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第5章 交-直-交变换器 45页

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交流-直流(ACDC)变换器

交流-直流(ACDC)变换器

VD导通阶段结束。这时电容上的电压值为
U
C0

2U
2
sin( )
2U
2
sin
RC放电曲线，如图2-34c）所示。其电压表达式为
1
uC uR U
C0
e
RC
(t

)

在电源电压的第二个周期中，当 u
2
再次上升到等于 u C
时， ，这时有
VD将再次导通，设 u 2 u C
2. 数学表达式
不计换流时
U
do
( )
m

U
m
sin

m
m
Um
2U 2U
2 2
Ud0m
0.9U2 1.17U2 2.34U2
cos U
dom
cos
单相桥式 三相半波 三相桥式
2 3 6
计及Lc换流及内阻影响时
U d ( ) U ( ) ( m sin
6 U2

m
（二）有源逆变条件
直流侧必须有直流电源EB（如：大电感或电势负载），电势极性必须和变换器 允许电流流动方向一致。
变换器为可输出负压的全控整流桥。(半控桥或带有续流二极管的全控整流桥无 法得到负电压就不可能有源逆变。）
调节α>90°，且使1-Ud1略小于EB（EB小于变换器能够产生的直流最大负压值 （三相桥式为2.34U ）
电路图
（交流侧电感Lc的影响）
VT5与VT1换流时的等效电路
换流对整流电路的影响
交流电感上的电压； 对输出电压的影响； 对元件电流变化率的影响； 元件电压的特点。
5. 有源逆变电路

交直流变换技术.ppt

交直流变换技术.ppt
2
第三章: AC/DC变换技术(整流)
——相控整流电路的基本结构
图：相控整流电路的结构框图
3
第三章: AC/DC变换技术(整流) ——对整流电路的基本要求：
（1）输出的电压的可调范围大，直流电压脉动小； （2）功率器件导电时间尽可能长，承受的正反向电压较低； （3）变压器利用率高，尽量防止直流磁化； （4）交流电源功率因数高，谐波电流小。
（4）由整流电路构成的设备或装置称为整流变换器。
1
第三章: AC/DC变换技术(整流)
——整流电路的分类
（1）按整流器件的可控性可分为： 全控整流、半控整流和不可控整流 （2）按控制方式可分为： 相控整流和PWM（脉冲宽度调制）整流
（3）按整流输出波形和输入波形的关系可分为： 半波整流和全波整流 （4）按电路结构可分为： 桥式电路和零式电路 （5）按输入交流相数分为： 单相、三相和多相电路
6
第三章: AC/DC变换技术(整流) ——学习方法
（1）听、看、思 （2）临摹——利用MATLAB仿真 （3）动手
7
4
第三章: AC/DC变换技术(整流) ——整流电路的理想化处理

功率器件正向导通时阻抗为零（压降为零） 关断时阻抗无穷大（或电流为零） 整流变压器绕组无漏抗，无内阻 交流电网的容量足够大，电源是恒频恒压对称



5
第三章: AC/DC变换技术(整流) ——学习的主要内容
一、重点掌握单相、三相相控整流电路； （1）掌握整流电路的结构形式； （2）掌握利用整流电路的工作波形去分析整流电路工作 原理的方法； （2）掌握整流电路的各种数学关系以及简单设计方法 二、熟悉变压器漏抗对整流电路的影响； 三、熟悉整流电路的谐波和功率因数分析； 四、了解新型的PWM整流电路。

