电力电子技术PPT 第5章 DC-AC变换电路

内容提要与目的要求
掌握逆变的概念和逆变的条件； 掌握逆变的概念和逆变的条件； 掌握三相有源逆变电路的波形及计算； 掌握三相有源逆变电路的波形及计算； 了解逆变失败的原因及最小逆变角的限制； 了解逆变失败的原因及最小逆变角的限制； 了解变流电路的换流方式； 了解变流电路的换流方式； 掌握电压型逆变电路和电流型逆变电路的特点； 掌握电压型逆变电路和电流型逆变电路的特点； 掌握三相电压型逆变电路、 掌握三相电压型逆变电路、单相并联谐振式逆变电路及串 联二极管式电流型逆变电路的工作原理及换流方式； 联二极管式电流型逆变电路的工作原理及换流方式； 掌握PWM控制方式的理论基础及脉宽调制型逆变电路的控 掌握 控制方式的理论基础及脉宽调制型逆变电路的控 制方式； 制方式； 了解规则采样法的计算方法。 了解规则采样法的计算方法。 重点：三相桥式逆变电路的原理与参数、 重点： 三相桥式逆变电路的原理与参数、 脉宽调制和谐波 消除方法。有源逆变的条件和有源逆变失败的原因。 消除方法。有源逆变的条件和有源逆变失败的原因。
2、三相全控桥式电路逆变波形
三相全控桥式变流电路当满足相应条件时就 可工作于有源逆变状态，此时其对脉冲的要 求和整流时相同。 下图给出了不同逆变角时输出电压波形，晶 闸管两端波形与图5-3类同。
二、参数计算
1、输出电压平均值计算
U d = U d 0 cosα = U d 0 cos(π − β ) = −U d 0 cos β
I dVT 1 = Id 3
三相半波平均 电流等于晶闸 管 三相全控桥平 均电流等于0
I VT =
1 Id 3
变压器二次侧电流的有效值为 三相半波电路： 三相全控桥式电路：
I 2 = I VT = 1 Id 3
I 2 = 2 I VT =
2 Id 3
3、功率计算
从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：
第五章 DC-AC变换电路 DC-AC变换电路
内容提要与目的要求 内容提要与目的要求 第一节 有源逆变的基本原理 第二节 有源逆变应用电路 第三节 无源逆变电路 第四节 电压型和电流型逆变器 脉宽调制（ 第五节 脉宽调制（PWM）型逆变电路 ） 三相电压源型SPWM逆变器的仿真 第六节 三相电压源型 逆变器的仿真
2 Pd = RΣ I d + E M I d = U d I d
当逆变工作时，EM、Ud均为负值，故Pd 一般也为负值，表示 功率由直流电动势流向交流电源。
4、逆变时的功率因素
Pd cos ϕ = S
式中，cosφ为负值，表明电路工作在逆变状态。
三、逆变失败的原因
逆变失败（逆变颠覆）： 逆变失败 – 逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源会通过晶闸管电 路形成短路，或者直流电动势和变流器的输出平均电压顺向串联， 形成很大的短路电流。 逆变失败的原因： 逆变失败的原因： – ⑴触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲， 如脉冲丢失、脉冲延迟、脉冲次序颠倒等，致使晶闸管不能正常换 相，从而使交流电源电压和直流电动势顺向串联，形成短路。 – ⑵晶闸管发生故障，应关断时不能关断，应导通时不能导通，造成 逆变失败。 – ⑶交流电源发生缺相或突然消失，由于直流电动势存在，晶闸管仍 可导通，直流电动势通过晶闸管电路而使电路短路。 – ⑷换相的裕量角不足，引起换相失败。应考虑变压器漏抗引起重叠 角对逆变电路换相的影响。
四、确定最小逆变角βmin的依据 确定最小逆变角β
逆变时允许采用的最小逆变角β应等于 βmin=δ+γ+θ＇ 式中：δ为晶闸管的关断时间tq折合的电角度；γ为换相重叠角；θ ＇为安全裕量角。 (1)晶闸管的关断时间tq一般大的可达200～300us，对应的电角度 为3.6°～5.4° (2)换相重叠角γ仍可用下式计算： cos α − cos(α + γ ) = I d X B ' π
从上述分析可归纳出产生逆变的条件：
– ①外部条件：要有直流电动势，其极性与晶闸管的导通方向
一致，其值应大于直流侧平均电压；
– ②内部条件：要求晶闸管的控制角α＞π/2，使Ud为负值。
两者必须同时具备才能实现有源逆变状态。 必须注意：半控桥或带续流二极管的变流电路，由于其整流电压 Ud 不会出现负值（不满足内部条件），也不允许直流侧有负极 性的电动势（不允许直流电动势顺向串联） ，因此不能实现逆 变。
