘管（VT3)不能關(guān)斷，最終導(dǎo)致逆變失敗。

逆變失敗及最小逆變角的限制四、最小逆變角的確定βmin=δ+γ+θ′δ：關(guān)斷時間折合的電角度4°~5°γ：重疊換相角15°~20°θ′：安全裕量角10°∴βmin一般取30°~35°作業(yè)：1、三相全控橋變流器，反電動勢阻感負載，R=1Ω，L=∞，U2=220V，LB=1mH，當(dāng)EM=-400V，β=60

時求Ud、Id與γ

的值，此時送回電網(wǎng)的有功功率是多少？2、單相全控橋，反電動勢阻感負載，R=1Ω，L=∞，U2=100V，LB=0.5mH，當(dāng)EM=-99V，β=60

時求Ud、Id和γ的值。無源逆變電路：要求：1。四種換流方式

2。電壓型逆變器的特點及單相和三相電壓型逆變電路

3。電流型逆變器的特點及并聯(lián)諧振式逆變電路和三相串聯(lián)二極管式逆變電路變頻方法：①交—交變頻（直接變頻）②交—直—交變頻（間接變頻）用途：1、蓄電池、太陽能電池等直流電源，通過無源逆變電路給交流負載供電

2、電網(wǎng)的50Hz電源不能滿足特殊要求

3、滿足負載的嚴格要求

4、交流電動機的變頻調(diào)速工業(yè)用特殊電源：1。變頻變壓電源（VVVF電源）

VariableVoltageVariableFrequency

交流電動機的交流調(diào)速（變頻器）2。恒頻恒壓電源（CVCF電源）

ConstantVoltageConstantFrequency不間斷電源UPS3。感應(yīng)加熱用交流電源5.3無源逆變電路一、逆變電路的基本工作原理無源逆變電路二、換流方式分類一、逆變電路的基本工作原理負載

S3S4

S1

S2Ud改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率二、換流方法分類換流（換相）：電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程使其導(dǎo)通：給控制極適當(dāng)?shù)男盘柺蛊潢P(guān)斷：（1）半控器件——外部條件or一定措施（2）全控器件——用控制極信號二、換流方法分類1。器件換流（DeviceCommutation）利用全控器件自關(guān)斷能力用于采用全控器件（GTO、GTR、電力MOSFET、IGBT）的電路2。電網(wǎng)換流（LineCommutation）由電網(wǎng)提供換流電壓用于整流、有源逆變、交交變頻、交流調(diào)壓二、換流方法分類3。負載換流（LoadCommutation）由負載提供換流電壓用于負載電流的相位超前負載電壓的場合4。強迫換流（ForcedCommutation）——電容換相設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的器件強迫施加反向電壓或反向電流——通過換流電路內(nèi)電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流兩種電感耦合式強迫換流：強迫換流逆變電路直接耦合式強迫換流電感耦合式強迫換流——由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓VT通態(tài)時，先給電容C充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關(guān)斷圖5-9a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷圖5-9b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內(nèi)關(guān)斷先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加

反壓的換流叫電流換流給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流也叫電壓換流換流方式小結(jié)：器件換流——適用于全控型器件其余三種方式——針對晶閘管器件換流和強迫換流——屬于自換流電網(wǎng)換流和負載換流——外部換流當(dāng)電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅5.4電壓型和電流型逆變器1一、電壓型和電流型逆變器的特點2二、三相電壓型逆變電路4四、三相電流型逆變電路3三、單相電流型逆變電路逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路電流型逆變電路或電流源型逆變電路電壓型逆變電路（VSTI）一、主要特點1）直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗2）交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并與負載阻抗角無關(guān)。3）直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各橋臂都并聯(lián)反饋二極管。電壓型逆變電路（VSTI）二、單相電壓型逆變電路