《交交变换器》ppt课件

《交交变换器》ppt课件

(2)通断控制 即把晶闸管作为开关，经过改动通断时间比值到达调压的目的。这种控制 方式电路简单，功率因数高，适用于有较大时间常数的负载；缺陷是输出 电压或功率调理不平滑。
(3) 斩波控制 利用开关管的开关作用，以远高于交流电频率的频率，经过改动导通比， 改动输出的交流电有效值，到达调压的目的。开关管应采用全控型电力电 子器件。
α=0º时的波形
② 控制角α=30º
各相电压过零30º后触发相应晶闸管。以 U相为例，uu过零变正30º后发出VT1 的触发脉冲ug1，uu过零变负30º后发 出VT4的触发脉冲ug2 。
归纳α=30º时的导通特点如下：每管继续 导通150º；有的区间由两个晶闸管同 时导通构成两相流通回路，也有的区 间三个晶闸管同时导通构成三相流通 回路。
晶闸管交流开关是一种快速、理想的交流开关。晶闸管交流开关总是在电流过零时关断，在关断时不会因负载或线路电感储 存能量而呵斥暂态过电压和电磁干扰，因此特别适用于操作频繁、可逆运转及有易燃气体、多粉尘的场所。
3.5 交-交变频电路
3.5.1 单相交-交变频电路
1 根本构造
单相交-交变频电路由两组反并联的晶闸管整流器构成，和直 流可逆调速系统用的四象限变换器完全一样，两者的任务 原理也类似。
3 根本类型及任务原理
(1) 方波型交-交变频器 当正组供电时，负载上获得正向电压；当反组供电时，负载上
获得负向电压。 假设在各组任务期间α角不变，那么输出电压为矩形波交流电
压。改动正反组切换频率可以调理输出交流电的频率，而改 动的α大小即可调理矩形波的幅值。
(2) 正弦波型交-交变频器 正弦波型交-交变频器的主电路与方波型的主电路一样，但正
5．输入输出特性
(1) 输出上限频率 交-交变频器的输出电压并不是平滑的正弦波形，而是由假设

直直变换器

直直变换器

ILmax ILmin ILmax ILmin ILmax t ILmin t t
+
uL
-
-
（b）工作状态2（S断开） 图5.18 升降压型电路电感电流 连续时的工作状态
16
图5.19 升降压型电路电 感电流连续时的工作波形
电力电子技术（第二版）
5.2.3 升降压（Buck-Boost）型直直变换器 ug 2. 电感电流临界连续 T
图5.8 降压型电路电流连续与断续临界状态时的工作波形
9
5.2.1 降压（Buck）型直直变换器 3. 电感电流断续工作模式 u T
g
电力电子技术（第二版）
当电流断续时，该电路在1个 开关周期内经历3个工作状态
is S us iL L uL
s
ton 0 t us 0 0 uL Ui-Uo Uo t1 Ui
5.2.1 降压（Buck）型直直变换器 2. 电感电流临界连续
降压型直直变换器电 路的电感电流处于连 续与断续的临界状态 时，在每个开关周期 开始和结束的时刻， 电感电流正好为零。
临界电流 平均值
I oK 1 D 2L U oT s
ug Ts ton 0 t us 0 0 uL Ui-Uo iL Io is iD 0 IDmax t Uo ILmax t Ismax t t1 Ui t t toff t2 t
（a）
Ui
L iL S
uL
+
us
-
ic C
io + R Uo
+
-
D iD
-
（b）
Ui
L iL
uL
+
+
us

交直交变换器

交直交变换器

图 53 三 相 变 换 器 输 出 电 压 波 形
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：
UL 1

(U AB ) d (ωt )
2
2 3 0
1


2 2 3 U d d (ωt ) 0
2 U d 0.816U d (5-4) 3
5.4.2 同步调制和异步调制
在SPWM变换器中，载波频率与调制信号频率 之比称为载波比。根据载波和信号波是否同步 及载波比的变化情况，SPWM变换器可以有异 步调制和同步调制两种控制方式。
1. 异步调制
在异步调制方式中，调制信号频率变化时，通常保持 载波频率固定不变，因而载波比 m 是变化的。在调制 信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相 位也不固定，正负半周期的脉冲不对称。 当调制信号频率较低时，载波比 m 较大，半周期内的 脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后 1/4周期脉冲不对称的影响都较小，输出波形接近正弦 波。当调制信号频率增高时，载波比 m 就减小，半周 期内的脉冲数减少，输出脉冲的不对称性影响就变大， 还会出现脉冲的跳动。对于三相 SPWM 型变换器来说， 三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方 式时的高频段，希望尽量提高载波频率。
三相桥式逆变器
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。

