第4章 直流-交流变换电路

第4章 直流-交流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
4.1 逆变电路的基本原理及换流方式
常用的晶闸管换流方法有3种：
电网换流、负载谐振式换流、强迫换流。
4.1.1 电网换流
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上，使晶闸管承受 反向阳极电压而关断。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。
4.2 逆变电路的类型
两类逆变器的比较
1) 电压源型逆变器采用大电容作为储能（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，适合稳频稳压电源、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 于快速频繁加、减速及正、反转的单机拖动系统。 2) 电流源型逆变器因采用大电感储能（滤波），主电路抗电流冲击能 力强，能有效抑制电流突变、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，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，若不接入负载，则系统不能运行。
电力电子技术
第4章 直流-交流变换电路
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。
4.1.3 强迫换流
在晶闸管导通期间，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。
2) 由于直流电流源的钳位作用，交流侧输出电流波形为 矩形波，并且与负载阻抗角无关。交流侧输出电压波形和相 位则与负载有关，因负载阻抗情况的不同而不同。 3) 由于直流环节电流Id不能反向，当无功功率从交流侧 向直流侧回馈时，只有改变逆变器两端直流电压的极性来改 变能量流动方向。因为此电路直流侧电流不能反向，所以开 关器件两端无需设置反并联续流二极管。
4.2 逆变电路的类型
电流源型逆变器采用电感作储能元件，图4-6为电流源型 单相桥式逆变器原理图，图中未绘出晶闸管换流电路。
4.2 逆变电路的类型
电流源型逆变器有如下特点： 1) 直流回路串一大电感Ld作为无功功率缓冲环节（滤波 环节），直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗，相 当于电流源。
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
负载换流逆变电路4个桥臂均 由晶闸管组成。其负载是电阻电感 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，直流电流近似为恒值，负载 电流是交变矩形波。
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。
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 4-3 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4-3 ｂ）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4-3 c）所示。电 容电压uC由-E上升过零直至+E，如图4-3 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
电感耦合式强迫换流
4.2 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 与外电路间存在着无功能量的交换。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 能元件来缓冲无功功率。在直流-交流逆变电路中，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。
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）。 强迫换流又可分为直接耦合式强迫换流和电感耦合式强 迫换流。
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。
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
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、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。 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。
4.1 逆变电路的基本原理及换流方式
4) 电压源型逆变器必须设置反馈二极管为负载提供感性无功电流通路， 主电路结构较电流源型逆变器复杂。电流源型逆变器的无功功率由滤波电 感储存，无需二极管续流，主电路结构简单。
4.2 逆变电路的类型
电压源型逆变电路采用电容作储能元件，图4-5为电压源 型单相桥式逆变电路。电压源型逆变电路具有如下特点：
4.2 逆变电路的类型
电压源型逆变电路具有如下特点： 1) 直流侧为电压源，或并联大电容C作为无功功率缓冲环 节（滤波环节），直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低 阻抗，相当于电压源。 2) 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为 矩形波，并且该波形与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流 波形和相位则与负载有关，因负载阻抗情况的不同而不同。 3) 当交流侧为阻感性负载时，需要提供无功功率，直流 侧电容起缓冲无功能量的作用。由于直流侧电压极性不允许 改变，当无功功率从交流侧向直流侧回馈时，只能靠改变电 流方向来实现，为此在各功率开关元件旁要反并联续流二极 管，为感性负载电流提供回馈无功能量至直流侧的通路。
由于直流环节储能元件的类型不同，因而逆变电路直流侧 电源的性质也分为两种不同类型： 直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，也称电压源型逆 变电路（Voltage Source Inverter——VSI）；
直流侧是电流源的称为电流型逆变电路，也称电流源型逆 变电路（Current Source Inverter——CSI）。
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
4.1 逆变电路的基本原理及换流方式
单相桥式逆变电路
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。
4.1 逆变电路的基本原理及换流方式
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。 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。
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。
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
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。