——半橋逆變電路1、電路結(jié)構(gòu)及工作原理（器件換流）2、VD1、VD2——反饋二極管（續(xù)流二極管）（1）為負載向直流側(cè)反饋能量提供通道（2）使負載電流連續(xù)電壓型逆變電路（VSTI）三、三相電壓型逆變電路1、電路結(jié)構(gòu)電壓型逆變電路（VSTI）三、三相電壓型逆變電路2、工作特點（1）觸發(fā)順序為V1→V2→…→V6，每隔60°發(fā)出一個脈沖（2）換相總是在同相之間進行——縱向換流（3）在任一瞬間有三個橋臂同時導(dǎo)通，每個橋臂一個周期內(nèi)導(dǎo)通180°3、輸出電壓波形電壓型逆變電路（VSTI）總結(jié)：（電壓型逆變電路應(yīng)掌握以下問題）1。電壓型逆變電路的主要特點2。單相電壓型逆變電路的工作原理3。三相電壓型逆變電路的工作特點4。三相電壓型逆變電路輸出電壓計算作業(yè)：由IGBT構(gòu)成的三相電壓型逆變電路，已知，現(xiàn)在是VT3、VT4、VT5導(dǎo)通，問下一步應(yīng)觸發(fā)哪一個管子，關(guān)斷哪一個管子，換流結(jié)束后，在圖中標出負載電流方向，及此時三相相電壓值。電流型逆變器(CSTI)要求：1、了解電流型逆變器的特點

2、單相電流型逆變電路——并聯(lián)諧振式逆變器

3、三相電流型逆變電路——串聯(lián)二極管式電流型逆變器電流型逆變器(CSTI)一、電流型逆變器的主要特點1、直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源。直流電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。2、交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負載阻抗角無關(guān)。3、直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。但其不必像電壓型逆變電路給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變器(CSTI)二、單相電流型逆變電路

——并聯(lián)諧振式逆變電路（一）電路結(jié)構(gòu)Ld：濾波、交流隔離VT1~VT4：主逆變晶閘管LT1~LT4：限制SCR開通時的di/dtC：補償電容L、R：負載+-電流型逆變器(CSTI)二、單相電流型逆變電路

——并聯(lián)諧振式逆變電路（二）工作原理——負載換流負載電路總體工作在容性小失諧的情況下注意以下時間：1）換流時間tγ=t4-t22）反壓時間tβ=t5-t4>tq3）觸發(fā)引前時間tδ=t5-t2=tγ+tβ

4）io超前于uo的時間tφ=t5-t3=tγ/2+tβ∴功率因素角為φ=γ/2+β電流型逆變器(CSTI)小結(jié)：（并聯(lián)諧振式逆變電路應(yīng)掌握以下問題）1、并聯(lián)諧振式逆變器為保證換相應(yīng)滿足什么條件？（1）負載工作于容性小失諧情況（2）反壓時間tβ>關(guān)斷時間tq（3）tδ=tγ+tβ

2、并聯(lián)諧振式逆變器的換流方式——負載換流3、并聯(lián)諧振式逆變器的電流、電壓波形及四個時間電流型逆變器(CSTI)三、三相電流型逆變電路——串聯(lián)二極管式電流型逆變電路（一）電路結(jié)構(gòu)L：濾波電感VT1~VT6：逆變橋C1~C6：換流電容VD1~VD6：隔離二極管——防止C對負載放電+-+-0+-+-0電流型逆變器(CSTI)三、三相電流型逆變電路——串聯(lián)二極管式電流型逆變電路（二）工作特點（強迫換流）1、按VT1→VT6的順序觸發(fā)，每隔60°發(fā)出一個脈沖；2、換相總是在不同相之間進行——橫向換相；3、任何時刻只有兩個器件導(dǎo)通，一個共陽極組，一個共陰極組，每個器件導(dǎo)電角120°。電流型逆變器(CSTI)三、三相電流型逆變電路——串聯(lián)二極管式電流型逆變電路（三）換流過程（強迫換流）換流電容上電壓穩(wěn)定后有以下規(guī)律：共陽極組：與導(dǎo)通的晶閘管相連的電容端為+，Uc=Uco

