第4章

直流/交流變換器1

第4章

直流/交流變換器14直流/交流逆變器4.0換流方式4.1逆變器的類型和性能指標(biāo)4.2電壓型單相方波逆變電路工作原理4.3三相逆變電路工作原理4直流/交流逆變器4.0換流方式4.0換流方式4.0.0引言4.0.1

逆變電路的基本工作原理4.0.2

換流方式分類4.0.3PWM4.0換流方式4.0.0

引言逆變的概念逆變——與整流相對(duì)應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變。逆變與變頻變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。主要應(yīng)用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。4.0.0引言逆變的概念以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理4.0.1

逆變電路的基本工作原理逆變電路及其波形舉例負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1~S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理4.0.1逆S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正。S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)。直流電交流電S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正。直流電逆變電路最基本的工作原理

——改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。

逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同。逆變電路最基本的工作原理——改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸4.0.2換流方式分類換流——電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使器件開通。關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷。一般在晶閘管電流過零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。本章?lián)Q流及換流方式問題最為全面集中,因此安排在本章集中講述。4.0.2換流方式分類換流——電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路1)器件換流（DeviceCommutation）利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。在采用IGBT

、電力MOSFET

、GTO

、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2)

電網(wǎng)換流（LineCommutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3)

負(fù)載換流（LoadCommutation）4)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）1)器件換流（DeviceCommutation）

負(fù)載換流電路及其工作波形

由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。如圖是基本的負(fù)載換流電路，4個(gè)橋臂均由晶閘管組成。整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。直流側(cè)串電感，工作過程可認(rèn)為id

基本沒有脈動(dòng)。負(fù)載對(duì)基波的阻抗大而對(duì)諧波的阻抗小。所以u(píng)o接近正弦波。注意觸發(fā)VT2、VT3的時(shí)刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4負(fù)載換流電路由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。?t?t?t?4)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓直接耦合式強(qiáng)迫換流通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流電感耦合式強(qiáng)迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流。分類4)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）由換流電直接耦合式強(qiáng)迫換流當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容充電。當(dāng)S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。

也叫電壓換流。直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖

電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式強(qiáng)迫換流

先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓。也叫電流換流。直接耦合式強(qiáng)迫換流直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式4.0.3PWM所謂PWM就是在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖，以達(dá)到控制頻率、電壓、電流和抑制諧波的目的。4.0.3PWM所謂PWM就是在所需的頻率周期內(nèi)，將直流換流方式總結(jié)：器件換流——適用于全控型器件。其余三種方式——針對(duì)晶閘管。器件換流和強(qiáng)迫換流——屬于自換流。電網(wǎng)換流和負(fù)載換流——屬于外部換流。當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)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。換流方式總結(jié)：4.1逆變器的類型和性能指標(biāo)4.1.1逆變器的類型4.1.2逆變器輸出波形性能指標(biāo)4.1.3其他指標(biāo)4.1逆變器的類型和性能指標(biāo)4.1.1逆變器的類型4.1.1逆變器的類型電壓型逆變器VSI單相半橋單相全橋推挽逆變?nèi)鄻螂娏餍湍孀兤鰿SI

依據(jù)直流電源的特性不同可分為：按輸出電壓不同分為CVCF、VVVF、脈沖型按逆變器電路結(jié)構(gòu)不同分為：

按開關(guān)器件不同及換流關(guān)斷方式不同分類：自關(guān)斷、強(qiáng)迫關(guān)斷、有源逆變、負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)、負(fù)載諧振換流逆變器。4.1.1逆變器的類型電壓型逆變器VSI電壓型逆變器VSI電流型逆變器CSI電壓型逆變器VSI電流型逆變器CSIZDV3T4T3D4Db1T2T1D2Dadiai單相半橋單相全橋ZDV3T4T3D4Db1T2T1D2Dadiai單相半橋單電力電子DC-AC逆變講解課件4.1.2逆變器輸出波形性能指標(biāo)4.1.2逆變器輸出波形性能指標(biāo)4.1.2逆變器輸出波形性能指標(biāo)（續(xù)）畸變系數(shù)DF逆變電路輸出的n次諧波有效值Vn經(jīng)LC濾波后在負(fù)載上的n次諧波電壓VLn為:

