第4章 直流-交流变换电路

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1、第4章 直流-交流变换电路,电力电子技术,第4章 直流-交流变换电路,将直流电变成交流电，即DC-AC变换称为逆变，它是将交流电变换成直流电(AC-DC变换)的逆过程。 根据逆变后交流电能使用方式，逆变又分成两类： 将直流电逆变成与电网同频率的恒频交流，并输送回电网，称为有源逆变，可控整流器在满足逆变条件下即可运行在有源逆变状态； 将直流电逆变成频率可变的交流电，并直接供给交流负载，称为无源逆变。不加说明时，逆变电路一般多指无源逆变电路，本章讲述的就是无源逆变电路。,第4章 直流-交流变换电路,逆变经常和变频的概念联系在一起。只有无源逆变能实现变频，但无源逆变不等于变频。逆变与变频在概念上既有

2、联系，又有区别。 变频是指将一种频率的交流电变换成另一种频率的交流电的过程。 变频也有两种变换形式： 一种是把某个频率的交流先经整流变换成直流，再经无源逆变变换成可变频率的交流，称为交-直-交变换（AC-DC-AC变换），它由交-直变换电路和直-交变换电路两部分组成，前一部分是整流电路，后一部分就是本章所要讲述的无源逆变电路。,另一种是把某个频率的交流直接变换成另一种可变频率的交流，称为交-交变换（AC-AC变换），也称交-交直接变频，这部分内容将在第5章讨论。,第4章 直流-交流变换电路,逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，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

3、流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电机调速用变频器、不间断电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。所以DC-AC变换技术是电力电子电路中最为重要的变换技术。,逆变电路可以从不同的角度进行分类。如按换流方式可分为电网换流、负载谐振式换流和强迫换流；按输出相数可分为单相逆变电路和三相逆变电路；按直流电源的性质可分为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路两大类。,第4章 直流-交流变换电路,在DC-AC变换中有两个问题值得关注。一个是换流问题，另一个是输出电能质量控制问题。 电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也常被称为换相，换流的过程伴随着器件的导通与关断过程。从

4、断态向通态转移时，无论支路是由全控型还是由半控型电力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其开通。但从通态向断态转移的情况就不同，对于全控型器件而言，可以采用控制信号来控制器件的通断，而对于半控型器件的晶闸管就存在如何关断问题，特别是工作在电压极性不变的直流电源条件下的晶闸管逆变电路，必须利用外部条件或采用其他措施才能使其关断。,第4章 直流-交流变换电路,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式 4.2 逆变电路的类型 4.3 电压型逆变电路 4.4 电流型逆变电路 4.5 多重逆变电路和多电平逆变电路 4.6 正弦脉宽调制（SPWM）逆变电路,引言,第4章 直流-交流变换电路引言,逆

5、变的概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变。 逆变与变频 变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分 组成，后一部分就是逆变。 主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的电路核心部分都是逆变电路。,本章讲述无源逆变,将直流电逆变成与电网同频率的恒频交流电，并输送回电网,将直流电逆变成频率可变的交流电，并直接供给交流负载,按换流方式分 电网换流 负载谐振换流 强迫换流 按输出相数分 单相逆变电路 三相逆变电路 按直流的

6、电源性质分 电压源型逆变电路 电流源型逆变电路,逆变电路的分类,第4章 直流-交流变换电路引言,换流问题 输出电能质量控制问题 电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也常被称为换相，换流的过程伴随着器件的导通与关断过程。从断态向通态转移时，无论支路是由全控型还是由半控型电力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其开通。但从通态向断态转移的情况就不同，对于全控型器件而言，可以采用控制信号来控制器件的通断，而对于半控型器件的晶闸管就存在如何关断问题，特别是工作在电压极性不变的直流电源条件下的晶闸管逆变电路，必须利用外部条件或采用其他措施才能使其关断。,DC-AC变换中关注的问题,

7、第4章 直流-交流变换电路引言,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理,逆变电路及其波形举例,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u0为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压u0为负。,S1、S4闭合，S2、S3断开时电路和波形图,S1、S4断开，S2、S3闭合时电路和波形图,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,逆变电路最基本的工作 原理 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 和电压uO的波形相同，相位 相同。 阻感负载时，电流iO相位滞后于电压uO 。波形不

8、同,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,VT1、VT4与VT2、VT3成对导通。VT1、VT4导通时，输出电压uO为左正右负；VT2、VT3导通时，输出电压uO为左负右正。这两对晶闸管轮流切换导通，就把直流电变成了交流电，则负载上便可得到交流电压uO，如图c所示。 控制两对晶闸管的切换导通频率就可调节输出交流频率，改变直流电压E的大小就可调节输出电压的幅值。这就是逆变电路最基本的工作原理。,单相桥式逆变电路,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相 要使逆变电路稳定工作，必须解决导通晶闸管的关断问题，即换流问题。 开通：适当的门极驱动信号就可以

