1、電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術1.1.三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路u圖圖3 34444（a a）是基本的三相半波可控整流電路，三相變壓器的次級繞組）是基本的三相半波可控整流電路，三相變壓器的次級繞組為帶中線的為帶中線的Y Y型接法，三個晶閘管陽極分別接至型接法，三個晶閘管陽極分別接至Y Y型的三相繞組上，陰極接型的三相繞組上，陰極接在一起，通過負載接至繞組中點。這種晶閘管陰極接在一起的接法稱共陰在一起，通過負載接至繞組中點。這種晶閘管陰極接在一起的接法稱共陰極接法。極接法。u在共陰極接法的整流電路中；各晶閘管的陽極電壓互不相同。在共陰極接法的整流電路中；

2、各晶閘管的陽極電壓互不相同。u三相半波可控整流電路觸發控制角三相半波可控整流電路觸發控制角 的起點應是三個相電壓的交點。的起點應是三個相電壓的交點。3 34444（a a）電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術下面分析大電感負載時的工作狀況：下面分析大電感負載時的工作狀況：u圖圖3 34444（b b）是）是 時的電壓波形。三個晶閘管將按三相電源的變化時的電壓波形。三個晶閘管將按三相電源的變化規律連續不斷地循環工作，每個管子導通規律連續不斷地循環工作，每個管子導通1/31/3周期，輸出電壓是一個脈動周期，輸出電壓是一個脈動直流電壓，一周期內脈動三次。脈動頻率是工頻的三倍。陰

3、影部分是輸出直流電壓，一周期內脈動三次。脈動頻率是工頻的三倍。陰影部分是輸出電壓波形，與三相電壓的包絡線相比，輸出電壓少了電壓波形，與三相電壓的包絡線相比，輸出電壓少了 角范圍內的一塊面角范圍內的一塊面積。積。 3 34444電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u圖圖3 34444（c c）是）是 時的電壓波形，由于是大電感負載，電流是連續時的電壓波形，由于是大電感負載，電流是連續并近似恒定的。輸出電壓中出現了負面積部分，但因正面積部分大于負并近似恒定的。輸出電壓中出現了負面積部分，但因正面積部分大于負面積部分，故平均電壓仍為正值。面積部分，故平均電壓仍為正值。3 344

4、44（c c）電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u如上所述可知，不論如上所述可知，不論 為多少。輸出直流電壓的平均值為多少。輸出直流電壓的平均值 均可取均可取A A相電壓相電壓 在一個脈動期在一個脈動期 （1/31/3周期）周期） 內的平均值來計算。內的平均值來計算。 又由于電又由于電流連續，流連續， 積分的上積分的上 、下限分別是、下限分別是 和和故有故有：式中：為變壓器副邊相電壓有效值。式中：為變壓器副邊相電壓有效值。晶閘管的電流平均值為晶閘管的電流平均值為晶閘管電流有效值為晶閘管電流有效值為變壓器次級電流有效值和晶閘管電流有效值相同有變壓器次級電流有效值和晶閘管電

5、流有效值相同有電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術2.2.三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路u上述共陰極接法的三相半波可控整流電路上述共陰極接法的三相半波可控整流電路, ,實際上僅在電實際上僅在電源的正半周工作，故稱半波整流。源的正半周工作，故稱半波整流。u將上述三相半波電路中的每個晶閘管改換方向，則三相電將上述三相半波電路中的每個晶閘管改換方向，則三相電路就變成了共陽極接法，晶閘管陰極接至各相繞組上。路就變成了共陽極接法，晶閘管陰極接至各相繞組上。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u如圖如圖3 34545（a a）所示，我們將一組共陰極接法

6、和一組共陽極接法的三）所示，我們將一組共陰極接法和一組共陽極接法的三相半波可控整流電路串聯后給負載供電。相半波可控整流電路串聯后給負載供電。u共陰極組整流器產生正的輸出直流電壓共陰極組整流器產生正的輸出直流電壓 ，共陽極組整流器由于，共陽極組整流器由于晶閘管改換了方向將產生負的直流電壓晶閘管改換了方向將產生負的直流電壓 ，負載上的直流電壓，負載上的直流電壓則為上二組輸出直流電壓之和，則則為上二組輸出直流電壓之和，則3 34545（a a）電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u圖圖3 34545（a a）中二組整流器中屬同一相的二個晶閘管，一個在電源正半）中二組整流器中屬同

7、一相的二個晶閘管，一個在電源正半周工作，另一個在負半周工作，故可將這一相的兩個變壓器副繞組合二為周工作，另一個在負半周工作，故可將這一相的兩個變壓器副繞組合二為一，就構成了圖一，就構成了圖3 34545（b b）所示的三相橋式全控整流電路。）所示的三相橋式全控整流電路。u將圖將圖3 34545（b b）再改畫一下）再改畫一下, ,可以得到如圖可以得到如圖3 34545（c c）所示的線路形式）所示的線路形式, ,就是三相橋式全控整流電路的通常畫法。就是三相橋式全控整流電路的通常畫法。u由上述分析可知，三相橋式全控整流電路乃是兩個三相半波可控整流電由上述分析可知，三相橋式全控整流電路乃是兩個三相