4.1.2逆變器輸出波形性能指標(biāo)（續(xù)）畸變系數(shù)DF逆變電路4.1.3其他指標(biāo)逆變器的性能指標(biāo)除輸出波形性能指標(biāo)外，還應(yīng)包括：逆變效率單位重量（或單位體積）輸出功率可靠性指標(biāo)逆變器輸入直流電流中交流分量的數(shù)值和脈動(dòng)頻率電磁干擾EMI及電磁兼容性EMC4.1.3其他指標(biāo)逆變器的性能指標(biāo)除輸出波形性能指標(biāo)外，還4.2電壓型單相方波逆電路工作原理4.2.1電壓型單相全橋逆變電路4.2.2電壓型單相半橋逆變電路4.2.3變壓器中心抽頭推挽式(Push-Pull)單相逆變電路4.2電壓型單相方波逆電路工作原理4.2.1電壓型單相全4.2.1電壓型單相全橋逆變電路T1、T4與T2、T3

交替通、斷4.2.1電壓型單相全橋逆變電路T1、T4與T2、T34.2.1電壓型單相全橋逆變電路（續(xù)）不同負(fù)載時(shí)，D、T導(dǎo)電情況不同T導(dǎo)電供電，D導(dǎo)電續(xù)流（反回）電阻負(fù)載電感負(fù)載阻感負(fù)載4.2.1電壓型單相全橋逆變電路（續(xù)）不同負(fù)載時(shí)，D、T導(dǎo)4.2.2電壓型單相半橋逆變電路電容分壓，半橋電路T1、T2交替通、斷二級(jí)管D的功用R、L負(fù)載時(shí)，T、D交替導(dǎo)電4.2.2電壓型單相半橋逆變電路電容分壓，半橋電路4.2.2電壓型單相半橋逆變電路（續(xù)）4.2.2電壓型單相半橋逆變電路（續(xù)）4.2.3變壓器中心抽頭推挽式單相逆變電路

僅二個(gè)開關(guān)T1、T2輪流導(dǎo)電180度開關(guān)管斷態(tài)電壓高一倍2VD要輸出變壓器適用于低壓小功率、須隔離的應(yīng)用4.2.3變壓器中心抽頭推挽式單相逆變電路僅二個(gè)開關(guān)T4.3三相逆變電路工作原理4.3.1電壓型三相逆變工作原理4.3.2電流型三相逆變工作原理4.3三相逆變電路工作原理4.3.1電壓型三相逆變工作原4.3.1電壓型三相逆變工作原理三個(gè)相差120度的單相逆變器組成一個(gè)三相逆變器4.3.1電壓型三相逆變工作原理三個(gè)相差120度的單相逆變?nèi)齻€(gè)相差120度的單相逆變器組成一個(gè)三相逆變器

A相：T1、T4、T1’、T4’

B相：T3、T6、T3’、T6’C相：T5、T2、T5’、T2’三個(gè)相差120度的單相逆變器組成一個(gè)三相逆變器（2）三相橋式逆變器（2）三相橋式逆變器電力電子DC-AC逆變講解課件電力電子DC-AC逆變講解課件電力電子DC-AC逆變講解課件4.3.2電流型三相逆變工作原理L大，iD恒定120度導(dǎo)電模式，僅兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)電12，23，34，45，56，61，124.3.2電流型三相逆變工作原理L大，iD恒定三角形負(fù)載三角形負(fù)載

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直流/交流變換器38

第4章

直流/交流變換器14直流/交流逆變器4.0換流方式4.1逆變器的類型和性能指標(biāo)4.2電壓型單相方波逆變電路工作原理4.3三相逆變電路工作原理4直流/交流逆變器4.0換流方式4.0換流方式4.0.0引言4.0.1

逆變電路的基本工作原理4.0.2

換流方式分類4.0.3PWM4.0換流方式4.0.0

引言逆變的概念逆變——與整流相對(duì)應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變。逆變與變頻變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。主要應(yīng)用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。4.0.0引言逆變的概念以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理4.0.1

逆變電路的基本工作原理逆變電路及其波形舉例負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1~S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理4.0.1逆S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正。S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)。直流電交流電S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正。直流電逆變電路最基本的工作原理

