交-直-交变换器
交交变频与交直交变频的对比
交直交变频定义
交直交变频是一种将直流电转换为交流电的电力电子技术。
它首先将直流电通过电力电子器件转换成交流电，然后通过 滤波和调节控制，输出所需频率和电压的交流电。
工作原理概述
交交变频器通常由两组反并联的晶闸管组成，通过控制晶闸管的导通角来改变输 入交流电的相位角，从而实现频率的变换。
交直交变频器则是由整流器和逆变器组成，通过控制逆变器的开关状态来改变输 出交流电的频率和电压。
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交交变频与交直交变 频的对比
目录
• 定义与原理 • 电路结构与特点 • 应用场景与优缺点 • 性能参数比较 • 发展趋势与展望
01
定义与原理
交交变频定义
交交变频是一种将工频交流电转换为 另一种频率交流电的电力电子技术。
它通过改变输入交流电的频率，输出 不同频率的交流电，以满足各种电机 调速和控制系统对电源的要求。
交直交变频应用场景
01
新能源领域
在风力发电和太阳能发电等新能源领域，交直交变频器用于控制风力发
电机和太阳能逆变器的运行，实现最大功率点跟踪和并网发电。
02
电动汽车驱动
在电动汽车和混合动力汽车中，交直交变频器用于驱动电动机，实现车
辆的加速、减速和制动等功能。
03
工业传动领域
在工业传动领域，交直交变频器用于控制各种电动机的速度和转矩，实
交交变频和交直交变频技术的不断创新和发展， 将推动电力传动技术的进步和发展。
促进节能减排
推广变频器在各领域的应用，有助于实现节能减 排和绿色发展目标。
ABCD
提高能源利用效率
通过应用变频器技术，实现对电机的高效控制和 精确调速，提高能源的利用效率。
电力变换的类型和应用
电力变换的类型和应用1.电力变换有哪几种类型？答：电力变换对电源参数（电压或电流的大小、波形以及频率）的变换。
实现电力变换的电路叫电力变换电路或变换器。
电力变换可以划分为五种基本变换。
（1）交流-直流整流电路。
将频率为f1的交流电压u1变为频率f2=0的直流电压u2。
（2）直流-交流逆变电路或逆变器。
将频率为f1=0的直流电压变为频率为f2的交流电压u2。
（3）直流-直流电压变换电路。
将频率为f1=0的直流电压u1变换为频率f2=0的直流电压u2。
直流-直流电压变换电路，又叫直流斩波电路、直流斩波器。
（4）交流-交流电压变换电路或交流电压变换器（交流斩波器）。
将频率为f1的交流电压u1变换为频率f2的交流电压u2。
（5）交流-交流直接变频电路或直接变频器（又称为周波变换器）：将频率为f1的交流电压u1直接变换为频率为f2的交流电压u2。
2.开关型电力电子变换和控制器有哪些基本特性？答：（1）开关型电力电子变换器的核心是部分是一组由半导体电力开关器件组成的开关电路。
由开关电路的输出电压u0只可能取u0=ui，u0=-ui，u0=0三种形式，因此输出电压的波形不可能是理想的直流或正弦交流电压。
变换后的直流总会含有一系列的交流成分，而获得的正弦交流电源总含高次谐波电压。
（2）在开关型电力电子变换电路的输出电压、输入电压附加LC滤波器，可以改善输出电压和输出电流的波形。
（3）高频PWM控制是改善开关输出电压、输出电流波形最有效的技术措施。
（4）在电力电子变换工作中，开关器件不断进行周期性通、断状态的一次变换。
（5）为了使电力电子开关电路的输出电压接近理想的直流或正弦交流，一般应对称地安排一个周期中不同的开关状态以及持续时间。
3.开关型电力变换有哪两类应用领域？答：（1）开关型电力变换电源。
（2）开关型电力电子不除控制器。
补偿和控制电力系统中的谐波电流、谐波电压、节点电压、基波阻抗、无功功率、有功和无功功率潮流，平衡电力系统有功功率以及抑制电压瞬变和电路振荡。
电力电子技术之交流交流变换器介绍课件
仿真软件：选择合
1
适的仿真软件进行
建模和仿真
模型建立：根据变
2
换器的拓扑结构和
参数建立仿真模型
仿真参数：设置仿
3
真参数，如输入电
压、输出电压、频
率等
仿真结果：观察仿
4
真结果，分析变换
器的性能和稳定性
实验验证：在实际
5
硬件平台上进行实
验验证，验证仿真
结果的准确性
优化设计：根据仿
6
真和实验结果，对
变换器进行优化设
计，提高性能和稳
定性
交流交流变换器的发展趋势
交流交流变换器的技术挑战
高效化：提高变换器的效率，降低 损耗
集成化：将多个功能集成到一个模 块中，降低成本和体积
轻量化：减小变换器的体积和重量， 提高便携性
智能化：实现变换器的智能控制和 监测，提高系统的可靠性和稳定性
交流交流变换器的发展趋势
高频化：提高变换器的工作频率， 减小体积和重量
位的调节和控制。
交流交流变换器的控制策略
