第五章直流交流(DCAC)变换.
电力电子技术-第五章 AC-DC变换器2
sin1 E
2U2
5.3.1 移相控制技术
id
ud
R O
ud
id
E
E t
a)
若α <δ 则晶闸管 需要延迟导通，要 求触发脉冲要有足
够的宽度
O
t
b)
1
Ud
[()E
2U2sintd(t)]
1[
2U2(coscos)]E
在α角相同时，整流输出电压比电阻负 载时大。
换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触
发角a的起点，即 =0
T
a
u2 =0 ua
ub
uc
VD1 b
VD2 c
ud
VD3
O t1
t2
t3
t4
t
id ud
id
O
t
电阻负载时，阳极R 电压最
高者开通
5.3.2 三相半波相控整流电路
=0时的工作 波形
导通角：晶闸管在一个电源周期中处于 通态的电角度，用θ (=π- α)表示
5.3.1 移相控制技术
T
a) u1
u2
VT
uVT
id
ud R
u2
b) 0 t1 ug
c) 0 ud
d) 0
uVT
e) 0
2
t
t
t
t
几个重要的基本概念：
移相：改变触发脉冲出现的时刻，即改变 触发角的大小称为移相。并且这种改变触 发角的大小可使整流平均电压发生变化的 控制方式称为移相控制。
5.3.1 移相控制技术
最小连续电流和最小电感量
第五章直流交流(DCAC)变换.
第五章直流一交流（DC—AC变换5.1 逆变电路概述5.1.1 晶闸管逆变电路的换流问题DC—AC变换原理可用图5-1所示单相逆变电路来说明，其中晶闸管元件VT1、VT4，VT2、VT3成对导通。
当VT、VT4导通时，直流电源E通过VT1、VE向负载送出电流，形成输出电压％左（+）、右（-），如图5-1 （a）所示。
当VT2、VT3导通时，设法将VT1、VT4关断，实现负载电流从VT1、VT4向VT a、VT3的转移，即换流。
换流完成后，由VT a、VT3向负载输出电流，形成左（-）、右（+）的输出电压％，如图5-1 （b）所示。
这两对晶闸管轮流切换导通，则负载上便可得到交流电压呦，如图5-1（c）波形所示。
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幅值。
输出电流的波形、相位则决定于交流负载的性质。
f；图5-1 DC —AC变换原理要使逆变电路稳定工作，必须解决导通晶闸管的关断问题，器件，在承受正向电压条件下只要门极施加正向触发脉冲即可导通。
作用，只有使阳极电流衰减至维持电流以下才能关断。
常用的晶闸管换流方法有：（1）电网换流（2）负载谐振式换流（3）强迫换流即换流问题。
晶闸管为半控但导通后门极失去控制5.1.2 逆变电路的类型逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件，它们与外电路间必然有能量的交换，这就是无功。
由于逆变器的直流输入与交流输出间有无功功率的流动，所以必须在直流输入端设置储能元件来缓冲无功的需求。
在交一直一交变频电路中，直流环节的储能元件往往被当作滤波元件来看待，但它更有向交流负载提供无功功率的重要作用。
根据直流输入储能元件类型的不同，逆变电路可分为两种类型：1.电压源型逆变器电压源型逆变器是采用电容作储能元件，图电压源型逆变器有如下特点：1）直流输入侧并联大电容C用作无功功率缓冲环节（滤波环节），构成逆变器低阻抗的电源内阻特性（电压源特性），即输出电压确定，其波形接近矩形，电流波形与负载有关，接近正弦。
电力电子技术课件05直流-交流(DC-AC)变换
第五章直流-交流（DC-AC）变换一、概述DC-AC变换器（无源逆变器)V1、V4和V2、V3轮流切换导通，u o为交变电压（1）电网换流 利用电网电压换流，只适合可控整流、有源逆变电路、交—交变频器（2）负载谐振式换流 利用负载回路中形成的振荡特性，使电流自动过零，只要负载 电流超前于电压时间大于t q ，即能实现换流，分串，并联。
VT 2、VT 3通后，u 0经VT 2、VT 3反向加在VT 1、VT 4上1. 晶闸管逆变电路的换流方式换流概念：直流供电时，如何使已通元件关断VT 1导通，C 充电左（-）右（+），为换流做准备； VT 2导通，C 上电压反向加至VT 1，换流，C 反向充电。