8、半波可控整流電路串聯的結果。故在同樣的變壓器副邊電壓時，橋式電路的輸出平均直流路串聯的結果。故在同樣的變壓器副邊電壓時，橋式電路的輸出平均直流電壓將比半波可控整流時大一倍，其表達式可由三相半波可控整流輸出電電壓將比半波可控整流時大一倍，其表達式可由三相半波可控整流輸出電壓的式（壓的式（3 31515）推得）推得3 34545（b b）3 34545（c c）電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u圖圖3 34646是三相橋式全控整流電路在控制角是三相橋式全控整流電路在控制角 時的輸出電壓波形，時的輸出電壓波形，顯然三相橋式整流電路輸出電壓的脈動頻率比半波整流大一倍。顯然三相

9、橋式整流電路輸出電壓的脈動頻率比半波整流大一倍。u橋式整流電路變壓器副邊繞組在正、負半波時分別對二組半波整流器橋式整流電路變壓器副邊繞組在正、負半波時分別對二組半波整流器供電，因此副邊繞組流過的是對稱交流電，所以變壓器的利用率比半波供電，因此副邊繞組流過的是對稱交流電，所以變壓器的利用率比半波整流時好得多整流時好得多。u三相橋式全控整流電路是工業應用中最常用的整流電路。三相橋式全控整流電路是工業應用中最常用的整流電路。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術四、有源逆變電路四、有源逆變電路u從三相半波可控整流電路的輸出電壓波形圖可知，當控制角從三相半波可控整流電路的輸出電壓波

10、形圖可知，當控制角 時，輸出電壓波形中出現了負值部分，只是正電壓部分的面積比負電壓時，輸出電壓波形中出現了負值部分，只是正電壓部分的面積比負電壓部分大，故而輸出直流平均電壓仍為正值，其值仍可用公式部分大，故而輸出直流平均電壓仍為正值，其值仍可用公式 表示，即三相半波可控整流的輸出直流電壓平均值將按控制角表示，即三相半波可控整流的輸出直流電壓平均值將按控制角 的余弦的余弦函數變化。函數變化。u如圖如圖3 34747所示，所示， 在在 的范圍內時，因輸出的直流電壓平均的范圍內時，因輸出的直流電壓平均值為負值，而輸出的負載電流由于晶閘管元件的單向導電性仍保持原有值為負值，而輸出的負載電流由于晶閘管元

11、件的單向導電性仍保持原有方向，故此時的整流器不再是輸出電能，而是能量從直流邊輸入，經過方向，故此時的整流器不再是輸出電能，而是能量從直流邊輸入，經過該整流器反送至交流電網上，此時的運行狀態稱之為逆變器運行狀態。該整流器反送至交流電網上，此時的運行狀態稱之為逆變器運行狀態。u因輸出的交流電和電網是接在一起的，其頻率就是電網頻率，且恒定因輸出的交流電和電網是接在一起的，其頻率就是電網頻率，且恒定不變，故這種逆變運行亦稱有源逆變。不變，故這種逆變運行亦稱有源逆變。u由此可見，整流和有源逆變是同一變流器電路的兩種不同的運行狀態。由此可見，整流和有源逆變是同一變流器電路的兩種不同的運行狀態。電氣工程概論

12、電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術圖圖3 34747表明了一個三相半波可控整流電路在大電感負載時從整流器運行表明了一個三相半波可控整流電路在大電感負載時從整流器運行狀態轉入到逆變器運行狀態的情況。狀態轉入到逆變器運行狀態的情況。u在整流器運行期間，作為負載的直流電機將作電動機運行并從交流電網在整流器運行期間，作為負載的直流電機將作電動機運行并從交流電網吸取能量。吸取能量。u在逆變器運行時在逆變器運行時, ,則反之，直流電機將作為發電機運行和將能量輸送至則反之，直流電機將作為發電機運行和將能量輸送至電網。電網。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u三相半波逆變電

13、路就是三相半波可控整流電路的三相半波逆變電路就是三相半波可控整流電路的 控制角控制角 在在 范圍內的運行方式。范圍內的運行方式。u輸出直流平均電壓輸出直流平均電壓 的計算方法亦與三相半波可控整流電路帶大電的計算方法亦與三相半波可控整流電路帶大電感時相同，即有感時相同，即有u采用逆變角采用逆變角 表示的輸出直流平均電壓計算式可表示為表示的輸出直流平均電壓計算式可表示為u有源逆變常用于直流輸電的變流站和直流電動機的調速制動。有源逆變常用于直流輸電的變流站和直流電動機的調速制動。u在直流輸電中，一般變流站閥體既可作整流狀態運行，又能作逆變狀在直流輸電中，一般變流站閥體既可作整流狀態運行，又能作逆變狀

14、態運行，使電力系統的電能傳輸可逆。態運行，使電力系統的電能傳輸可逆。u直流電動機調速中用有源逆變可將電動機的動能轉換成電能并反饋回直流電動機調速中用有源逆變可將電動機的動能轉換成電能并反饋回電網，實現電動機的迅速制動。電網，實現電動機的迅速制動。所以所以, ,有源逆變是可控整流電路的一種有實用意義的特殊工作狀態。有源逆變是可控整流電路的一種有實用意義的特殊工作狀態。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術五、二組晶閘管整流器反并聯可逆電路五、二組晶閘管整流器反并聯可逆電路u用三相半波可控整流電路給他激直流電動機電樞供電，則用三相半波可控整流電路給他激直流電動機電樞供電，則電動