1 电压控制策略：通过控制输出电压来保持系统稳定 2 电流控制策略：通过控制输出电流来保持系统稳定 3 功率控制策略：通过控制输出功率来保持系统稳定 4 频率控制策略：通过控制输出频率来保持系统稳定 5 相位控制策略：通过控制输出相位来保持系统稳定 6 混合控制策略：结合多种控制策略来提高系统稳定性和性能
4
流电转换为交
流电
变频器：改变
5
交流电的频率
和相位
交流调压器：
6
调节交流电的
电压和相位
交流交流变换器的应用
电力系统：用 于电力系统的 电压调整和频 率控制
工业设备：用 于工业设备的 电压调整和频 率控制
一种交-直-交变换器的建模与仿真
摘 要： 一直 一交变换 器有许 多优 良的性能 ， 文对传统 的交 一直 一交变换器 整流侧进行 了改进 ， 引入开关 函数 的基 交 本 在
础上 ，分别建立 了交 一直 一交 变换器 整流侧和逆 变侧 的数学模型 ，在控制 系统上 ，对变换器集 中采用 Ｓｗ ＰＨ控制 ，最后通过 ｓｂｒ ａｅ 软件对系统进行 了 真实验。实验结果 证 明了建模方 法的正确性和控制方 式的有效 性。 仿 关键词 ： 变换器 ； 建模 ； 仿真 ；Ｓｗ ； ａｅ ＰＨ Ｓｂｒ
励磁 ｂ］ －。但传统 的交 一 一 ｚ 直 交变换 器前级整流环 节多 采用 二极管或相 控整流，这种方式存在 网侧电流波形 畸变严重 、 一 种交 。 交变换器的建模 与仿真 直． 功率因数低、 谐波含量大、 不能实现能量双向流动、 系统动态
图一 交 一直 一交变换器 主电路拓扑结构 图
Ｍｄ ｌｎ ｎ ｉｕａ ｉｎｆｒａ ＣＤ／ＣＣｎｅ ｔｒ ｏｅ ９ａｄＳｍ ｌｔｏ ｏ ｎＡ／ＣＡ ｏｖｒｅ ｉ
朱娟娟
Ｚ ｕＪ ａ ｄ ａ ｈ ｕｎｕｎ
（ 陕西理 工学 院，陕西 汉 中
７３０） ２０ ３
（ｈ ａ ｘ ｎ ｖ ｒ ｉ ｙ ｏ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｈ ａ ｘ ａ ｚ ｏ ｇ ７ ３ ０ ） Ｓａ ｎ ｉＵ ｉｅ ｓ ｔ ｆ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｓ ａ ｎ ｉＨ ｎ ｈ ｎ ２０ ３
２Ｉ整流侧变换器数学模 型 ．
～
．
百 先定 义 二 相 桥 臂 开 关 函数 Ｓ（＝ － ） ｋｋ １６ ： －
厂 １上桥臂导通 、下桥臂截止 （ ＝ ｋ １ ， 、
式 （） ８ 中：０点是三相负载 中点， 因为 ＋ 又 ｖ
Ｋｅ ｗｏｄ ｙ ｒｓ：Ｃ ｎ ｅ ｔ ｒ； Ｍ ｄ ｌ ｎ ｏｖｒｅ ｏ ｅ ｉ ｇ； Ｓ ｍ ｌ ｔ ｏ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ； Ｓ Ｗ Ｐ Ｍ；Ｓ ｂ ａｅ
矩阵式变频器原理及电气应用前景
矩阵式变频器原理及其电气应用前景【摘要】矩阵式变频器是一种新型的交- 交直接电力变换器，本文首先介绍矩阵式变频器的电路结构，然后简述两种主要的控制方法，最后通过其优点描述矩阵式变频器在电气工程领域的应用前景。
0 引言：矩阵变频器（Matrix Converter ）作为一种新型的交- 交直接电力变换器，在M.Venturini 及Huber.L 各自提出两种有效的开关控制策略后，其特点已为人们所关注。
和传统的交-直- 交以及相控式交-交变频器相比，它具有如下优点：（1）无中间直流环节，能量直接传递，传输效率高；（2）可获得正弦波的输入电流和输出电压，无低次谐波，高次谐波较少；（3）输入功率因数可任意调节，且与负载功率因数无关；（4）能量可双向传递，适合四象限运行的交流传动系统；（5）控制自由度大，与相控式交- 交变频相比，输出频率不受输入电源频率的限制。
1 矩阵式变频器拓扑结构：图1 所示为三相- 三相矩阵式变频器的电路结构。
该电路拓扑中含有9个双向开关（图2）S11〜S13, S21〜S23, S31〜S33;通过对这9个双向开关的逻辑控制，可实现对电源的电压和频率的变换，从而向负载提供幅值和频率可调的电压和电流。
即：对一组频率为的三相输入电压，通过一定的规则控制变频器中的功率开关，可以合成所需频率为的三相输出电压，，式中不同的变换矩阵的确定方法就是各种矩阵式变频器的控制策略。
2 矩阵式变频器的控制原理：2.1 基于开关函数的Venturini 法：对于图1所示的三相-三相矩阵式变频器，将S11〜S13, S21〜S23,S31〜S33这9个双向开关的逻辑控制看作一个3X3的矩阵函数，则输出相电压与输入相电压之间的关系可用式1 表示。
根据矩阵理论，满足式1，式2 的矩阵和有无穷个。
基于开关函数的Venturini 法就是指在给定输入电压函数、期望输出电压函数以及各种约束条件下，得出最优化的矩阵和，使矩阵变频器中相关的一组功率开关各自的占空比由一个连续函数或分段连续函数来表示，利用精确的数学表达式来确定开关的具体动作。
变频器整流单元原理