无源逆变
定义：当交流侧直接与负载相连，称为无源逆变 定义 ：
。无源逆变是将直流电变为某一频率或可调频率 的交流电供给负载。
用途：无源逆变电路常用于交流电动机调速用变 用途 ：
频器、不间断电源、感应加热电源等场合。此外 ，它还常用于将蓄电池、干电池、太阳能电池等 直流电源逆变为交流电供给交流负载。
第一节 有源逆变的基本原理
U m sin m
一般重叠角γ仅为15°～20°。
(3)安全裕量角θ’
– 考虑脉冲间隔的不均匀，电网电压的波动对触发电路的影响
及温度变化等因素的影响，一般取安全裕量角为10°。 这样，最小逆变角βmin一般取30°～35°。设计逆变电路时必须 保证β≥βmin ，因此在触发电路中会附加一个保护环节，使脉冲 不进入小于βmin的区域内。
输出电压平均值的近似计算和整流时一样。 式中Ud0 表示α=0°时的输出电压平均值，三相半波变流 电路Ud0 =1.17U2。 三相全控桥式变流电路Udo=2.34U2 。
2、电流计算
输出电流平均值亦可用整流的公式，即：I d =
U d − EM RΣ
在逆变状态时，Ud、EM的极性和整流时相反，均为负值。 每个晶闸管导通2π/3（120o），因此流过每个晶闸管的电流平 均值、有效值分别为：（设Id波形平直连续） I
1
2
一、电能的 交换
二、有源逆 变的条件
一、电能的交换
对于整流电路而言，当其满足一定的条件 ，则可工作于有源逆变状态。将这种既可 工作在整流状态又可工作在逆变状态的整 流电路称为变流电路（Convertor）。 变流电路（
图5-1a 两电动势顺向串联，向电阻RΣ 从G流向M，M吸收电功率。RΣ 图5-1c M电动运转，EG>EM，电流Id 供电，G和M均输出功率，由于 图5-1b 回馈制动状态，M作发电运转，此时，EM>EG，电流反向，从M E 为主回路总电阻。由于Id和EG同方向，与EM反方向，因此G输出电功率 RΣ一般都很小，实际上形成短路，在工作中必须严防这类事故发生。 流向G。故M输出电功率，G则吸收电功率，M轴上输入的机械能转变为电 PG=EGId，电能由G流向M，M吸收功率PM= EMId，再转变为机械能，RΣ 能反送给G。Id的值为： E E 上是热耗。Id的值为： EGM−− EG M I =
换相重叠角的影响
a b c iVT
1 2 3
LB V T1 LB V T
2
L id ud M EM +
iVT
LB V T3
iVT
o ud ua ub uc ua ub
O
p
ωt β <γ ωt
α
id O iVT
2
β γ β >γ
3
β γ
iVT
2
iVT
ห้องสมุดไป่ตู้
iVT
1
iVT
3
•以VT3和VT1换相为例，如果换相裕量角不足，即β<γ 时（从上图 的波形中可清楚地看到），换相尚未结束时，电路工作状态达到自 以VT1和VT2换相为例，当β >γ 时，换相结束时，b相电压 为了防止逆变失败，逆变角β不仅不能等于零，而且不能太小，必须限制 然换相点p点，之后，uc将高于ua ，导通着的晶闸管VT1会重新关断， 仍高于a相电压，所以晶闸管VT1承受反向电压而关断。 在某一允许的最小角度内。 不能关断而继续导通，且c相电压随着时间推 而应关断的晶闸管VT3 移愈来愈高，电动势顺向串联，最终导致逆变失败。
换流方式分类
4. 强迫换流（Load Commutation） 3. 负载换流（Line Commutation） 1. 器件换流（Device Commutation） 总共有四种换流方式 Commutation） （Forced 2. 电网换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流 1. 器件换流 设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫 由电网提供换流电压称为电网换流 电网换流 由负载提供换流电压称为负载换流 负载换流 施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫 强迫 可控整流电路、交流调压电路和采用相 负载电流相位超前于负载电压的场合， 换流,通常利用附加电容上储存的能量来实现， 换流都可实现负载换流 控方式的交交变频电路 2. 电网换流 也称为电容换流 电容换流 不需器件具有门极可关断能力，也不需 负载为电容性负载时，负载为同步电动 要为换流附加元件 3. 负载换流 机时，可实现负载换流 4. 强迫换流
直流
交流