與不導(dǎo)通的晶閘管相連的電容Uc=0共陰極組：與導(dǎo)通的晶閘管相連的電容端為-，Uc=Uco

與不導(dǎo)通的晶閘管相連的電容Uc=0（a）VT1、VT2穩(wěn)定導(dǎo)通階段（b）恒流放電階段（c）二極管換流階段（d）VT2、VT3穩(wěn)定導(dǎo)通階段

+-三、三相電流型逆變電路——串聯(lián)二極管式電流型逆變電路（三）換流過程（強迫換流）電流型逆變器(CSTI)小結(jié)：串聯(lián)二極管式電流型逆變器應(yīng)掌握以下問題1、三相電流型逆變器的工作特點2、換相方式——強迫換流3、換流過程及電容上電壓和充放電電流作業(yè)：串聯(lián)二極管式電流型逆變電路（1）在圖中標出VT3、VT4導(dǎo)通時C1~C6的電壓極性及大?。唬?）下一步應(yīng)觸發(fā)哪個管子，關(guān)斷哪個管子；（3）換流過程中，C1、C3、C5的充放電電流分別為多少？第五節(jié)脈寬調(diào)制（PWM）型逆變電路1一、概述2二、PWM控制的基本原理3三、脈寬調(diào)制型逆變電路及其控制方法一、概述PWM（PulseWidthModulation）控制：就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。PWM控制的思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使得實現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。二、PWM控制的基本原理（一）面積等效原理——沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同1、沖量——窄脈沖面積2、效果基本相同——環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同3、舉例方波窄脈沖三角波窄脈沖單位沖擊函數(shù)正弦半波窄脈沖f(t)d

(t)tOa)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)圖6-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖i(t)e(t)實例電路輸入：e(t)電路輸出：i(t)（二）正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波SPWM波若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。（二）正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）

對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：

根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應(yīng)用中更為廣泛。OwtUd-UdOwtUd-Ud（二）正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）等幅PWM波不等幅PWM波輸入電源是恒定直流輸入電源是交流或不是恒定的直流直流斬波電路PWM逆變電路PWM整流電路斬控式交流調(diào)壓電路矩陣式變頻電路基于面積等效原理進行控制，本質(zhì)是相同的u0tEOwtUd-Ud（二）正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）

PWM電流波電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波

PWM波形可等效的各種波形直流斬波電路直流波形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“面積等效原理”三、脈寬調(diào)制型逆變電路及其控制方法（一）調(diào)制法產(chǎn)生PWM波形計算法:根據(jù)PWM的基本原理，如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的周波數(shù)，PWM波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。計算法很繁瑣，而且當(dāng)希望輸出的正弦波頻率，幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化。三、脈寬調(diào)制型逆變電路及其控制方法調(diào)制法:把希望輸出的波形作調(diào)制信號，通過對此信號波的得到所期望的PWM波采用等腰三角波或鋸齒波作為載波載波與平緩變化的調(diào)制信號相交，在交點時刻控制器件通斷，就得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求調(diào)制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波。三、脈寬調(diào)制型逆變電路及其控制方法1、單相橋式PWM逆變電路信號波載波調(diào)制電路工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補（1）單極性控制方式ur正半周，V1保持通，V2保持斷當(dāng)ur>uc時使V4通，V3斷，uo=Ud當(dāng)ur<uc時使V4斷，V3通，uo=0ur負半周，V1保持斷，V2保持通當(dāng)ur>uc時使V4通，V3斷，uo=0

當(dāng)ur<uc時使V4斷，V3通，uo=-Ud（2）雙極性控制方式當(dāng)ur

>uc時，給V1和V4導(dǎo)通信號，給V2和V3關(guān)斷信號uo=Ud當(dāng)ur<uc時，給V2和V3導(dǎo)通信號，給V1和V4關(guān)斷信號uo=-Ud2、三相橋式PWM逆變電路調(diào)制電路三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調(diào)制信號urU、urV和urW依次相差120°當(dāng)urU>uc時，給V1導(dǎo)通信號，給V4關(guān)斷信號，uUN’=Ud/2當(dāng)urU<uc時，給V4導(dǎo)通信號，給V1關(guān)斷信號，uUN’=-Ud/2uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有