15、機能實現二象限運行，即正轉電動機運行和正轉發電制電動機能實現二象限運行，即正轉電動機運行和正轉發電制動運行。動運行。u晶閘管整流器只允許電流單方向的通過，所以一組晶閘管晶閘管整流器只允許電流單方向的通過，所以一組晶閘管整流器不能滿足直流電機四象限運行的要求。為此，可以用整流器不能滿足直流電機四象限運行的要求。為此，可以用二組晶閘管整流器反并聯構成所謂的可逆電路，其中一組整二組晶閘管整流器反并聯構成所謂的可逆電路，其中一組整流器為一個方向的電流提供通路，相反方向的電流則流經另流器為一個方向的電流提供通路，相反方向的電流則流經另一組整流器。一組整流器。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術

16、電力變換技術u圖圖3 34848（a a）為用二組晶閘管三相半波可控整流器反并聯構成可逆電）為用二組晶閘管三相半波可控整流器反并聯構成可逆電路，圖路，圖3 34848（b b）是用二組三相橋式全控整流器反并聯構成的可逆電路。）是用二組三相橋式全控整流器反并聯構成的可逆電路。u通過兩組變流器整流、逆變運行狀態的配合，就可使電動機在正、反通過兩組變流器整流、逆變運行狀態的配合，就可使電動機在正、反兩個轉向上作電動機或制動運行，即實現四象限運行。兩個轉向上作電動機或制動運行，即實現四象限運行。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u由于兩組整流器反并聯，如果他們同時工作，則兩組晶

17、閘管之間就會由于兩組整流器反并聯，如果他們同時工作，則兩組晶閘管之間就會構成短路的環路。構成短路的環路。u如環路中有環路電壓存在，那將產生很大的只經過兩組整流橋而不經如環路中有環路電壓存在，那將產生很大的只經過兩組整流橋而不經過電機的過電機的”環流環流“。u環流不做功，但流過變流裝置時占用了裝置容量，嚴重時會造成短路環流不做功，但流過變流裝置時占用了裝置容量，嚴重時會造成短路事故，燒毀元件，故消除或限制環流是反并聯可逆電路的重要研究內容。事故，燒毀元件，故消除或限制環流是反并聯可逆電路的重要研究內容。u控制環流最簡單、方便控制環流最簡單、方便的方法是，使任何時間內的方法是，使任何時間內兩組變流

18、器中只有一組投兩組變流器中只有一組投入工作，另一組完全關斷，入工作，另一組完全關斷，并根據電機所需的運行方并根據電機所需的運行方式決定投入工作的一組變式決定投入工作的一組變流器的具體工作狀態整流器的具體工作狀態整流或逆變。流或逆變。u圖圖3 34949為邏輯無環流可為邏輯無環流可逆系統的四象限運行，給逆系統的四象限運行，給出了在此種環流控制方式出了在此種環流控制方式時四象限運行的兩組橋的時四象限運行的兩組橋的工作狀態。工作狀態。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u無環流可逆調速系統的控制原則是在任何時刻兩組變流橋中只允許一無環流可逆調速系統的控制原則是在任何時刻兩組變流

19、橋中只允許一組投入工作，另一組必須關閉。組投入工作，另一組必須關閉。u實際系統中是采用控制觸發脈沖的辦法來實現的，即給一組變流器實際系統中是采用控制觸發脈沖的辦法來實現的，即給一組變流器（整流或逆（整流或逆變）發出觸發脈沖，而對要關閉的一組封鎖脈沖，使觸發脈沖不能送到變）發出觸發脈沖，而對要關閉的一組封鎖脈沖，使觸發脈沖不能送到該組變流器的晶間管上。該組變流器的晶間管上。u可在二組變流器切換時，首先使原工作的一組變流器處于逆變狀態可在二組變流器切換時，首先使原工作的一組變流器處于逆變狀態（稱為本橋逆變），將回路電感儲能反饋回電網，待電流真正下降到零（稱為本橋逆變），將回路電感儲能反饋回電網，待

20、電流真正下降到零后再加上一定的時間裕量（如后再加上一定的時間裕量（如10ms10ms），再使原來封鎖的一組橋開放并投），再使原來封鎖的一組橋開放并投入工作。這樣的操作過程是采用一套邏輯電路控制實現的，故亦稱為邏入工作。這樣的操作過程是采用一套邏輯電路控制實現的，故亦稱為邏輯控制無環流可逆系統。輯控制無環流可逆系統。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術六、交交直接變頻器六、交交直接變頻器（一）交交直接變頻器工作原理（一）交交直接變頻器工作原理u前面所述由二組晶閘管整流器反并聯組成的可逆電路，其輸出電壓和電前面所述由二組晶閘管整流器反并聯組成的可逆電路，其輸出電壓和電流的方向

21、可以相互無關地任意改變，利用這一特性我們可以構成交交直流的方向可以相互無關地任意改變，利用這一特性我們可以構成交交直接變頻器。接變頻器。u圖圖3 35050為一單相交交變頻器原理圖，由兩組三相半波可控整流電路為一單相交交變頻器原理圖，由兩組三相半波可控整流電路反并聯構成可逆電路。反并聯構成可逆電路。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u如圖如圖3 35252。如兩組整流器以一定的頻率。如兩組整流器以一定的頻率f f2 2 周期性地輪流周期性地輪流工作，則負載上將得到頻率為工作，則負載上將得到頻率為f f2 2的交變電壓，也就是實現了的交變電壓，也就是實現了將頻率為將頻率為