9、是器件开通 关断： 全控型器件可通过门极关断 半控型器件(如晶闸管)必须利用外部条件才能关断 关断已导通的晶闸管有两种方法： 一是在晶闸管阳极电路中串入大电阻，使其阳极电流降至维持电流以下而关断； 二是使晶闸管承受阳极反压并维持一定的时间t0，且t0应大于晶闸管的关断时间tq。 在DC-AC变换器中，晶闸管工作在恒定不变的阳极电压下，因此，正确可靠换流的关键是解决如何施加反向阳极电压使功率器件关断的技术问题。研究换流方式主要是研究如何使器件关断,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,电网提供换流电压的换流方式， 利用电网交流电压自动过零变负的特点。 在换流时，把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管

10、上，使晶闸管承受反向阳极电压而关断。不需要器件具有门极可关断能力，不适用于没有交流电网的无源逆变电路。 此方法简单，无需附加换流电路，称为自然换流，常用于可控整流电路、有源逆变电路、交流调压和相控交-交变频电路。 这种换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件，但是不适用于没有交流电网的无源逆变电路。,常用的晶闸管换流方法有3种：,4.1.1 电网换流,电网换流、负载谐振式换流、强迫换流。器件换流,利用全控器件的自关断能力进行换流 在采用IGBT、电力MOSFET、GTOGTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,4.1.2 负载

11、谐振式换流,由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）。 凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可以实现负载换流。 当负载为电容性负载时，即可实现负载换流。 当负载为同步电动机时，由于可以控制励磁电流使负载呈现为容性，因而也可以实现负载换流。,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,4.1.2 负载谐振式换流,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,4.1.2 负载谐振式换流,如图是基本的负载换流逆变电路，4个桥臂均由晶闸管组成。 负载是电阻电感串联后再和电容并联，整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。,在直流侧串入了一个很大的电感Ld，认为id基本没有脉动。 直流

12、电流近似为恒值，负载电流是交变矩形波。 负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，故对基波的阻抗很大，而对谐波的阻抗很小，因此负载电压uO波形接近正弦波。,由负载提供换流电压的换流方式。 凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,4.1.2 负载谐振式换流,注意： 触发VT2、VT3的时刻t1必须在uO过零前，并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。 从VT3、VT2到VT1、VT4的换流过程与上述情况类似。,设在t1时刻前VT1、VT4为通态，VT2、VT3为断态，uO、iO均为正，VT2、VT3上施加的电压即为uO。 在t1时刻触发VT2

13、、VT3使其开通，负载电压uO就通过VT3、VT2分别加到VT1、VT4上，使VT1、VT4因承受反向电压而关断，电流从VT1、VT4转移到VT3、VT2。,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,4.1.3 强迫换流,电网换流和负载谐振式换流不能使变流器在任意时刻进行换流，具有很大的局限性。 在电路中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，这种换流方式称为强迫换流（Forced Commutation）。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，也称为电容换流。 强迫换流分类,由换流电路内电容 直接提供换流电压,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

14、流,直接耦合式 强迫换流,电感耦合式 强迫换流,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,4.1.3 强迫换流,图4-3 直接耦合式强迫换流,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,4.1.3 强迫换流,直接耦合式强迫换流通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容强迫换流。是由换流电容直接提供极性正确的反向电压使原来导通的晶闸管关断。,晶闸管VT1触发导通后，电容C被充至uC=E，极性为左负右正，如图 a所示。换流时，触发导通辅助晶闸管VT2，此时VT1、VT2都导通，两管进行换流，如图所示。在VT1-C-VT2回路中，由于VT2导通使左负右正的电容电压uC加于VT1上，使其承受反向阳极电

15、压而关断。电源通过负载电阻R和导通的VT2对电容C反向充电，如图c所示。电容电压uC由-E上升过零直至+E，如图 d所示，其中uC= -E至uC=0的时间t0即为VT1承受反压的时间，这段时间必须大于晶闸管关断时间tq，以确保原来导通的晶闸管VT1可靠关断。,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,4.1.3 强迫换流,如果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，则称为电感耦合式强迫换流，如图4-4所示。图4-4 a) 和图4-4b)是两种不同的电感耦合式强迫换流原理图。,图4-4 电感耦合式强迫换流,4.1 逆变电路的基本原理及换流方式,4.1.3 强迫换流,在晶闸管导通期间

16、，图4-4 a）和图4-4b）中换流电容上所充的电压uC极性不同，导致产生出两种不同的换流过程。 图4-4 a) 中晶闸管在LC振荡前半个周期内关断；图4-4 b) 中晶闸管在LC振荡后半个周期内关断。 在图4-4 a）中，当接通开关S后，LC振荡电流将反向流过VT，促使其电流减小，在LC振荡的前半个周期内就可使VT中的阳极电流减小至零而关断，残余电流经VD继续流动，导通的VD管压降构成了对VT的反向偏压。 在图4-4 b）中，当接通开关S后，LC振荡电流先正向流经VT，并和VT中原有的负载电流叠加，经过半个振荡周期后，振荡电流反向流过VT，使VT中合成正向电流衰减至零而关断，残余电流经VD继续流动，VD上的管压降构成对VT的反向偏压，确保其可靠关断。,电感耦合式强迫换流,换流方式总结：,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然换流 电网换流和负载换流属于外部换流 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。,4.1 逆变