变频器整流单元原理事实是存在不需要整流单元的变频器，就是所谓的交-交变频器。
但是市场上绝大部分都是交-直-交变频器，也就是含有整流单元的，这完全是技术和市场竞争到一定程度形成的格局，交直交变频器生产起来价格更低，使用起来更加可靠成熟，所以大家都使用它。
实际上这点也是符合人类科学研究的一些规律的。
比如我们的声音，现在都要经过数字化，变成简单的0-1代码，然后传输到远方，再变成真实的声音。
因为简单的东西容易量化和处理，所以我们都会把复杂的曲线线性化，然后再用线性化的东西去逼近模拟复杂的实际环节。
交-直-交变频器，是先把交流电变成直流，然后再通过IGBT斩波的方式逆变成交流，斩波时候处理输入的直流电比较容易了，因为它是直线的，从微积分的道理来看，只要分成够小的很多方块，累积起来作用效果和正弦波是一样的，而IGBT这些器件，本身只能开和关，所以处理方块的信号比较适合了。
所以先把交流变成了直流，看起来多了一道工序，实际上“磨刀不误砍柴工”，反正容易很多。
另外整流模块，电容这些属于比较传统成熟的电子器件，价格相对便宜了，只是体积大了一点而已。
交直交变频器比较常见，由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。
整流器为二极管三相桥式不控整流器或大功率晶体管组成的全控整流器，逆变器是大功率晶体管组成的三相桥式电路，其作用正好与整流器相反，它是将恒定的直流电交换为可调电压，可调频率的交流电。
中间滤波环节是用电容器或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波，交直交变频器按中间直流滤波环节的不同，又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛，它在工业自动化领域的变频器（采用变压变频VVVF控制等）和IT、供电领域的不间断电源（即UPS,采用恒压恒频CVCF控制）都有应用。
当然，并不是说交交变频器就没有发展了。
矩阵式变频器是一种新型交交直接变频器，由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成。
电力电子变换器
电力电子变换器电力电子变换器是一种能够将电能从一种形式转换为另一种形式的设备。
在现代能源系统中，电力电子变换器扮演着关键的角色，其在能源转换、电力传输以及能源利用方面发挥着重要作用。
本文将对电力电子变换器的原理、分类以及应用进行介绍。
一、原理电力电子变换器通过调整电压、电流的大小和形状，将电能从一种形式转换为另一种形式。
其原理可以概括为电能通过开关元件的开关操作，经过能量存储元件的储存和释放，最终实现能量的转换。
以最常见的直流-交流（DC-AC）变换器为例，其基本原理是将直流输入电能转换为交流输出电能。
这种变换主要依赖于功率半导体器件（如晶闸管、IGBT等）的开关功能。
通过控制开关元件的导通和断开，控制电压和电流的形状和大小，使得输出电能能够与输入电能匹配，从而实现转换功能。
二、分类根据不同的电能形式转换，电力电子变换器可以分为多种类型。
以下是几种常见的电力电子变换器分类：1. 直流-交流（DC-AC）变换器：将直流电能转换为交流电能，广泛应用于太阳能、风能等可再生能源系统中。
2. 交流-直流（AC-DC）变换器：将交流电能转换为直流电能，常见于电力系统的逆变器中。
3. 直流-直流（DC-DC）变换器：将直流电源的电压进行升降转换，以满足不同电路的需求。
4. 交流-交流（AC-AC）变换器：将交流电能从一种形式转换为另一种形式，如交流调压器、交流调速器等。
三、应用电力电子变换器在现代能源系统中有着广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：1. 可再生能源系统：电力电子变换器在太阳能、风能等可再生能源系统中发挥着重要作用。
通过转换器将直流电能转换为交流电能，实现对电网的注入，提供清洁能源。
2. 电动车充电系统：电动车充电系统中的变换器将电网交流电转换为直流电，以供电动车充电使用。
3. 智能电网：在智能电网中，电力电子变换器用于实现电网的调度和管理。
通过变换器的调控和控制，实现对电能的优化分配和有效利用。
第五章 交流-交流变换技术
5.2 单相交流调压电路
工作波形示意
特点：
感性负载电流滞后，电 压过零点附近，电感电 流方向与电压方向反向， 此时开关组的切换也造 成电流的断续。因此， 为防止过电压还需要采 取其他措施，如使用缓 冲电路、电压电流过零 检测等，这是互补控制 方式的不足之处。
5.2 单相交流调压电路
常用控制模式
电压同步。 Y连接时三相中至少要有两相导通才能构成电流通路，因
此单窄脉冲是无法启动三相交流调压电路的。为保证起始 工作电流的流通，触发信号应采用大于/3的宽脉冲（或 脉冲列），或采用间隔/3的双窄脉冲。