（3）强迫换流附加换流环节，任何时刻都能换流直接耦合式强迫换流2. 逆变电路的类型（1）电压源型逆变器电流源型逆变器电流源型逆变器功率流向控制（3）两类逆变器的比较比较点电流型电压型直流回路滤波环节电抗器电容器输出电压波形决定于负载，当负载为异步电动机时，近似为正弦波矩形输出电流波形矩形近似正弦波，有较大谐波分量输出动态阻抗大小续流二极管不需要需要过流及短路保护容易困难线路结构较简单较复杂适用范围适用于单机拖动，频繁加减速下运行，需经常反向的场合适用于多机供电不可逆拖动，稳速工作，快速性不高的场合二、强迫换流式逆变电路1.串联二极管式电流源型逆变器结构VT1～VT6为晶闸管C1～C6为换流电容VD1～VD6为隔离二极管2.工作过程（换流机理）（1）换流前运行阶段（2）晶闸管换流与恒流充、放电阶段（3）二极管换流阶段（4）换流后运行阶段diL dt引起三、逆变器的多重化技术及多电平化1. 多重化技术改善方波逆变的输出波形：中小容量：SPWM大容量：多重化技术思路：用阶梯波逼近正弦波（1）串联多重化特点：适合于电压源型逆变器二重化三相电压源逆变器单个三相逆变电路输出电压波形桥Ⅱ输出电压相位比桥Ⅰ滞后30º桥Ⅰ输出变压器△/Y,桥Ⅱ输出变压器△/Z变比为1变比为13二重化逆变电路输出电压比单个逆变电路输出电压台阶更多、更接近正弦。
电力电子技术 第5章 交流-交流(AC-AC)变换
图5-20 余弦交点控制法波形原理
☞结论：由ui换相到ui+1的条件应为：
uR=(ui+ui+1)/2
(5-11)
37
5.4.2 直接变频电路
图5-21 正弦型交-交变频电路输出电压、电流波形 38
5.4.2 直接变频电路
■输入、输出特性
26
5-3-3 交流斩波调压的控制
■互补控制方式
◆ up和un分别为交流电压正、负半周 对应的同步信号。
up有效时，V1、V3交替施加控制信号， un有效时，V2、V4交替施加控制信号。
◆由于实际的开关器件存在有导通、 关断延时，很可能会造成斩波开关 和续流开关直通而短路。为防止短 路，可增设死区时间，这样又会造 成两者均不导通，使负载电流断续 产生过电压现象。因此，为了防止 过电压还需采取其他措施，如使用 缓冲电路等。这是互补控制方式的 不足之处。
n
)
(5-9)
ton
TC
k
2
TC
n
n
TC
ton
23
5.3.1 斩控式交流调压的基本原理
■斩控式交流调压电路的谐波分析
式(5-9)代入 式(5-7)可得
uo
2u sin t 1 n1
2u sinn
n
sin nk t n sin nk t n
(5-10)
Uo 含有基波及高次谐波， 谐波频率在开关频率 ω 及其整数倍两侧处分布， 开关频率越高，谐波与基波距离越近，越容易滤波。
t3 ~ t4 ： uo和io均为负， 反组整流， 输出功率为正
t4 ~ t5 ： uo反向， io仍为负 反组逆变， 输出功率为负
第5章直流-交流(DC-AC)变换1剖析
第5章 无源逆变电路
5.1 逆变器的性能指标与分类 5.2 逆变电路的工作原理 5.3 电压型逆变电路 5.4 电流型逆变电路 5.5 逆变器的SPWM控制技术
5.2.2
逆变电路的工作原理
1、主要功能: 将直流电逆变成某一频率R为逆变器的输出负载。 电当压开u关0=TU1、d；T4闭合，T2、T3断开时，逆变器输出
2、无源逆变：
1）定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到 负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交 流电供给负载，
2）应用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源 等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。
5.1.1 逆变器的性能指标
（1）谐波系数HF（Harmonic Factor）
其中， 为2输f s出电压角频率。
当 n=1时其基波分量的有效值为: (5.3.2)
U O1
2U d
2
0.45Ud
(5.3.3)
图5.3.1 电压型半桥逆变电路 及其电压电流波形
5.3.1 电压型单相半桥逆变电路
优点： 简单，使用器件少； 缺点： 1）交流电压幅值仅为Ud/2； 2）直流侧需分压电容器； 3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要 接LC滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输 出电压中的高次谐波。 应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；
① 非谐振式逆变电路 ② 谐振式逆变电路
5.1.3
逆变电路用途
逆变器的用途十分广泛：
• 1、可以做成变频变压电源（VVVF），主要用于交流 电动机调速。
2、可以做成恒频恒压电源（CVCF），其典型代表为 不间断电源（UPS）、航空机载电源、机车照明，通信等 辅助电源也要用CVCF电源。
第五章直流交流(DCAC)变换.