——改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。

逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同。逆變電路最基本的工作原理——改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸4.0.2換流方式分類換流——電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使器件開通。關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷。一般在晶閘管電流過零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。本章?lián)Q流及換流方式問題最為全面集中,因此安排在本章集中講述。4.0.2換流方式分類換流——電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路1)器件換流（DeviceCommutation）利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。在采用IGBT

、電力MOSFET

、GTO

、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2)

電網(wǎng)換流（LineCommutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3)

負(fù)載換流（LoadCommutation）4)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）1)器件換流（DeviceCommutation）

負(fù)載換流電路及其工作波形

由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。如圖是基本的負(fù)載換流電路，4個(gè)橋臂均由晶閘管組成。整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。直流側(cè)串電感，工作過程可認(rèn)為id

基本沒有脈動(dòng)。負(fù)載對(duì)基波的阻抗大而對(duì)諧波的阻抗小。所以u(píng)o接近正弦波。注意觸發(fā)VT2、VT3的時(shí)刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4負(fù)載換流電路由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。?t?t?t?4)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓直接耦合式強(qiáng)迫換流通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流電感耦合式強(qiáng)迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流。分類4)強(qiáng)迫換流（ForcedCommutation）由換流電直接耦合式強(qiáng)迫換流當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容充電。當(dāng)S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。

也叫電壓換流。直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖

電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式強(qiáng)迫換流

先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓。也叫電流換流。直接耦合式強(qiáng)迫換流直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式4.0.3PWM所謂PWM就是在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖，以達(dá)到控制頻率、電壓、電流和抑制諧波的目的。4.0.3PWM所謂PWM就是在所需的頻率周期內(nèi)，將直流換流方式總結(jié)：器件換流——適用于全控型器件。其余三種方式——針對(duì)晶閘管。器件換流和強(qiáng)迫換流——屬于自換流。電網(wǎng)換流和負(fù)載換流——屬于外部換流。當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)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。換流方式總結(jié)：4.1逆變器的類型和性能指標(biāo)4.1.1逆變器的類型4.1.2逆變器輸出波形性能指標(biāo)4.1.3其他指標(biāo)4.1逆變器的類型和性能指標(biāo)4.1.1逆變器的類型4.1.1逆變器的類型電壓型逆變器VSI單相半橋單相全橋推挽逆變?nèi)鄻螂娏餍湍孀兤鰿SI

依據(jù)直流電源的特性不同可分為：按輸出電壓不同分為CVCF、VVVF、脈沖型按逆變器電路結(jié)構(gòu)不同分為：

按開關(guān)器件不同及換流關(guān)斷方式不同分類：自關(guān)斷、強(qiáng)迫關(guān)斷、有源逆變、負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)、負(fù)載諧振換流逆變器。4.1.1逆變器的類型電壓型逆變器VSI電壓型逆變器VSI電流型逆變器CSI電壓型逆變器VSI電流型逆變器CSIZDV3T4T3D4Db1T2T1D2Dadiai單相半橋單相全橋ZDV3T4T3D4Db1T2T1D2Dadiai單相半橋單電力電子DC-AC逆變講解課件4.1.2逆變器輸出波形性能指標(biāo)4.1.2逆變器輸出波形性能指標(biāo)4.1.2逆變器輸出波形性能指標(biāo)（續(xù)）畸變系數(shù)DF逆變電路輸出的n次諧波有效值Vn經(jīng)LC濾波后在負(fù)載上的n次諧波電壓VLn為:

4.1.2逆變器輸出波形性能指標(biāo)（續(xù)）畸變系數(shù)DF逆變電路4.1.3其他指標(biāo)逆變器的性能指標(biāo)除輸出波形性能指標(biāo)外，還應(yīng)包括：逆變效率單位重量（或單位體積）輸出功率可靠性指標(biāo)逆變器輸入直流電流中交流分量的數(shù)值和脈動(dòng)頻率電磁干擾EMI及電磁兼容性EMC4.1.3其他指標(biāo)逆變器的性能指標(biāo)除輸出波形性能指標(biāo)外，還4.2電壓型單相方波逆電路工作原理4.2.1電壓型單相全橋逆變電路4.2.2電壓型單相半橋逆變電路4.2.3變壓器中心抽頭推挽式(Push-Pull)單相逆變電路4.2電壓型單相方波逆電路工作原理4.2.1電壓型單相全4.2.1電壓型單相全橋逆變電路T1、T4與T2、T3

交替通、斷