工 作 波 形 分 析
30o
5.3 三相交流调压电路
PWM斩控三相交流调压电路
sin( ) sin( )e tan
的情况：
负载电流只有稳态分量i1，导通角 ，π电流连续。在这种状态下，
电感续流结束时刻正好是下一个控制脉冲到来的时刻，负载电流 处于临界连续状态，负载电压是完整的正弦波（ ）u，o 而u负i 载
电流则是一个滞后于电压 角的纯 正弦波，电路无调压作用。
（2）负载电流有效值：
I or ms
Uorms R
Urms R
sin2 π
2π
π
负载电流等于交流电源电流
5.2 单相交流调压电路
（3）流过晶闸管的电流平均值和有效值：
IVTrms
1π (
2Urms sint )2 d(t ) Urms
2π
R
R
sin2 π
5.3 三相交流调压电路
三相交流调压电路常见结构
5.3 三相交流调压电路
交-交直接变频矩阵变换器的研究与设计
矩阵变换器的空问矢量调制法以及半 自然两步 换流技术进 行 了分析及 阐述 ， 同时研制 了一套矩 阵变换器样
机。样机控制系统以数字信号处理器 Ｔ ３０ Ｆ ４ ７ ＭＳ２ Ｌ ２０ Ａ和复杂可编程逻辑控制器件 Ｅ Ｍ１７ Ｐ ２ ０为核 心 ， 主电路
采用绝缘 门双极晶体管（Ｇ Ｔ 搭建 。仿 真和试验结果证 明了理论 的正确性 。 ＩＢ ） 关键 词 ： 矩阵变换器 ；空间矢量调制 ； 两步换流 中图分类号 ： Ｍ ６ 文献标识码 ： 文章编号 ：６ ３６ ４ （０ ７ ０ －０４０ Ｔ４ Ａ １７ －５０ ２ ０ ）３０ ２ － ４
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｓｇ ｆＡＣ． ｓ ａ ｃ ｎｄ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ＡＣ ａ ｒｘ Ｃｏ ｅ ｔｒ Ｍ ｔ ｉ ｎｖ ｒｅ
维普资讯
研究与设计 ； № Ａ Ｅ
、 札 与控 制 应用 ２０ ３ ３） 毛 ｝ ０７ ４（
，
交－ 交直 接 变 频 矩 阵变 换 器 的 研 究 与 设 计
佘 宏武’ 林 ， 桦’ 刘 骏 ，
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（ ． 中科技 大学 电 气与 电子 工程 学 院 ， １华 湖北 武 汉 ４ ０ ７ ３ ０ ４： ２ 海 军工程 大 学 电气与信 息学院 ， ． 湖北 武 汉 ４ ０ ３ ３ ０ ３）
￡ｌ Ａ
的交一 交直接变换器 ， 具有输出频率可高于输人频
率 、 人 功率 因数 可调 、 中间储 能环 节 、 构 紧 输 无 结 凑 、 率 高 、 波污 染 小 、 弦 的输人 电流 和 输 出 效 谐 正 电压 等诸 多 优 点 … 。矩 阵变 换 器 不 仅 克 服 了周 波 变流 器 的缺 陷 ， 而且 相 对 于 交 一 交 脉 宽 调 制 直一
电力电子变换器设计与控制
电力电子变换器设计与控制电力电子变换器（Power Electronic Converter）是一种能够将电源的电能通过特定的方式进行转换和调节的电子设备。
它在电力系统中起到了至关重要的作用，被广泛应用于交流传输、直流输电、激光器、电力供应等领域。
本文将主要探讨电力电子变换器的设计与控制。
一、电力电子变换器的基本原理电力电子变换器的基本原理是将输入电源的电能经过转换器的功率变换过程后，输出到负载端。
常见的电力电子变换器有直流-直流变换器（DC-DC Converter）、直流-交流变换器（DC-AC Converter）和交流-直流变换器（AC-DC Converter）等。
1. 直流-直流变换器直流-直流变换器用于将直流电源的电压或电流转换为不同的电压或电流输出。
其主要结构包括升压型变换器（Boost Converter）、降压型变换器（Buck Converter）和升降压型变换器（Buck-Boost Converter）等。
2. 直流-交流变换器直流-交流变换器是将直流电源的电能转换为交流电能输出的设备。
其中，最常见的是逆变器（Inverter），它能够将直流电源的电压或电流转变为交流电源输出。
3. 交流-直流变换器交流-直流变换器是将交流电源的电能转换为直流电能输出的设备。
其中，最常见的是整流器（Rectifier），它用于将交流电源转换为直流电源进行供电。
二、电力电子变换器的设计方法电力电子变换器的设计是根据实际需求来选择合适的拓扑结构、元器件和参数，以实现稳定可靠的电能转换和调节。
设计时需要考虑电压、电流、功率、效率、控制方式等多个因素。
1. 拓扑结构选择拓扑结构选择是电力电子变换器设计的关键。
常见的拓扑结构有单相、三相、全桥、半桥等，不同的拓扑结构适用于不同的应用场景。
2. 元器件选型元器件的选型直接影响着电力电子变换器的性能和可靠性。