第五章直流—交流（DC—AC）变换5.1 逆变电路概述5.1.1 晶闸管逆变电路的换流问题DC—AC变换原理可用图5-1所示单相逆变电路来说明，其中晶闸管元件VT1、VT4，VT2、VT3成对导通。
当VT1、VT4导通时，直流电源E通过VT1、VT4向负载送出电流，形成输出电压左（+）、右（-），如图5-1（a）所示。
当VT2、VT3导通时，设法将VT1、VT4关断，实现负载电流从VT1、VT4向VT2、VT3的转移，即换流。
换流完成后，由VT2、VT3向负载输出电流，形成左（-）、右（+）的输出电压，如图5-1（b）所示。
这两对晶闸管轮流切换导通，则负载上便可得到交流电压，如图5-1（c）波形所示。
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幅值。
输出电流的波形、相位则决定于交流负载的性质。
图5-1 DC—AC变换原理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。
晶闸管为半控器件，在承受正向电压条件下只要门极施加正向触发脉冲即可导通。
但导通后门极失去控制作用，只有使阳极电流衰减至维持电流以下才能关断。
常用的晶闸管换流方法有：（1）电网换流（2）负载谐振式换流（3）强迫换流5.1.2 逆变电路的类型逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件，它们与外电路间必然有能量的交换，这就是无功。
由于逆变器的直流输入与交流输出间有无功功率的流动，所以必须在直流输入端设置储能元件来缓冲无功的需求。
在交—直—交变频电路中，直流环节的储能元件往往被当作滤波元件来看待，但它更有向交流负载提供无功功率的重要作用。
根据直流输入储能元件类型的不同，逆变电路可分为两种类型：图5-4 电压源型逆变器图5-5 无功二极管的作用1．电压源型逆变器电压源型逆变器是采用电容作储能元件，图5-4为一单相桥式电压源型逆变器原理图。
电压源型逆变器有如下特点：1）直流输入侧并联大电容C用作无功功率缓冲环节（滤波环节），构成逆变器低阻抗的电源内阻特性（电压源特性），即输出电压确定，其波形接近矩形，电流波形与负载有关，接近正弦。
dcac原理
dcac原理DCAC原理是直流与交流电的转换原理，是电力传输和电子设备中常用的技术。
直流电（Direct Current，简称DC）是电流方向不变的电流，而交流电（Alternating Current，简称AC）是电流方向周期性变化的电流。
DCAC原理通过电子器件将直流电转换成交流电或将交流电转换成直流电，以适应不同的电力传输和电子设备的需求。
DCAC原理的实现主要依靠电力电子器件，如变压器、整流器、逆变器等。
其中，变压器用于改变电压的大小，整流器用于将交流电转换成直流电，逆变器用于将直流电转换成交流电。
通过这些电子器件的组合，可以实现不同电压、频率和波形的电力传输和电子设备的工作。
在电力传输中，DCAC原理被广泛应用于高压直流输电（HVDC）系统。
HVDC系统通过将交流电转换成直流电进行长距离传输，可以有效降低输电损耗和提高电网稳定性。
同时，HVDC系统还可以实现不同电网之间的互联互通，促进能源的有效利用和共享。
在电子设备中，DCAC原理也发挥着重要的作用。
例如，电子变频器（VFD）是一种常见的电力调节设备，可以将直流电转换成交流电，并通过调节频率和电压来控制电机的转速。
这在工业生产中广泛应用于电机调速、能源节约和精密控制等领域。
在可再生能源领域，DCAC原理也得到了广泛应用。
例如，太阳能光伏发电系统将太阳能转换成直流电后，通过逆变器将其转换成交流电，以满足家庭和工业用电需求。
同样，风力发电系统也采用了类似的DCAC原理，将风能转换成交流电进行供电。
DCAC原理是一种重要的电力传输和电子设备技术，通过电子器件的组合，可以实现直流电与交流电的相互转换。
在电力传输、电子设备和可再生能源等领域，DCAC原理发挥着重要的作用，促进了能源的高效利用和电力系统的稳定运行。
随着科技的不断发展，相信DCAC原理将在更多领域展现出其巨大的潜力和应用价值。
第5章 AC-DC变换原理及控制
b ib Im
t
ia a
cic
PWM变流器交流侧三相电流瞬时值有 ia+ib+ic=0的关系，可设通用 电流矢量I在(a,b,c)三相轴上的投影等于刚好等于ia 、ib 、ic，所以有ia 、 ib 、ic与电流矢量I的模Im的关系如下
ia Im cos ib Im cos( 1200 ) ic Im cos( 1200 )