《直流交流变换器》课件

《直流交流变换器》课件
可再生能源系统中的直流交流变换器具有较高的能量转换效率和可靠性，能够实现 可再生能源的稳定并网和发电。
直流交流变换器在可再生能源系统中的应用有助于推动可再生能源的发展，减少对 化石能源的依赖，降低环境污染。
06
直流交流变换器的未来发展与挑战
技术发展趋势
高效能
随着能源需求的日益增长，直流 交流变换器的高效能技术将不断
分布式电源系统中的直流交流变 换器具有较小的体积和重量，能 够实现高效、灵活的能源转换，
提高能源利用效率。
直流交流变换器在分布式电源系 统中的应用有助于实现能源的分 散化和智能化管理，提高能源供
应的可靠性和稳定性。
可再生能源系统中的应用
在可再生能源系统中，直流交流变换器可以将直流电能转换为交流电能，促进可再 生能源的开发和利用。
工作原理
通过一定的电路结构和控制方式 ，实现直流电和交流电之间的转 换。
直流交流变换器的应用场景
分布式电源系统
在分布式电源系统中，直流交流变换 器可以用于将光伏、风能等可再生能 源发出的直流电能转换为交流电能， 供给负载使用。
电动汽车充电桩
智能家居系统
智能家居系统中的电源适配器可以将 直流电能转换为交流电能，供给各种 家用电器使用。
力巨大。
竞争格局
市场竞争激烈，企业需要不断提 高技术水平和产品质量，以应对
同行的挑战。
法规与标准
各国政府对能源转换效率和环保 要求日益严格，企业需要关注相 关法规和标准的变化，确保产品
符合要求。
未来研究方向
新材料应用
探索新型材料在直流交流变换器中的应用，以提 高能源转换效率和降低成本。
多功能集成
研究如何将多种功能集成于一个变换器中，以实 现更高效、紧凑的能源转换解决方案。

交直交变换器


t
另一种方法（续）
1 2
3
v
IV阶段 Ud
u w
Z
uuv Ud，uvw Ud，uwu 0
Z Z
N
uuN

Ud 3
，uvN

2Ud 3
，uwN

Ud 3
O uuv
4 5 6
t
v
V阶段 Ud
w u
Z Z Z
uuv Ud，uvw Ud，uwu Ud
N
uuN


2Ud 3
，uvN

Ud 3
，uwN

Ud 3
Ud O
t
w
VI阶段 Ud
u v
Z Z Z
uuv 0，uvw Ud，uwu Ud
向
t4：u开o通=−VUT1d，/ 关断VT2，io<0，VD1续流， 2
t4~t5：VD1通态，uo=Ud/2，io反向 t5：uo=Ud/2，io=0
输出电压为矩形波，其幅值为Ud/2 输出电流io波形随负载情况而异
Ud 2
Ud
Ud 2
C1
VT1
io R L
uo
C2
VT2
VD1 VD2
Ud
t4 t5 t6
输出电压uo为正负各宽的交变矩形波， O t1 t2 t3 t7
()t
改变即可调节Uo的大小。
I II IV V III VI
把uo展开成傅立叶级数为
uGE1
n1
uo

4U d

n1,3,5,
1 n
2
sin n sinnt
2

大学电力电子技术 第五章交-直-交变换器d


同步调制方式，效果和分段同步方式接近 降低时的切换频率。
5.5.3 SPWM波的生成

SPWM波的生成方法大体上有3种：采用模拟电路产生； 采用专用集成电路产生；由微机直接产生。
根据 SPWM 逆变器的基本原理和控制方法，可以用模拟 电路构成三角波载波和正弦参考波发生器，用比较器来 确定它们的交点，在交点时刻对功率开关管的通断进行 控制，这样就可以得到 SPWM 波。但这种模拟电路的缺 点是结构复杂，难以实现精确控制。现已有专门产生 SPWM 波的专用集成电路，可简化控制电路并提高可靠 性(在后续章节介绍)。
载波比 ——载波频率fc与参考信号频率fr之比，N= fc / fr。

根据载波和参考信号是否同步及载波比的变化情况，SPWM调 制方式分为异步调制、同步调制和分段同步调制。
1. 异步调制 ——载波和参考信号不同步的调制方式。

通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的。 在参考信号的半周期内，SPWM波的脉冲个数不固定，相位也 不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后 1/4 周期的 脉冲也不对称。 当 fr 较低时， N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生 的不利影响都较小。 当 fr 增高时， N 减小，一周期内的脉冲数减少，脉冲不对称的 影响就变大。
uuv
Ud
2U d 3
t
O
u uN
t
2U d 3
Ud
Ud 3 Ud 3
O