在选型时需要考虑元器件的额定电流、电压、功率损耗等参数，以及其可获得性和成本。
第3章 交直交-逆变
w t1
wt
wt
wt
Id p+a
p-a
wt
wt
wt
3.1.1 单相可控整流电路
单相半波可控整流电路的特点
VT的α 移相范围为180。 简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流 分量，造成变压器铁芯直流磁化。 实际上很少应用此种电路。 分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。
3.1.1 单相可控整流电路
1 cos a 2
a 角的移相范围为180。 向负载输出的平均电流值为：
Id Ud R
u i b) 0 u c) 0 i 2 d) 0
VT d d
2 2U 2 1 cos a
pR
d d
0.9
U 2 1 cos a R 2
2
a
p
a
w
t
1,4
w
t
w
t
3.1.1 单相可控整流电路
1
a)
u2 b) O
a =0 u a
ub
uc
R
id
w t1
w t2
w t3
wt
uG
wt
wt
自然换相点：
二极管换相时刻为自然换相点， 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a =0。
e)
u
f)
O
VT
wt wt
1
O
u ab
u ac
3.1.2 三相可控整流电路
a =0时的工作原理分析: 变压器二次侧a相绕组和晶 闸管VT1的电流波形。 晶闸管的电压波形，由3段 组成:
Ud 1 2p 3
p
电力电子变换器的工作原理及分类
电力电子变换器的工作原理及分类电力电子变换器是一种将电能从一种形式转变成另一种形式的电力设备，它可以实现电力的调节、转换和控制。
本文将介绍电力电子变换器的工作原理及其常见的分类。
一、工作原理电力电子变换器的工作原理基于半导体器件的开关特性，通过对源电压的调节和转换来实现对负载电压和电流的控制。
1.开关模式电力电子变换器通过半导体开关器件（如二极管、MOS管、IGBT 等）的开和关，实现对输入电源进行切割，从而实现对负载电压和电流的控制。
开通时，输入电源的能量传递到负载；关闭时，能量传递中断。
2.脉冲宽度调制（PWM）脉冲宽度调制是电力电子变换器中常用的控制策略。
通过改变开关器件的导通时间比例，即调节脉冲宽度，可以实现对输出电压和电流的精确调整。
3.谐振模式电力电子变换器中的谐振模式是在特定情况下通过合理的电路设计和参数匹配，使得开关器件在合适的时间、状态下完成开关操作，从而提高变换器的能量效率。
二、分类根据不同的工作原理和应用场景，电力电子变换器可以分为多种类型。
以下是常见的几种分类方式：1.按输入输出电源类型分类(1)直流-直流变换器（DC-DC变换器）：用于将直流电源的电压转换为不同电压等级的直流电源。
(2)直流-交流变换器（DC-AC变换器）：将直流电源的能量转换为交流电能，常用于逆变器等应用中。
(3)交流-交流变换器（AC-AC变换器）：用于改变交流电源的电压和频率，例如交流调压器。
2.按器件类型分类(1)二极管整流器：利用二极管的导通和截止特性，将交流电源转换为直流电源。
(2)可控硅整流器：利用可控硅开关进行整流控制，适合于高功率、高电压的整流应用。
(3)逆变器：将直流电源转换为交流电源，常用于太阳能发电系统、电动汽车等领域。
(4)斩波器：通过频率、相位和幅度等方式对交流电源进行调节，常用于电力系统的稳压调频。
3.按控制方式分类(1)电压型变流器：通过控制输出电压的大小和波形来实现对负载的控制。
交流-直流变换器(整流器)
2
5.1 整流器的类型及性能指标
整流器的类型很多，可归纳分类如下： 1.按交流电源电流的波形可分为： （1） 半波整流。（2）全波整流。 2.按交流电源的相数的不同可分为：
（1） 单相整流。（2）三相整流。
3.按整流电路中所使用的开关器件及控制能力的不同可分为： (1） 不控整流。（2）半控整流。（3）全控整流。 4.按控制原理的不同可分为： （1） 相控整流。（2）高频PWM整流。 3
因此
Vrms v VH VD RF 1 Vd
4
2
2.电压脉动系数Sn：
输出电压中最低次谐波幅值Vnm与直流平均值VD之比。
Sn=Vnm/VD 3.输入电流总畸变率THD（Total Harmonic Distortion）：
输入电流中除基波外的所有谐波电流有效值与基波电流有效值之比。
图5.1 单相半波不控整流
电源电流中的直流分量很大。 很少实用。
8
5.2.2 两相半波不控整流
（双半波不控整流）
原理及波形分析：
性能优于单相半波不控整流：
正负半波均有输出，整流电压直 流平均值高了一倍；
1 VD
0
2VS sint d t 2
2 VS 0.9VS
7