第5章 AC/DC变换原理与控制
第5章 AC/DC变换原理与控制
• AC/DC变换器（整流器）在电力电子技术的发展历程中是应用较早的 一种电能变换设备。在整流部分已由传统的二极管整流、相控整流发展 到目前应用较为广泛的PWM整流
• PWM变流器利用全控型功率开关器件，采用脉宽调制变流控制方法可 以实现网侧电流正弦化且功率因数可以控制(如单位功率因数控制)； PWM变流器可以实现能量的双向传输，当它从电网获取电能时，它工 作于整流状态，而当它向电网输送电能时，其工作于有源逆变状态。
5.2 PWM型AC/DC变换器主电路设计
5.2.1 功率器件选型 5.2.2 交流侧电感设计 5.2.3 直流侧电容的设计
5.2.1 功率器件选型
由于开关器件耐压的选取与直流侧电压有关，本节仅就PWM变流器 交直流侧电压关系进行分析，为开关器件耐压及电感的选取等提供理论 依据。忽略PWM变流器交流侧电阻R，且只讨论基波正弦量，稳态条件 下PWM变流器交流侧a相等效电路和相量关系图如图所示。
L did dt
ed
Rid
Sdudc
Liq
L diq dt
eq
Riq
Squdc
Lid
C dudc dt
3 2
(Sd
id
电力电子技术-第五章 AC-DC变换器
-
R ud AC +
R ud
VD2 VD4 VD2 VD4 VD2 VD4
单相桥式整 流电路
a)
b)
c)
能够克服全波整流电路二 极管承受电压高、需要复 杂的抽头变压器等不足之
处
5.2.1 单相不控整流电路
VD1
VD3
VD1
u2
AC +
R
-
VD2
VD4
VD2
a)
VD3
R VD4
VD1
-
ud AC + VD2
0 0
π～2π VD1截止、 VD2导通 0
0 矩形波 u2
-|u2|
0
5.2.1 单相不控整流电路
u2
O
2
t
ud
uVDO1
2
t
2
O
t
e)
单相半波整流电路带电 阻性负载电路及波形
ud
O
2 t
图5-2a 单相全波整流电 路负载电压波形
• 半波整流负载电压仅为交流 电源的正半周电压，造成交 流电源利用率偏低，输出脉 动大，因此使用范围较窄。
u2
0
t 负载电压 平均值Ud
1π
2 0
2U2sintd(t)0.4U 52
电源变压器副边电压有效值为U2
5.2.1 单相不控整流电路
VD1
表5-2 单相半波不控整流电路阻感负载时各区间
u2
ud
L eL
各区间工作情况
R b)
感性负载ω时t ，直流 0～π 电压将出现负值，
π～ωt1 ωt1～2π
u2 R
dcac变换器工作原理
dcac变换器工作原理DC-AC变换器是一种电子设备，用于将直流电源转换为交流电源。
它广泛应用于工业、家庭和商业领域，用于为电子设备如电灯、冰箱、电视机等提供所需的交流电源。
DC-AC变换器的工作原理基于电磁感应和电子开关技术。
下面详细介绍DC-AC变换器的工作原理。
1.输入电压稳压DC-AC变换器通常需要一个稳定的直流输入电压作为供电。
这个直流电压通常来自于电池、直流电源或电力系统的整流器输出。
在输入电压进入DC-AC变换器之前，通常需要一个电压稳定器来确保输入电压的稳定性。
2.电子开关转换直流电压DC-AC变换器中最重要的组件是电子开关器件，如晶体管或功率MOSFET。
这些开关器件可以控制电流的通断，从而将直流电压转换为可变的脉冲电压。
当开关器件导通时，它们允许电流通过。
当它们断开时，电流被阻断。
通过控制开关器件的导通和断开时间，可以生成预期的正弦波输出。
3.输出滤波器由于开关器件产生的输出是离散的脉冲信号，需要一个输出滤波器来将其转化为连续的正弦波形。
输出滤波器通常由电感和电容组成。
电感将高频脉冲信号变为电流，而电容则充当储能元件，将电感输出的电流平滑成连续的正弦波形输出。
输出滤波器对于减小输出的谐波含量和噪音非常重要。
4.控制电路为了确保DC-AC变换器的稳定性和可靠性，通常需要一个控制电路来监测输入电压、输出电压和负载变化，并相应地调节开关器件的导通和断开时间。
控制电路通常由微控制器、比较器和反馈系统组成。
微控制器用于监测输入和输出，以及根据反馈信号控制开关器件的操作。
比较器用于将实际输出与期望输出进行比较，并调整控制信号。
反馈系统通常使用电流传感器和电压传感器来提供实时反馈信号。
5.保护电路由于DC-AC变换器通常用于供电敏感设备，需要一些保护电路来确保其正常运行。
保护电路通常包括过电流保护、过温保护和短路保护等。
当变换器输出超过额定电流、温度过高或发生短路时，保护电路将切断输出或限制输出电流，以保护设备和用户的安全。