22、f f1 1的交流電壓變換成頻率為的交流電壓變換成頻率為f f2 2的交流電。這種變換的交流電。這種變換沒有用直流中間回路，而是通過電網電壓的直接切換來實現沒有用直流中間回路，而是通過電網電壓的直接切換來實現的，故稱為交交直接變頻。的，故稱為交交直接變頻。u上述的交交直接變頻器的輸出電壓是按三相電網的各相上述的交交直接變頻器的輸出電壓是按三相電網的各相電壓波頂部分曲線而變化的，所以稱它為梯形波交交變頻電壓波頂部分曲線而變化的，所以稱它為梯形波交交變頻器。器。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u梯形波變頻器輸出電壓的周期梯形波變頻器輸出電壓的周期T T2 2 由每半周中電

23、壓波頂的數由每半周中電壓波頂的數目目n n來確定，輸出電壓周期來確定，輸出電壓周期T T2 2的計算式為的計算式為u輸出頻率輸出頻率f f2 2 與輸入頻率與輸入頻率f f1 1 之比為之比為u如將式（如將式（3 32222）中的波頂數）中的波頂數n n用用1 1，2 2，3 3代入，就可計算代入，就可計算出相應可能得到的輸出電壓頻率（表出相應可能得到的輸出電壓頻率（表3 34)4)。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u如圖如圖351所示的工作方式，每一次都在電源相電壓的相交所示的工作方式，每一次都在電源相電壓的相交點被切換，則僅能得到一些間斷的按式（點被切換，則僅能得

24、到一些間斷的按式（3 32222）計算的輸出）計算的輸出頻率頻率f f2 2亦稱這樣的變頻器為頻率固定關系的變頻器。亦稱這樣的變頻器為頻率固定關系的變頻器。u如果使幾組反并聯可逆電路以一定的相位差同時工作，那如果使幾組反并聯可逆電路以一定的相位差同時工作，那就可能構成多相輸出系統。就可能構成多相輸出系統。u圖圖3 35252是三相交交變頻器，每相由二組三相半波可控整是三相交交變頻器，每相由二組三相半波可控整流器反并聯組成。流器反并聯組成。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u為了保證多相系統的對稱性，對上述有頻率固定關系的變為了保證多相系統的對稱性，對上述有頻率固定關系的

25、變頻器，只有當輸出電壓每個周期頻器，只有當輸出電壓每個周期T T2 2 中的等效波頂數中的等效波頂數式（式（3 32323）中：）中：q q為多相系統的相數。為多相系統的相數。u可以被輸出系統的相數可以被輸出系統的相數q q整除，才能給出對稱多相系統。整除，才能給出對稱多相系統。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術（二）正弦波交交變頻器（二）正弦波交交變頻器u在大型交流電機變頻調速系統中，為了減少電流中的諧波分量對電機產在大型交流電機變頻調速系統中，為了減少電流中的諧波分量對電機產生的不良影響，諸如轉矩脈動、振動噪聲和附加損耗的增加等等，往往希生的不良影響，諸如轉矩脈動、

26、振動噪聲和附加損耗的增加等等，往往希望采用正弦波輸出的交交變頻器。望采用正弦波輸出的交交變頻器。u可以對梯形波交交變頻器的控制方法加以改變。可以對梯形波交交變頻器的控制方法加以改變。u在正弦波交交變頻器中，可以不斷地改變整流橋的移相控角在正弦波交交變頻器中，可以不斷地改變整流橋的移相控角 ，這，這就意味著輸出電壓的平均值隨就意味著輸出電壓的平均值隨 而變化。適當控制而變化。適當控制 的變化規律，就的變化規律，就有可能使輸出電壓的平均值按正弦規律變化。如圖有可能使輸出電壓的平均值按正弦規律變化。如圖3 35353所示。所示。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u為說明各組整

27、流器工作狀態的變化，可忽為說明各組整流器工作狀態的變化，可忽略輸出電壓、電流中的高次諧波，負載為電略輸出電壓、電流中的高次諧波，負載為電感性負載，負載電壓和電流的波形如圖感性負載，負載電壓和電流的波形如圖3 35454所示，其中所示，其中 為負載功率因數角。為負載功率因數角。u交交變頻器是兩組可控整流器反并聯可交交變頻器是兩組可控整流器反并聯可逆電路的特殊運行結果，因此它也有反并聯逆電路的特殊運行結果，因此它也有反并聯可逆電路的環流問題，需要采取和前述一樣可逆電路的環流問題，需要采取和前述一樣的措施來消除環流，這里不再贅述。的措施來消除環流，這里不再贅述。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力

28、變換技術電力變換技術七、單象限直流電壓變換電路七、單象限直流電壓變換電路u以上所述各類變流器，由于主開關元件上施加的都是交流電，以上所述各類變流器，由于主開關元件上施加的都是交流電，流過的電流都有自然過零的特點，所以都采用晶閘管作開關元流過的電流都有自然過零的特點，所以都采用晶閘管作開關元件。件。u本小節開始所介紹的各類變流器，工作電源都是直流電源，本小節開始所介紹的各類變流器，工作電源都是直流電源，元件電流并無自然過零的特點，故開關元件的切換只能通過一元件電流并無自然過零的特點，故開關元件的切換只能通過一些強迫換流措施（采用晶閘管）或采用具有自關斷能力的開關些強迫換流措施（采用晶閘管）或采用

29、具有自關斷能力的開關元件來實現。元件來實現。u由于強迫換流需要較大的換流電容器、輔助晶閘管等，造成由于強迫換流需要較大的換流電容器、輔助晶閘管等，造成了線路的復雜化，成本提高。所以，以下所介紹的各類變流器了線路的復雜化，成本提高。所以，以下所介紹的各類變流器線路以采用具有自關斷能力的開關元件為主。線路以采用具有自關斷能力的開關元件為主。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術（一）直流降壓變換電路（一）直流降壓變換電路u用具有強迫換流的半導體開關可以在任意的時間點接通或關斷一個直流用具有強迫換流的半導體開關可以在任意的時間點接通或關斷一個直流回路。回路。u如果用一定的開關頻率