5.2.1 单相半波不控整流
整流电压直流平均值
1 2
VD
0
2VS sint d t
2
VS 0.45VS
VD只与VS有关，不能被调控； 仅正半周有输出：在一个电源周 期中仅一个电压脉波（脉波数）， 称为“半波”；输出电压脉动大，
交直交变流器的拓扑结构
交直交变流器的拓扑结构交直交变流器（AC-DC-AC Converter）是一种将交流电转换为直流电，再将直流电转换为交流电的电力转换装置。
其拓扑结构可以分为以下几种：1. 单相桥式整流器（Single-Phase Bridge Rectifier）：该结构由四个二极管组成的桥式整流器，将输入的单相交流电转换为直流电。
该结构简单、成本低廉，适用于小功率应用。
2. 三相桥式整流器（Three-Phase Bridge Rectifier）：该结构由六个二极管组成的桥式整流器，将输入的三相交流电转换为直流电。
相较于单相桥式整流器，三相桥式整流器具有更好的电流平衡性和功率因数。
3. 单相全控桥式整流器（Single-Phase Full-Controlled Bridge Rectifier）：该结构由四个可控硅（thyristor）组成的桥式整流器，可以实现对输入交流电的电压和功率进行精确控制。
适用于需要调节输入电压和功率的应用。
4. 三相全控桥式整流器（Three-Phase Full-Controlled Bridge Rectifier）：该结构由六个可控硅组成的桥式整流器，可以实现对输入交流电的电压和功率进行精确控制。
适用于需要调节输入电压和功率的大功率应用。
5. 逆变器（Inverter）：逆变器是将直流电转换为交流电的装置。
常见的逆变器结构包括单相半桥逆变器、单相全桥逆变器、三相半桥逆变器和三相全桥逆变器等。
逆变器广泛应用于可再生能源发电系统、电动车辆和UPS等领域。
需要注意的是，上述仅为交直交变流器的一些常见拓扑结构，实际应用中还存在其他不同的拓扑结构，如多电平逆变器、谐振逆变器等，具体选择取决于应用需求和性能要求。
交直交变换器
当 VD1 或 VD2 为通态时， uo 、 io 反方向，负载电感中储存的能 量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流 侧，直流侧电容起缓冲作用。
u GE1
Ud 2
O u GE2
C1 io R uo
t t
Ud / 2
VT1
L
VD1
O uo Um
O Um io
Ud
t
Ud 2
C2
VT2
( )t ( )t ( )t ( )t
uGE3
O
uGE4
O
O
工作过程分析
t2之前：VT1、 VT4导通，uo=Ud，io t2~t3：VT1、 VD3导通，uo=0，io t3~t4：VD2、 VD3导通，uo=−Ud，io t4~t5：VT2、 VT3导通，uo=−Ud，io反向 t5~t6：VT2、 VD4导通，uo=0，io反向
电压型逆变器：直流侧是电压源 电流型逆变器：直流侧是电流源
5.2.1 电压型逆变器
5.2.1.1 单相电压型逆变器
1. 半桥电压型逆变器
半桥电压型逆变器如右图所示。它有 两个桥臂，每个桥臂由一个开关管和 一个反并联二极管组成。 在直流侧接有两个相互串联的大电容 （设C1,2），两个电容的连接点便 成为直流电源的中点。
VT1
C
2
(1)全桥电压型逆变器
Ud
VD1 io R
VT3
L
VD3
−
−
VT uGE仍为180º 正偏、180º 反偏，且uGE1、 uGE1 uGE4互补，uGE2、uGE3互补。
VD 2
uo
VT4
交-直-交和交-交变压变频器
从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交交两大类。
1.交-直-交变压变频器 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再
通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。
2. 交-交变压变频器
交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把 恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接 式变压变频器。
•交 - 交 变 压 变 频 器 的 基 本 电 路 结 构
VF + Id ~ 50Hz
-
负 u0 载
- VR
-Id +
~ 50Hz
a) 电路结构 图6-13a 交-交变压变频器每一相的可逆线路
•输出电压波形
u0
正组通
正组通
反组通
反组通
t
图6-13b 方波形平均输出电压波形
•输出电压波形
a
=
p 2
有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。