第五章 DC-AC变换电路(1)
注意：半控桥或有续流二极管的电路不能实现有源 逆变。
5.2
有源逆变应用电路
Ud=Ud0cos α 0＜α＜π/2 Ud＞0 整流 π/2 ＜α＜ π Ud＜0 逆变 逆变角β：以α=π为计量起始点，向左度量。 即： π-α= β ，π/2 ＜α＜π即 0＜ β＜π/2 ∴ Ud=Ud0cos α = -Ud0cos β 一、三相半波逆变电路 二、三相桥式逆变电路
2。单相电压型逆变电路的工作原理
3。三相电压型逆变电路的工作特点
4。三相电压型逆变电路输出电压计算
作业：由IGBT构成的三相电压型逆变电路，已 知，现在是VT3、VT4、VT5导通，问下一步 应触发哪一个管子，关断哪一个管子，换流结束 后，在图中标出负载电流方向，及此时三相相电 压值。
电流型逆变器(CSTI)
要求：1、了解电流型逆变器的特点 2、单相电流型逆变电路——并联谐振 式逆变器 3、三相电流型逆变电路——串联二极 管式电流型逆变器
电流型逆变器(CSTI)
一、电流型逆变器的主要特点
1、直流侧串联有大电感，相当于电流源。直 流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。 2、交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻 抗角无关。 3、直流侧电感起缓冲无功能量的作用。但其 不必像电压型逆变电路给开关器件反并联二 极管。
2 二、三相 电压型逆 变电路
3 三、单相 电流型逆 变电路
4
四、三相 电流型逆 变电路
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（VSTI）
一、主要特点 1）直流侧为电压源，或并联大电容，相当于电压 源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻 抗 2）交流侧输出电压波形为矩形波，并与负载阻抗 角无关。 3）直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交 流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥 各桥臂都并联反馈二极管。
1)交流直流电压(AC-DC)转换原理
3. 约瑟夫森量子电压基准
约瑟夫森效应
即：电压V—〉约瑟夫森结—〉超导电流。
超导交变电流的频率为：f
2e V h
KJV
式中：e为电子电荷，h为普朗克常数，因而KJ为一常数。 当电压V为mV量级时，频率f相当于厘米波。
逆效应：若将约瑟夫森结置于微波场中（即用微波辐 射到处于超导状态下的约瑟夫森结上）时，将在约瑟 夫森结上得到量子化阶梯电压Vn。
如正弦波：Kp=1.41，KF=1.11；
方波： Kp=1，KF=1；
三角波：Kp=1.73，KF=1.15；
锯齿波：Kp=1.73，KF=1.15；
脉冲波：Kp= T，KF= ，T 为脉冲宽度，T为周期
白噪声：Kp=3（较大），KF=1.25。
21
5.3.2 交流/直流转换器的响应特性及误差分析
3
二、电压测量的特点
4.阻抗匹配 在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响。
直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压， 使测量结果偏小。
如：采用电压表与电流表测量电阻， 当测量小电阻时，应采用电压表并联方案； 当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。 交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。
10
2. 齐纳管电压标准
原理 利用齐纳二极管的稳压特性制作的电子式电压标准（也称 为固态电压标准）。
齐纳管的稳压特性仍然存在受温度漂移的影响，采用高稳 定电源和内部恒温控制电路可使其温度系数非常小 。
将齐纳管与恒温控制电路集成在一起的精密电压基准源， 如LM199/299/399、REF系列。
I0的平均值 I与o u(t)的平均值 成u(正t) 比。
DCAC变换及应用素材ppt课件
4.2.1 单相电压型逆变电路
1）半桥逆变电路
工作原理
V1和V2栅极信号在一周期内各半 周正偏、半周反偏，两者互补，
V1通，u0=Ud/2
VD2通，u0= -Ud/2
u G1
V2通，u0= -Ud/2
u G2
t