30、周期性地接通和關斷它，并且任意地改變導通和如果用一定的開關頻率周期性地接通和關斷它，并且任意地改變導通和關斷時間的比例，顯然就有可能控制（調節）從直流電源送至負載的功率。關斷時間的比例，顯然就有可能控制（調節）從直流電源送至負載的功率。這樣的變換電路人們稱之為直流電壓變換電路，一般稱為直流斬波器。這樣的變換電路人們稱之為直流電壓變換電路，一般稱為直流斬波器。u圖圖3 35555所示為一個直流降壓變換電路的基本線路和相應的電壓電流所示為一個直流降壓變換電路的基本線路和相應的電壓電流波形曲線波形曲線。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u周期性工作的半導體開關的導通比定義為周

31、期性工作的半導體開關的導通比定義為式中：式中：T Ta a為開關的關斷時間，為開關的關斷時間， T Te e為開關的導通時間。為開關的導通時間。u負載上的平均直流電壓負載上的平均直流電壓 可以由導通比可以由導通比 和電源電壓和電源電壓 來計算，來計算，公式如下公式如下u電源輸出的電流電源輸出的電流 是矩形的脈動電流，其平均值可以由導通比是矩形的脈動電流，其平均值可以由導通比 和和負載電流負載電流 來計算，即來計算，即u式（式（3 32525）、式（）、式（3 32626）稱為直流電壓變換器的變比方程，類似于變）稱為直流電壓變換器的變比方程，類似于變壓器的變比方程。壓器的變比方程。電氣工程概論電

32、氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u實際上，由于負載邊的平波電感不可能無限大，所以實際的負載電流實際上，由于負載邊的平波電感不可能無限大，所以實際的負載電流 不可能是完全平滑的直線。不可能是完全平滑的直線。u如圖如圖3 35656所示，所示， 期間，在電源電壓期間，在電源電壓 作用下，負載電流作用下，負載電流 將按指數規律上升；在將按指數規律上升；在 時，電源電壓時，電源電壓 被切除，負載電流被切除，負載電流將接指數規律衰減。所以，穩態時的負載電流是周期性的脈動電流。將接指數規律衰減。所以，穩態時的負載電流是周期性的脈動電流。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術

33、下面我們深入分析此時的負載電流的波動情況，圖下面我們深入分析此時的負載電流的波動情況，圖3 35656（a a）中負載是）中負載是反電動勢為反電動勢為E E的直流電動機。的直流電動機。u電流的波動范圍為電流的波動范圍為u為表示電流波動的相對大小，我們定義電流波動率為為表示電流波動的相對大小，我們定義電流波動率為由此可以計算出一個直流降壓變換器的輸出電流的波動程度。由此可以計算出一個直流降壓變換器的輸出電流的波動程度。u電流波動范圍為電流波動范圍為 由此可見，電流波動范圍與直流降壓變換器的工作頻率有關，頻率由此可見，電流波動范圍與直流降壓變換器的工作頻率有關，頻率f f越高，越高，T T越小，電

34、流波動范圍就越小。其次，在同樣的工作頻率下，不同導通比越小，電流波動范圍就越小。其次，在同樣的工作頻率下，不同導通比 時的電流波動范圍有所不同。時的電流波動范圍有所不同。u由圖由圖3 35757還可看出，如負載平均電流還可看出，如負載平均電流I I2 2過小，隨著電流過小，隨著電流的衰減，將出現電流間斷現象，這在直流降壓變換器設計的衰減，將出現電流間斷現象，這在直流降壓變換器設計時必須考慮到。時必須考慮到。u上述的直流降壓變換器因其輸出電壓和電流都是單方向上述的直流降壓變換器因其輸出電壓和電流都是單方向的，能量只能從電源向負載單向傳遞，故亦稱為能量正向的，能量只能從電源向負載單向傳遞，故亦稱為

35、能量正向傳遞的單象限直流降壓變換器。傳遞的單象限直流降壓變換器。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術（三）直流升壓變換電路（三）直流升壓變換電路u以上所述的直流電壓變換電路，其輸出平均電壓以上所述的直流電壓變換電路，其輸出平均電壓U U2av2av低于電源電壓低于電源電壓U U1 1，故屬于降壓變換電路。故屬于降壓變換電路。u直流電壓變換電路也可用來提升電壓。直流電壓變換電路也可用來提升電壓。u圖圖3 35959（a a）所示即為一種直流升壓變換電路的原理圖，圖）所示即為一種直流升壓變換電路的原理圖，圖3 3595

36、9（b b）為半導體開關為半導體開關4 4導通時的等效電路，圖為導通時的等效電路，圖為3 35959（b b）關斷時的等效電路。）關斷時的等效電路。圖圖3 359 59 （a a）原理圖（）原理圖（b b）S S導通時的等效電路（導通時的等效電路（c c）S S關斷時的等效電路關斷時的等效電路電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術圖圖3 35959（d d）所示是電流）所示是電流i iL L連續時電路中電壓電流波形。圖連續時電路中電壓電流波形。圖3 35959（e e）為電流為電流i iL L間斷時的波形。間斷時的波形。圖圖3 359 59 （d d）電流）電流i iL L

