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第四章 DC-AC变换技术 LOGO 第4章 DC-AC 变换技术 4.1 逆变电路概述 4.2 相控有源逆变电路 4.3 单相无源逆变电路 4.4 三相无源逆变电路 4.5 多电平和多重逆变电路 4.6 无源逆变电路设计举例 本章小结 4.1 逆变电路概述 4.1.1 逆变电路的概念及应用 在生产实践中，存在着与整流过程相反的要求，即要求把直流电转变成交流电，这种对应于整流的逆向过程，定义为逆变。 把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。 当交流侧和电网连接时，这种逆变电路称为有源逆变电路。 应用：直流可逆调速系统，交流绕线转子异步电动机串级调速，高压直流输电。 如果逆变电路的交流侧不与电网连接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，称为无源逆变。 应用：各种直流电源，变频器，UPS，感应加热器，风力发电等。 目前，绝大多数逆变电路都采用全控型器件，简化了逆变主电路，提高了逆变器的性能。小功率多用MOSFET，中功率多用IGBT，大功率则用GT0。 4.1.2 换流方式 所谓换流(也称为换相)就是电流从一个导电支路转移到另一个导电支路的过程。换流过程，就是使原来处于阻断状态的某个支路转变为导通状态，而原来处于导通状态的某个支路转变为阻断状态。 电力电子电路中采用的换流方式有以下几种： 1．电网换流(Line Commutation) 利用电网提供换流电压进行换流称为电网换流。在换流时，利用电网电压给欲关断的晶闸管施加一反向电压并保持一定时问，即可使其关断。这种换流方式主要适用于半控型器件，而且不需要为换流添加任何元件。 2．负载换流(Load Commutation) 4.1.2 换流方式 利用负载自身提供换流电压的换流方式称为负载换流。采用负载换流时，要求负载电流的相位必须超前于负载电压的相位，即负载为电容性负载，且负载电流超前电压的时间应大于晶闸管的关断时间，才可以实现负载换流。 3．强迫换流(Forced Commutation) 强迫换流是采用专门的换流电路，给欲关断的晶闸管强制施加反向电压或反向电流的换流方式。这种换流方式一般是利用预先储存有足够能量的换流电容器来实现，所以也称为电容换流。 1）电压强迫换流 2）电流强迫换流 4.1.2 换流方式 图4-1 电压强迫换流原理图 图4-2 电流强迫换流原理图 4．器件换流(Device Commutation) 利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。器件换流是换流方式中最简单的一种。适用于各种由全控型器件构成的电力电子电路。 上述四种换流方式，前三种方式主要是针对晶闸管的关断而言的。而器件换流只适用于全控型器件。 4.1.3 逆变电路的基本工作原理 此处仅以一个简单的例子说明无源逆变的基本工作原理。 图4-3逆变电路原理及波形 当开关S1、S4闭合，S2、S3，断开时，负载电压u0为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压u0为负。其负载电压的波形如图5-4(b)所示。这样就把直流电变换成了交流电。改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 4.2 相控有源逆变电路 以单相全控桥相控整流电路供电的起重用直流电动机系统为例，说明有源逆变的工作原理。 1．电路工作于整流状态，提升重物 4.2.1 有源逆变的原理和实现的条件 当控制角 在0～ ?/2之间时，电路工作在整流状态，直流电动机工作于电动状态。 Ud及E的正方向下，直流侧输出电压平均值 为正值，且大于电动机的反电动势E。此时输出整流电流平均值为 。通常主回路的总电阻R 很小，其电压降也很小，故 Ud=E 。 2．电路工作于逆变状态，下放重物 重物已由提升变为下放，电动机在重物带动下反转，电动机由电动状态变为发电状态，其电动势E极性已变为上负下正，如图4-6所示。 为了避免短路情况发生，变流电路直流侧输出电压Ud 的极性也必须反过来，变成上负下正，要使Ud极性变反，则要求 控制角??/2时才有可能实现。而且，由于晶闸管的单向导电性，电路中电流方向不会改变，为使晶闸管仍能承受正向电压而导通，还需 ，以保证电路中电流方向不变。电压正方形的规定与电路工作于整流状态时一致，则直流电流为 。 此时，电动机由重物下降所带动，发出直流电功率，电流从电动势E正端流出，从Ud的正端流入，相控电路将直流电功率逆变