VD1通，u0= Ud/2
优点：简单，使用器件少
uo io
t
t3
t4
t 5
缺点：输出电压幅值
2、按直流电源性质分 电压型，电流型
3、按有无变压器分 隔离式，非隔离式 4、按结构分 半桥，全桥，推挽式，单端正激，单端反激
5、按相数分
单相 三相 多相
9
二、常见问题
4.1
1、逆变与变频的关系 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。
u
uU
uV
uW
O
wt
Ui
VT 4导通
O iV
VT 1导通VT 3导通
wt
O
wt
iW VT 6导通
VT 5 导通
O u VT1
VT 2导通
wt
无换相器电动机的基本电路
BQ——转子位置检测器， 检测磁极位置以决定什么 时候给哪个晶闸管发出触 发脉冲。
O u dM
wt
O
wt
无换相器电动机电路工作波2形6
4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路
22
4.3.1 单相电流型逆变电路
四个桥臂构成,电抗器用来限制开通时的di/dt。
工作方式为负载换相。 C L R构成并联谐振电路
输出电流接近矩形波，
DCDC原理
DC-DC 变换器是电子设备的基础部件，从使用角度出发，对 DC-DC 变换器的要求是：高的可 靠性；好的维修行；小的体积重量；低的价格等。从技术角度出发，DC-DC 变换器的主要技术指标 有：
1）输入参数： 输入电压及输入电压变化范围； 输入电流及输入电流变化范围；
149
现代电力电子技术基础
由于电力半导体器件工作在高频开关状态，它所产生的电流和电压会通过各种耦合途径，产生 传导干扰和辐射干扰。目前，许多国家包括我国对电子产品的电磁兼容性和电磁干扰制定了许多强 制性标准，任何电子产品如果不符合标准不得进入市场。国内外工程技术人员对电磁兼容性和电磁 干扰开展了广泛的研究，取得了一定的进展。
5）按输入输出电压大小划分。可分为降压型和升压型。 6）按输入与输出之间是否有电气隔离划分。可分为隔离型和不隔离型。隔离型 DC-DC 变换器 按电力半导体器件的个数可分为：单管 DC-DC 变换器[单端正激（Forward）、单端反激(Flyback)]； 双管 DC-DC 变换器[双管正激(Double transistor forward converter)、双管反激（Double transistor flyback converter）、推挽电路（Push-pull converter）和半桥电路（Half-bridge converter）等]；四管 DC-DC 变换器即全桥 DC-DC 变换器（Full-bradge converter）。不隔离型主要有降压式（Buck）变换器、升 压式（Boost）变换器、升降压式（Buck-Boost）变换器、Cuk 变换器、Zeta 变换器、Sepic 变换器 等。
高频整流 滤波
受控直流 输出 Vo
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第五章直流—交流（DC—AC）变换5.1 逆变电路概述5.1.1 晶闸管逆变电路的换流问题DC—AC变换原理可用图5-1所示单相逆变电路来说明，其中晶闸管元件VT1、VT4，VT2、VT3成对导通。
当VT1、VT4导通时，直流电源E通过VT1、VT4向负载送出电流，形成输出电压左（+）、右（-），如图5-1（a）所示。
当VT2、VT3导通时，设法将VT1、VT4关断，实现负载电流从VT1、VT4向VT2、VT3的转移，即换流。
换流完成后，由VT2、VT3向负载输出电流，形成左（-）、右（+）的输出电压，如图5-1（b）所示。
这两对晶闸管轮流切换导通，则负载上便可得到交流电压，如图5-1（c）波形所示。
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幅值。
输出电流的波形、相位则决定于交流负载的性质。
图5-1 DC—AC变换原理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。
晶闸管为半控器件，在承受正向电压条件下只要门极施加正向触发脉冲即可导通。
但导通后门极失去控制作用，只有使阳极电流衰减至维持电流以下才能关断。
常用的晶闸管换流方法有：（1）电网换流（2）负载谐振式换流（3）强迫换流5.1.2 逆变电路的类型逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件，它们与外电路间必然有能量的交换，这就是无功。