37、連續時波形（連續時波形（e e）為電流）為電流i iL L間斷時的波形間斷時的波形電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u假定在電流連續時，不計假定在電流連續時，不計i iL L的脈動，則在的脈動，則在S S導通期間由電源導通期間由電源輸入到電感輸入到電感L L的能量為的能量為u在在S S關斷期間，電感釋放至負載的能量為關斷期間，電感釋放至負載的能量為u根據能量平衡關系，可得根據能量平衡關系，可得由于由于 ，故，故 ，即直流電壓變換器可提供比電源電，即直流電壓變換器可提供比電源電壓更高的輸出直流電壓，所以稱其為直流升壓變換器。壓更高的輸出直流電壓，所以稱其為直流升壓變換器。

38、電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術十一、逆變電路十一、逆變電路u逆變電路是將直流電變成交流電的一種變流器電路。逆變電路是將直流電變成交流電的一種變流器電路。u前面我們敘述過有源逆變電路，其輸出端必須同交流電網接在一起，從前面我們敘述過有源逆變電路，其輸出端必須同交流電網接在一起，從交流電網取得換流電壓，從而完成直流到交流的轉換。這種逆變器的輸出交流電網取得換流電壓，從而完成直流到交流的轉換。這種逆變器的輸出電壓大小和頻率就是電網電壓的大小和頻率，不能任意改變，故稱為有源電壓大小和頻率就是電網電壓的大小和頻率，不能任意改變，故稱為有源逆變電路。逆變電路。DC/ACDC/A

39、C逆變器其輸出交流電與電網交流電無關，可以得到所需的任意頻率逆變器其輸出交流電與電網交流電無關，可以得到所需的任意頻率和電壓的交流電，可以單獨給負載供電，故稱其為無源逆變。和電壓的交流電，可以單獨給負載供電，故稱其為無源逆變。u無源逆變器不再能從電網得到換流電壓，通常需要通過附加的關斷電容無源逆變器不再能從電網得到換流電壓，通常需要通過附加的關斷電容器或采用有自關斷能力的半導體開關元件（例如器或采用有自關斷能力的半導體開關元件（例如GTOGTO、GTRGTR、IGBTIGBT等）來實等）來實現強迫換流。現強迫換流。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術無源逆變有著廣闊的應用

40、前景，近年來發展很快，大致分類如下。無源逆變有著廣闊的應用前景，近年來發展很快，大致分類如下。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u根據元件的開關容量，目前主要采用由普通晶閘管、根據元件的開關容量，目前主要采用由普通晶閘管、GTOGTO、GTRGTR和和IGBTIGBT等幾種元件組成的逆變電路，其功率容量依次遞減。等幾種元件組成的逆變電路，其功率容量依次遞減。u根據輸入端濾波器的形式，逆變電路又可分為電壓型和電流型兩大類。根據輸入端濾波器的形式，逆變電路又可分為電壓型和電流型兩大類。前者直流端并聯有大電容，一方面可抑制直流電壓的脈動，減少直流電前者直流端并聯有大電容，一方

41、面可抑制直流電壓的脈動，減少直流電源的內阻，使直流電源近似為恒壓源，另一方面也為來自逆變器端的無源的內阻，使直流電源近似為恒壓源，另一方面也為來自逆變器端的無功電流提供導通途徑；后者在直流端串聯有大電感，一方面抑制直流電功電流提供導通途徑；后者在直流端串聯有大電感，一方面抑制直流電流的脈動流的脈動, ,使直流電源近似為恒流源，同時也承受來自逆變端的無功電壓使直流電源近似為恒流源，同時也承受來自逆變端的無功電壓分量，維持電路間的電壓平衡。分量，維持電路間的電壓平衡。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術（一）電壓型單相半橋逆變電路（一）電壓型單相半橋逆變電路u單相半橋逆變器的

42、主電路結構如圖單相半橋逆變器的主電路結構如圖367（a）所示。）所示。u可控開關元件的控制電壓可控開關元件的控制電壓ug1和和ug2為為180的方波，重復頻率為的方波，重復頻率為f，并互，并互差差180電角度，如圖電角度，如圖367（b）所示。）所示。u如負載是純電阻負載，則電流具有與電壓相同的波形。如負載是電感如負載是純電阻負載，則電流具有與電壓相同的波形。如負載是電感性負載，則負載電流將按指數曲線規律交變性負載，則負載電流將按指數曲線規律交變,同時負載電流的變化將滯后同時負載電流的變化將滯后于電壓的變化。于電壓的變化。u在個工作循環中，逆變電路存在兩種電流換流。在個工作循環中，逆變電路存在

43、兩種電流換流。1、臂內換流、臂內換流臂內換流指電流在同一導電臂內元件間的轉移。這種換流產生于電流過臂內換流指電流在同一導電臂內元件間的轉移。這種換流產生于電流過零時刻，電流的轉移只涉及導電臂內元件的更迭，并不改變導電回路，零時刻，電流的轉移只涉及導電臂內元件的更迭，并不改變導電回路，物理過程簡單物理過程簡單,稱自然換流。稱自然換流。2、臂間換流、臂間換流臂間換流指電流在導電臂間轉移。這時的換流稱為強迫換流，即必須強臂間換流指電流在導電臂間轉移。這時的換流稱為強迫換流，即必須強迫使退出導通的元件中電流下降為零，并使之關斷，而將負載電流轉移迫使退出導通的元件中電流下降為零，并使之關斷，而將負載電流