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uo的波形相同，相位也相同 阻感负载时，io基波相位滞后于uo基波相位，波形也不同
并增大
io前：S 、S 导通，u 和i 2均为正 变负，但i 不能立刻反向 从电源负极流出，经S 、负载和S t1时刻断开S4 、S4，合上S2、S3，uo 3 流回正极，负载电感 1 o 1 o o 能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向
• 把α > π /2时的控制角用π− α = β表示，β 称为逆变角。 • 逆变角β和控制角α的计量方向相反，其大小自β =0的起
始点向左方计量，两者的关系是α＋β =π 或β =π−α。
一、逆变时的波形
1、三相半波逆变波形 、 α＜π/2的范围内，Ud波形的正面积大于负面积，则Ud＞0，工 作在整流状态，Id从Ud的正端流出，电网输出功率。 α=π/2时，Ud的正面积等于负面积，处于临界状态。 α＞π/2的范围内，Ud波形的正面积小于负面积，则Ud＜0，工 作在逆变状态，Id从Ud的负端流出，电网输入功率。 由晶闸管VT1两端的电压波形可以看出，在整流状态，晶闸 管阻断时主要承受反向电压，而在逆变状态，晶闸管阻断时 主要承受正向电压。
定义
将直流电转变成交流电，这种对应于整流 的逆向过程称为逆变（Invertion）。 逆变（ 把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电 逆变电 路。
有源逆变
定义： 当交流侧接在电网上，即交流侧接 定义 ：
有电源时，称为有源逆变。有源逆变电路 是将直流电功率返送回电网。 用途： 有源逆变电路常用于直流可逆调速 用途 ： 系统、交流绕线转子异步电动机串级调速 及高压直流输电等场合。
二、换流方式分类
换流：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，称为环 流，也称为换相。 开通：适当的门极驱动信号就可使其开通 关断： 全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关 断，所以晶闸管的关断要比开通复杂得多。 研究换流方式主要研究如何使器件关断。 无论是整流还是斩波中，都存在换流问题，但在逆变电路 中换流及换流方式问题最为全面和集中，因此把环流问题 放在本章讲述。
以单相全波电路给直流电动机负 载供电为例 电动机输入 电功率
图中 M电动运行，全波电路 工作在整流状态， α 在0~π/2间， Ud 为正值，并且Ud >EM ，才能 输出Id 。
交流电网输 入电功率
图中M回馈制动，由于 晶闸管的单向导电性，Id 方向不变，欲改变电能的 输送方向，只能改变EM 极 性。为了防止两电动势顺 向串联，Ud 极性也必须反 过来，即Ud 应为负值，且 电动机输出电功 |EM|>|Ud|，才能把电能从 率 直流侧送到交流侧，实现 逆变。 Ud 可通过 改变α来进 行 调节，逆变状态时Ud为负 值，逆变时在π/2～π之 间。
第二节 有源逆变应用电路
一、逆变时 的波形
有源逆变 应用电路
四、确定最小 逆变角 βmin的依据 的依据
二、参数 计算
三、逆变失败 的原因
逆变和整流的区别
逆变和整流的区别：控制角 α 不同
•
0<α <π /2 时，电路工作在整流状态。
• π /2< α < π时，电路工作在逆变状态。
可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计 算等各项问题。
Idd =
R RΣ ∑
由上述分析，可以得出如下结论： ①两电源同极性相连时，电流总是从电势高的流 向电势低的。电流大小取决于电势差和回路电阻 。 ②与电流同方向的电动势输出功率，而与电流反 方向的电动势吸收功率。 ③两电源反极性相连时形成短路，应严防发生。
交流电网 输出电功 率
二、有源逆变的条件
第三节
无源逆变电路
无源逆变电路
一、逆变电 路的基本工 作原理
二、换流方 式分类
一、逆变电路的基本工作原理
许多情况下不加说明时，逆变电路一般多指无源逆变电路 。 下图为单相桥式逆变电路，图中S1～S4是桥式电路的4个 臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。
S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负