2U d 3
t
在双极性 SPWM 控制方式中，同一相上下两个
桥臂的驱动信号是互补的。但实际上为了防止
上、下两个桥臂直通而造成短路，留一小段上
下臂都施加关断信号的死区时间。

电力电子技术：第五章 直流-交流(DC-AC)变换


并联谐振式逆变器工作过程
tμ 换流时间（期间4阀同时导通）； tβ（=K β tq ）恢复阻断时间（ K β >1，tq 晶闸管关断时间）； tδ 越前触发时间 tδ = tμ + tβ --> 相当于i0 超前u0 一个tφ= tμ /2+ tβ tφ > tq 时，能保证可靠换流。
5.2 负载谐振式逆变电路
5.1 逆变电路概述
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储能元件，逆变器呈现低内阻特性，直流电压大 小和极性不能改变，能将负载电压钳在电源电压水平上，浪涌过电压低，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。电流源型逆变器直流电流方向不变，可通过改变变流器的工作状态 (逆变器整流器)，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。
w 5ic
w 3iR31
w i4 R11
并 联 多 重 化
反Z/∆连接组及其电流波形
ir11
ia
ic
w3 w5
i i R11
R 31
w4 w5
i i R21
R11
ir12
ib
ia
w1 w2
i i R12
R 32
1
3
i i R12
R 32
5.5 逆变电路的多重化及多电平化
一般来说，如使m个三相桥式逆变电路依次错开 /(3m) 相位，
并采用输出变压器作m重化串联且抵消上述相位差，就可以构成（电压） 脉波数为6m的电压源型逆变电路。
串联多重化
图示为二重化三相电压源逆 变器主电路。电路共用一直 流电源E，输出电压通过变 压器T1、T2串联合成。

电力电子技术第五章-直直变换器


1 (Ui 2
Uo L
)
DTS
Ui Uo
D Uo R
Ui Uo
2
Ui Uo
2L D2TS R
0
求解上式得：
电感电流断续时的工作波形
Uo 1 4K 1
Ui
2K
令 K 2L
D2TS R
电压传输比与占空比 D 和负载 R 相关，也与电路参数 L 和 TS 有关。与占空比D
为非线性关系。
三. BUCK变换器的应用
◆利用能量平衡推导
UO D Ud
开关S导通时电感电流上升幅值： I r
(U d
Uo) L
Ton
开关S关断时电感电流下降幅值： I f 已知： Ir I f
Uo L
Toff
则：
M Uo Ton D Ud T
UO D Ud
Ug
Ua Ud Ua
uL Ud Uo
uL
Ud Uo
L
iL
I r
5.2.1 降压型直直变换器(BUCK Converter)
BUCK降压直直变换器是一种基本的非隔离DC/DC变换
器，其输出直流电压低于输入直流电压，通称为BUCK变换
器，电路结构如下图：
S
Ua
L
+
1
2
+
2
Ud
Ug
D
C RL Uo
1
图中：
-
-
S为功率MOSFET器件，工作在开关状态；若为晶闸管，须有辅助 关断电路。
Ug Ua Ud
等效电路如b图所示，此时Ua等于Ud, D截止， Ua
电感电压 等于uL Ud-Uo，电感电流 线性iL 上升，
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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
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 器的特点是直阻为很大的电流源，保证直流电 流基本无脉动。
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。
第5章 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。
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。
图5-11
形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
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(SPWM)。
2．单极性调制与双极性调制
图 53 三 相 变 换 器 输 出 电 压 波 形
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：
UL 1

0 3 (U AB ) d (ωt )
2
2
1

0 3 U d d (ωt )
2
2
2 U d 0.816U d (5-4) 3
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。
5.2 电压型与电流型变换器
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。
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。
线电压基波分量有效值：
U 1L 6

u d 0.78u d
(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。
图5-4 三相变换器相电压波形和在每周期的六个状态
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， 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。
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 6 I U1 I d 0.78 I d (5-6)

5.3 电压型变换器与电流型 变换器的比较
5.4 脉宽调制(SPWM)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。