44、轉移到二極管到二極管VD中。中。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術( (二二) )電壓型單相全橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路u單相半橋逆變電路的優點是使用元件數量少，缺點是電壓增益低，需要單相半橋逆變電路的優點是使用元件數量少，缺點是電壓增益低，需要有分壓電容器。單相全橋逆變電路如圖有分壓電容器。單相全橋逆變電路如圖368（a）所示，它可以看成是兩）所示，它可以看成是兩個半橋電路的組合。其優缺點與半橋電路相反。個半橋電路的組合。其優缺點與半橋電路相反。u圖圖369（b）中表示出了全橋逆變電路可控開關元件控制電壓

45、的時序。）中表示出了全橋逆變電路可控開關元件控制電壓的時序。將將 u0 用傅里葉級數展開用傅里葉級數展開其中，基波幅值其中，基波幅值基波有效值基波有效值電壓增益電壓增益電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u如負載是純電阻負載，則電流具有電壓一樣的波形。如逆變器給電感性如負載是純電阻負載，則電流具有電壓一樣的波形。如逆變器給電感性負載供電，則電流將按指數規律交變，且滯后于逆變器的輸出電壓負載供電，則電流將按指數規律交變，且滯后于逆變器的輸出電壓u u0 0 見圖見圖3 36868（b b） 。逆變器輸出功率的瞬時值為

46、逆變器輸出功率的瞬時值為u與半橋電路一樣，在電感性負載時，逆變器的工作循環中會出現兩種不與半橋電路一樣，在電感性負載時，逆變器的工作循環中會出現兩種不同的工作狀態，如是純電感負載，同的工作狀態，如是純電感負載， ，則兩種狀態持續期相等，負載，則兩種狀態持續期相等，負載端得到的有功功率為零，所以該電路不能在純電感負載下實現電能變換。端得到的有功功率為零，所以該電路不能在純電感負載下實現電能變換。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u在許多應用中，常常需要頻率和基波電壓大小均可改變的逆變器。頻率在許多應用中，常常需要頻率和基波電壓大小均可改變的逆變器。頻率的改變只需要改變開關

47、元件的控制信號頻率即可實現。為實現改變電壓的的改變只需要改變開關元件的控制信號頻率即可實現。為實現改變電壓的目的，可以改變輸入直流電壓目的，可以改變輸入直流電壓Ud的大小而保持輸出方波的寬度的大小而保持輸出方波的寬度180不變，不變，這種方法稱為調幅；另一種方法是保持直流電源電壓這種方法稱為調幅；另一種方法是保持直流電源電壓Ud不變不變,而改變輸出方而改變輸出方波的寬度，也可改變輸出交流基波電壓的大小，這種方法稱之為調寬（如波的寬度，也可改變輸出交流基波電壓的大小，這種方法稱之為調寬（如圖圖369所示）。用調寬來改變輸出電壓的大小，是逆變器中廣泛采用的調所示）。用調寬來改變輸出電壓的大小，是逆

48、變器中廣泛采用的調壓方法。壓方法。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術（三）（三）180180導通電壓型三相半橋逆變電路導通電壓型三相半橋逆變電路u由于整機單相容量的限制（主要是元件容量限制）、電網負載平衡的由于整機單相容量的限制（主要是元件容量限制）、電網負載平衡的要求和用電負載的性質（如三相交流感應電動機），大容量逆變電路多要求和用電負載的性質（如三相交流感應電動機），大容量逆變電路多采用三相形式。采用三相形式。u電壓型三相逆變電路最常見的是三相半橋結構，它由三個單相半橋所電壓型三相逆變電路最常見的是三相半橋結構，它由三個單相半橋所組成，通過一定的控制方法可以產生對稱

49、的三相交流電壓系統。組成，通過一定的控制方法可以產生對稱的三相交流電壓系統。u實用中最常見的三相逆變器是頻率和電壓都可以改變的三相靜止逆變實用中最常見的三相逆變器是頻率和電壓都可以改變的三相靜止逆變器。器。u圖圖370是最基本的三相半橋逆變電路是最基本的三相半橋逆變電路,圖中的可控開關元件可以是晶閘圖中的可控開關元件可以是晶閘管、管、GTO、GTR或或IGBT。各開關元件的控制導通規律如表。各開關元件的控制導通規律如表35。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術圖圖3 37070中負載星型連接，三相對稱，并假定為純電

50、阻負載。中心點為中負載星型連接，三相對稱，并假定為純電阻負載。中心點為O O。電源假想中點電源假想中點O僅作分析用。下面分析該逆變器的工作狀況。僅作分析用。下面分析該逆變器的工作狀況。1.1.輸出電壓波形輸出電壓波形u將線電壓波形進行傅里葉分解可得將線電壓波形進行傅里葉分解可得可見線電壓中不包含三次和三的倍數次諧波。可見線電壓中不包含三次和三的倍數次諧波。u線電壓的基波幅值為線電壓的基波幅值為 或或 ，基波分量的有效值為，基波分量的有效值為 或或 ，線電壓的有效值則可求得為，線電壓的有效值則可求得為 或或 。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術下面我們再看負載上各相相電壓

51、的波形。下面我們再看負載上各相相電壓的波形。u 時區逆變橋的等效電路如圖時區逆變橋的等效電路如圖3 37171（a a）所示。從等效電）所示。從等效電路可以求得此時各相電壓大小為路可以求得此時各相電壓大小為u 時區逆變橋的等效電路如圖時區逆變橋的等效電路如圖3 37171（b b）所示。各相電）所示。各相電壓大小為壓大小為依次類推依次類推, ,可求得不同時區中的各相電壓如表可求得不同時區中的各相電壓如表3 36 6所示。所示。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u電壓波形如圖電壓波形如圖3 37070（b b）所示