• 交-交变压变频器的基本结构
CVCF
VVVF
AC 50Hz~
交－交变频
AC
图6-12 交-交（直接）变压变频器
常用的交-交变压变频器输出的每一相都 是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置 反并联的可逆线路。
也就是说，每一相都相当于一套直流可 逆调速系统的反并联可逆线路（下图a）。
三相桥式交交变频电路
a=0
u0
a
=
p 2
A
B
C
0
D
wt
E
F
图6-14 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形
交-直-交电压型变频器内部结构
交-直-交电压型变频器内部结构交流变频调速技术发展至今已有几十年的历史。
低压变频器构成的交流调速系统，因其技术上的不断创新，使系统在性能上不断地完善，并在电气传动领域挑战直流调速系统，已得到了广泛的应用。
交-直-交电压型变频器是目前市场上低压变频器的主要形式，本文简要对该变频器内部结构进行剖析。
1、电路结构框图交直交电压型变频器主要由整流单元（交流变直流）、滤波单元、逆变单元（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、控制单元等部分组成的。
图1 变频器电路结构框图3、各单元电路及原理3.1 整流单元整流单元用于电网的三相交流电变成直流。
可分为可控整流和不可控整流两大类。
可控整流由于存在输出电压含有较多的谐波、输入功率因数低、控制部分复杂、中间直流大电容造成的调压惯性大相应缓慢等缺点，随着PMW技术的出现可控整流在交直交变频器中已经被淘汰。
不可控整流是目前交直交变频器的主流形式，它有2种构成形式，6支整流二极管或6支晶闸管组成三相整流桥。
图2 6支二极管构成的三相桥式整流电路由6支二极管构成的三相桥式整流电路，交流侧有控制主回路通断的接触器。
图3 6支晶闸管构成的三相桥式整流电路由6支晶闸管构成的三相桥式整流电路，晶闸管只用于控制通断不控制直流电压的大小。
3.2 滤波单元滤波单元主要采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这是电压型变频器的一个主要特征。
3.3 逆变单元由IGBT模块构成图3 由IGBT模块构成的逆变单元及实物IGBT模块中内置反并联二极管，用于反馈电动机制动运行时产生的能量图4 IGBT模块中内置反并联二极管3.4 制动单元制动单元由IGBT和能耗电阻组成。
当电动机由电动状态转入制动运行时，电动机变为发电状态，其能量通过逆变电路中的反馈二极管流入直流中间回路，使直流电压升高而产生过电压，这种过电压称为泵升电压。
为了限制泵升电压给直流侧电容并联一个由电力晶体管和能耗电阻组成的泵升电压限制电路。
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交-直-交变换器
主要内容：
电压型和电流型变换器原理； SPWM型变换器。
交-直-交变换器
5.1 简 介
交-直-交变换器就是把工频交流电先通过整流器整流成 直流，而后再通过变换器，把直流电逆变成为频率可 调的交流电。 交-直-交变换器可分为电压型和电流型。SPWM型变换 器是给逆变器固定的直流电压，通过开关元件有规律 的导通和关断，得到由宽度不同的脉冲组成的电压波 形，削弱和消除某些高次谐波，得到具有较大基波分 量的正弦输出电压。
交-直-交变换器
2．单极性调制
交-直-交变换器
3．双极性调制
交-直-交变换器
一般将正弦调制波的幅值与三角载波的峰值之 比定义为调制度M(亦称调制比或调制系数。
在SPWM变换器中，使用最多的是三相桥式逆 变器。三相桥式逆变器一般都采用双极性控制 方式。U、V和W三相的SPWM的控制通常公用 一个三角波载波信号，用三个相位互差120°的 正弦波作为调制信号，以获得三相对称输出。 U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同。
2．工作原理
电流型变换器的基本工作方式是120º导通方式，即每 个开关管导通120º，按VT1到VT6的顺序每隔60º依次导 通。其变换器输出电流波形如图5-8所示。
在电流型变换器中，为吸收换相时负载电感中的能量， 如图5-7所示，在交流输出侧加入了电容器。在换相时， 由于负载电感中的能量给电容充电，从而变换器的输 出电压出现电压尖峰。
交-直-交变换器
5.4.1 正弦脉宽调制原理及其优点
1．SPWM原理