由于逆变器的直流输入与交流输出间有无功功率的流动，所以必须在直流输入端设置储能元件来缓冲无功的需求。
在交—直—交变频电路中，直流环节的储能元件往往被当作滤波元件来看待，但它更有向交流负载提供无功功率的重要作用。
根据直流输入储能元件类型的不同，逆变电路可分为两种类型：图5-4 电压源型逆变器图5-5 无功二极管的作用1．电压源型逆变器电压源型逆变器是采用电容作储能元件，图5-4为一单相桥式电压源型逆变器原理图。
电压源型逆变器有如下特点：1）直流输入侧并联大电容C用作无功功率缓冲环节（滤波环节），构成逆变器低阻抗的电源内阻特性（电压源特性），即输出电压确定，其波形接近矩形，电流波形与负载有关，接近正弦。
2）由于直流侧电压极性不允许改变，无功从交流向直流回馈时只能改变电流方向来实现，为此在各功率开关元件旁反并联续流二极管，为感性负载电流提供反馈能量至直流的无功通路。
图5-5绘出了一个周期内负载电压、负载电流的理想波形，按极性分区内导通的元件及功率的流向（P>0，功率从直流流向交流；P<0，从交流流向直流），用以说明VD对无功传递的重要作用。
2．电流源型逆变器电流源型逆变器采用电感作储能元件，图5-6为一单相桥式电流源型逆变器原理图，图中未绘出晶闸管换流电路。
电流源型逆变器有如下特点：1）直流回路串以大电感L d作无功元件（滤波元件）储存无功功率，也就构成了逆变器高阻抗的电源内阻特性（电流源特性），即输出电流确定，波形接近矩形；电压波形与负载有关，在正弦波基础上迭加换流电压尖峰。
2）由于直流环节电流I d不能反向，只有改变逆变器两端直流电压极性来改变能量流动方向、反馈无功功率，无需设置反馈二极管。
图5-6 电流源型逆变器3．两类逆变器的比较1）电压源型逆变器采用大电容作储能（滤波）元件，逆变器呈现低内阻特性，直流电压大小和极性不能改变，能将负载电压箝在电源电压水平上，浪涌过电压低，适合于稳频稳压电源，不可逆电力拖动系统、多台电机协同调速和快速性要求不高的应用场合。
电流源型逆变器电流方向不变，可通过逆变器和整流器的工作状态变化，实现能量流向改变，实现电力拖动系统的电动、制动运行，故可应用于频繁加、减速，正、反转的单机拖动系统。
2）电流源型逆变器因用大电感储能（滤波），主电路抗电流冲击能力强，能有效抑制电流突变、延缓故障电流上升速率，过电流保护容易。
电压源型逆变器输出电压稳定，一旦出现短路电流上升极快，难以获得保护处理所需时间，过电流保护困难。
3）采用晶闸管元件的电流源型逆变器依靠电容与负载电感的谐振来实现换流，负载构成换流回路的一部分，不接入负载系统不能运行。
4）电压源型逆变器必须设置反馈（无功）二极管来给负载提供感性无功电流通路，主电路结构较电流源逆变器复杂。
电流源型逆变器无功功率由滤波电感储存，无需二极管续流，主电路结构简单。
5.2 负载谐振式逆变电路负载谐振式逆变电路根据换流电容与负载电感的连接方式可分为并联和串联两种。
换流电容与负载电感并联、利用电容与电感的并联谐振特性实现自然换流的逆变电路称为并联谐振逆变器。
同理，换流电容与负载串联、利用电容与负载电感的串联谐振特性实现自然换流的逆变电路称为串联谐振逆变器；它们是构成中频感应加热电源的主要电路形式。
本节仅以并联谐振式负载换流逆变器为代表进行介绍。
图5-8 并联谐振式逆变器工作过程并联谐振式逆变器原理电路如图5-8所示，直流电源E可由整流电源获得。
由于负载并联谐振时阻抗最大，必须采用电流源向逆变电路供电，故采用大电感L d滤波，所以并联谐振逆变电路属电流源型，流过晶闸管的电流近似为矩形，负载电流为交变矩形波。
逆变器由四个桥臂构成，每个桥臂均由一只晶闸管和一限流电抗器串联而成。
由于工作频率为（1～2.5）k Hz中频，采用快速晶闸管。
限流电抗器L1～L4自感值相等，互感为零，用于晶闸管导通时对流经的电流作d i/d t限制。
滤波电感L d不仅使直流电流平直，而且还可限制中频电流进入直流电源，起交—直流隔离作用。
由于晶闸管交替触发的频率与负载回路谐振频率接近，负载电路工作在谐振状态，这样可以得到较高的功率因数和效率。
又由于谐振电路对所施加的矩形波电压基波分量呈现高阻抗，而对高次谐波分量电压可近似看作短路，故负载两端电压接近正弦波。
负载电流在滤波电感L d作用下近似交变矩形波。
换流电容C提供了负载所需无功功率，并使超前一定相位，利用过零来关断已导通的晶闸管，实现负载谐振换流。
5.3 强迫换流式逆变电路5.3.1 串联二极管式电流源型逆变器结构串联二极管式电流源型逆变器主电路如图5-10所示。