根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲作 用于惯性系统上时，其输出响应基本相同，且脉冲越 窄，输出的差异越小。它表明，惯性系统的输出响应 主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉 冲的形状无关. 图5-11给出了几种典型的形状不同而冲量相同的窄脉 冲。他们的面积(冲量)均相同。当它们分别作用在同一 个的惯性系统上时，其输出响应波形基本相同。当窄 脉冲变为图5-11 (d)所示的单位脉冲函数时，系统的响 应则变为脉冲过渡函数。
线 电 压 UUV=Ud ， UVW= -Ud ， UWU=0 ， UUN=UWN=+Ud/3 ， UVN= -Ud/3。依次类推其他5个状态内UUN。UVN和UWN波形与 UUN一样，只是时间上滞后120°和240°。
综上所述，交-直-交变频原理为频率不变的交流电源经整流 器变为直流电，再经逆变器，在其开关元件有规律的导通和 关断，即每隔60°导通一个，导通180°后关断，一个周期中 变换器输出的线电压为方形波，相电压为六阶梯波的交流电。 改变元件导通与关断的频率快和慢，就能改变输出交流电频 率高和低，改变直流环节电压高和低，就能调节交流输出电 压幅值大与小。
交-直-交变换器
5.2 电压型与电流型变换器
交-直-交变换器
5.2.1 电压型变换器
1．电路结构
电压型变换器的特点是直流电源接有很 大的滤波电容，从逆变器向直流电源看 过去电源内阻为很小的电压源，保证直 流电压稳定。
交-直-交变换器
交-直-交变换器
2. 输出电压波形
开关元件每隔60°电角度按标号1、2、3、4、5、 6的次序导通，每个元件导通180°就关断，即 同一支臂的两个元件一个导通，另一个关断， 经过360°完成输出电压波形的一个周期。
交-直-交变换器
图5-11 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
交-直-交变换器
图5-12画出了一正弦波的正半波，并将其划分为k等分 (图中k＝7)。将每一等分中的正弦曲线与横轴所包围 的面积都用一个与此面积相等的等高矩形波所替代， 从而得到一组等效于正弦波的一组等幅不等宽的矩形
脉冲的方法称为逆变器的正弦脉宽调制(S1L 6ud 0.78ud
(5-5)
这种变换器向对称的星形连接的负载供电，输出线对 中点的电压即相电压波形，在每个周期中有六个不同 状态，故称六阶梯波，如图5-4所示。
交-直-交变换器
图5-4 三相变换器相电压波形和在每周期的六个状态
交-直-交变换器
状态1，0°~60°期间，开关元件5、6、1导通，相当于5、6、 1开关闭合。输出端U、W接到电源正极，V端接电源负极，
交-直-交变换器
图 53 三 相 变 换 器 输 出 电 压 波
形
交-直-交变换器
三相线电压为120°宽交变方波。图5-3(a)、(b)、(c)中
电压波形幅值为Ud/2的矩形波。
线电压的有效值：
U L 1 0 2 3 (U A )2 B d (ω ) t1 0 2 3 U d 2 d (ω ) t3 2 U d 0 .8U 1 d(56 -4)
交-直-交变换器
3. 输出电流波形
图5-6 三相变换器△接阻抗负载电压电流波形
交-直-交变换器
5.2.2 电流型变换器
1. 电路结构
电流型变换器的电路原理图如图5-7所示，电流型变换 器的特点是直流电源接有很大的电感，从逆变器向直 流电源看过去电源内阻为很大的电流源，保证直流电 流基本无脉动。
交-直-交变换器
交-直-交变换器
三相桥式逆变器
交-直-交变换器
在双极性SPWM控制方式中，同一相上、下两 个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防 止上、下两个臂直通而造成短路，在给一个臂 施加关断信号后，再延迟时间，才给另一个臂 施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开 关器件的关断时间决定。这个延迟时间将会给 输出的SPWM波形带来影响，使其偏离正弦波。
交-直-交变换器
图5-8 电流型变换器输出电流波形
由电压型变换器的波形分析可类推得电流型变换器的
输出基波电流有效值为
IU1
6
Id
0.78Id
(5-6)
交-直-交变换器
5.3 电压型变换器与电流型 变换器的比较
交-直-交变换器
5.4 脉宽调制(SPWM)变换器
交-直-交变换器
功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极 型晶体管(BJT、MOSFET、IGBT)是自关断器件。 用它们作开关元件构成的SPWM变换器，可使 装置的体积小、斩波频率高、控制灵活、调节 性能好、成本低。SPWM变换器，简单地说， 是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间分配 规律，在变换器输出端获得等幅、宽度可调的 矩形波。这样的波形可以有多种方法获得。