图中VT1～VT6为晶闸管，C1～C6为换流电容，VD1～VD6为隔离二极管，用于使换流回路与负载隔离，防止电容上的充电电压经负载泄放而影响晶闸管换流。
由于隔离二极管与晶闸管串联，故称串联二极管式换流电路。
逆变器直流侧经大电感L d滤波，使输入直流平直，构成了电流源内阻特性。
图5-10 串联二极管式电流源型逆变器逆变器晶闸管为120º导通型，除换流期间有三相通电外，其余时间均只有分属不同相的桥臂上、下二晶闸管导通，负载两相轮流通电。
晶闸管导通顺序为VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1→…，各管触发脉冲相隔60º，每管导通120º，元件换流在VT1、VT3、VT5间及VT2、VT6、VT2间进行。
电流源型逆变器理想输出波形如图5-13所示。
当负载Y接时，每相电流如图5-13（a）所示；当负载△接时，每相负载中电流波形如图5-13（b）所示。
图5-13 电流源型逆变器输出相电流波形5.4 逆变电路的多重化及多电平化在大功率逆变电路中，电流源型逆变器常采用半控器件晶闸管作功率开关，存在较长时间换流过程，限制开关频率，使输出电流为方波；高压、大功率电压源型逆变器也多采用门极可关断晶闸管作功率元件，虽有自关断能力但器件开关频率仍低，输出电压也多为方波。
方波电压、电流含有丰富的低次谐波，严重影响输出特性。
如用于交流电机供电，会使电机附加损耗增加，效率降低，运行功率因数恶化，产生谐波转矩，引起噪声与振动等。
因此有必要对逆变器输出波形进行改善，使之尽可能接近正弦形，以减少谐波含量。
对此有二种处理方法：对于大容量逆变器，由于电压、电流定额限制只能使用晶闸管（包括门极可关断晶闸管）作开关元件时，多采用多重化、多电平化技术，这是本节讨论内容；对于中、小容量逆变器，可以使用高频自关断器件，多采用脉宽调制（PWM）技术，这将是下节重点讨论的内容。
5.4.1 多重化技术多重化就是将几个逆变器的输出矩形波在相位上错开一定角度进行迭加，使之获得尽可能接近正弦波的多阶梯波形。
从电路输出合成形式看，多重化逆变电路有串联多重和并联多重两种形式。
串联多重是将几个逆变器的输出串联起来，多用于电压源型逆变电路；并联多重是将几个逆变器的输出并联起来，多用于电流源型逆变电路。
1．串联多重化图5-14给出了一个二重化的三相电压源逆变器主电路。
，两个三相桥式逆变电路公用同一直流电源E，输出电压通过变压器T1、T2串联合成。
图5-14 三相电压源型二重逆变电路图5-15 三相逆变电路输出电压波形图5-17 三相电压源型二重逆变电路波形2．并联多重化一种三相电流源型逆变器三重化的方案如图5-18所示。
图5-18 三相电流源型三重化逆变电路从以上电压源型逆变器的串联多重化和电流源型逆变器的并联多重化可以看出，采用多重化技术后，负载上得到了尽可能接近正弦的多台阶阶梯波，且多重化联接数越多，波形改善效果越好。
但是由于主回路换流的相互影响、控制电路及输出变压器联接的复杂程度等原因，实用上多采用三重化。
5.4.2多电平化图5-22为一种中点钳位式三电平逆变电路。
图5-23为三电平逆变器的输出电压波形。
图5-22 三电平电压源型逆变器图5-23 三电平逆变器波形5.5 脉宽调制型（PWM）逆变电路在工业应用中许多负载对逆变器的输出特性有严格要求，除频率可变、电压大小可调外，还要求输出电压基波尽可能大、谐波含量尽可能小。
对于采用无自关断能力晶闸管元件的方波输出逆变器，多采用多重化、多电平化措施使输出波形多台阶化来接近正弦。
这种措施电路结构较复杂，代价较高，效果却不尽人意。
改善逆变器输出特性另一种办法是使用自关断器件作高频通、断的开关控制，将方波电压输出变为等幅不等宽的脉冲电压输出，并通过调制控制使输出电压消除低次谐波、只剩幅值很小、易于抑制的高次谐波，从而极大地改善了逆变器的输出特性。
这种逆变电路就是脉宽调制（Pulse Width Modulated——PWM）型逆变电路，它是目前直流—交流（DC—AC）变换中最重要的变换技术，是本章的重点内容。
5.5.1基本原理按照输出交流电压半周期内的脉冲数，脉宽调制（PWM）可分为单脉冲调制和多脉冲调制；按照输出电压脉冲宽度变化规律，PWM可分为等脉宽调制和正弦脉宽调制（SPWM）。
按照输出半周期内脉冲电压极性单一还是变化，PWM可分为单极性调制和双极性调制。
在输出电压频率变化中，输出电压半周期内的脉冲数固定还是变化，PWM又可分为同步调制、异步调制和分段同步调制等。
对于这些有关调制技术的基本原理和概念，准备通过单相脉宽调制电路来说明。