52、。可見，）所示。可見，180180導通型三相半橋逆變電路導通型三相半橋逆變電路輸出相電壓為六階梯形的交變電壓，階梯高度分別為輸出相電壓為六階梯形的交變電壓，階梯高度分別為 和和 。通過傅里葉分解可得相電壓的表達式通過傅里葉分解可得相電壓的表達式u由上述分析還可知，每隔由上述分析還可知，每隔6060控制信號狀態發生一次變化控制信號狀態發生一次變化, ,相應逆變器相應逆變器開關元件狀態也發生一次變化，也就是一個工作周期中，逆變器狀態將開關元件狀態也發生一次變化，也就是一個工作周期中，逆變器狀態將六次更迭，從而形成所謂六階梯波的輸出電壓。在每次狀態變化時總有六次更迭，從而形成所謂六階梯波的輸出電壓。

53、在每次狀態變化時總有一條支路從上臂導通轉為下臂導通，或反之，即每次換流都在同一支路一條支路從上臂導通轉為下臂導通，或反之，即每次換流都在同一支路的上下臂間進行，故的上下臂間進行，故180180導通型的逆變器換流屬縱向換流。導通型的逆變器換流屬縱向換流。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術2.2.逆變橋的輸入電流逆變橋的輸入電流u在純電阻負載的條件下在純電阻負載的條件下, ,各相電流與電壓波形相同各相電流與電壓波形相同, ,無功功率為零無功功率為零, ,故反故反并聯二極管不參與導通電流并聯二極管不參與導通電流. .逆變橋的輸入電流為逆變橋的輸入電流為u從圖從圖3-713-7

54、1分析可知分析可知, , 的時區內有的時區內有逆變器的總輸入電流為逆變器的總輸入電流為u在在 的時區內有的時區內有u依次類推可知，在純電阻負載的條件下依次類推可知，在純電阻負載的條件下, ,逆變橋的輸入電流為恒定逆變橋的輸入電流為恒定值值 。直流端濾波電容。直流端濾波電容C C中的電流中的電流 ，即負載只通過逆變橋從直流，即負載只通過逆變橋從直流電源吸取能量，其輸入功率為電源吸取能量，其輸入功率為其中其中 為逆變橋輸入端的等效直流電阻為為逆變橋輸入端的等效直流電阻為電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術3.3.電感性負載時輸出電流波形電感性負載時輸出電流波形u逆變橋輸出端電

55、流實際上可視為輸逆變橋輸出端電流實際上可視為輸出階梯波電壓分段施加于感性負載的出階梯波電壓分段施加于感性負載的結果，電流波形和負載參數有關。結果，電流波形和負載參數有關。u圖圖3 37272所示為負載相位角所示為負載相位角 時時相電流相電流 的波形。每一可控開關元件的波形。每一可控開關元件的導通角為的導通角為式中：式中： 為反并聯二極管的導通角。為反并聯二極管的導通角。u對各項負載回路可寫出回路方程對各項負載回路可寫出回路方程u將不同階梯的相電壓代入方程即可將不同階梯的相電壓代入方程即可解得各段按指數規律變化的電流解得各段按指數規律變化的電流 曲線。曲線。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力

56、變換技術電力變換技術u在在iA轉為正值以前，轉為正值以前，S1不會導通，顯然負的不會導通，顯然負的iA將暫時通過將暫時通過VD1流動，即在流動，即在 期間將有期間將有S1、S6和和VD1導通。此時的等效電路如圖導通。此時的等效電路如圖373（a）所示。）所示。u當當iA由負值衰減到零并開始轉入正值時，因由負值衰減到零并開始轉入正值時，因S1的正控制信號仍然存在，故的正控制信號仍然存在，故S1開始導通開始導通,逆逆變器轉入變器轉入S1、S5和和S6三管同時導通的狀態，三管同時導通的狀態，此時等效電路見圖此時等效電路見圖373（b）。）。u這種工作狀態下各相負載都從直流電源獲這種工作狀態下各相負載

57、都從直流電源獲得能量，電容得能量，電容C此時會釋放一部分儲能，協助此時會釋放一部分儲能，協助直流電源向負載提供電能，從而起到電流的直流電源向負載提供電能，從而起到電流的平滑作用。平滑作用。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術十二、逆變器的多重化十二、逆變器的多重化u電壓型逆變器輸出的電壓波形（或電流型逆變器輸出的電流波形）為交電壓型逆變器輸出的電壓波形（或電流型逆變器輸出的電流波形）為交變的方波。變的方波。u由諧波分析可知，這樣的波形中包含有很強的諧波分量。如果用這樣的由諧波分析可知，這樣的波形中包含有很強的諧波分量。如果用這樣的逆變器向感應電動機供電，則其輸出的諧波電壓

58、（或電流）對電機運行將逆變器向感應電動機供電，則其輸出的諧波電壓（或電流）對電機運行將產生不良影響。產生不良影響。u從逆變器電源出現后，人們一直致力于改善其輸出波形，減小諧波分量，從逆變器電源出現后，人們一直致力于改善其輸出波形，減小諧波分量，使波形盡量接近正弦波。使波形盡量接近正弦波。u正弦脈寬調制技術（正弦脈寬調制技術（SPWMSPWM）常用于中小容量電壓型逆變器中，改善其輸）常用于中小容量電壓型逆變器中，改善其輸出波形。出波形。u在大容量逆變器中由于必須采用晶閘管作主開關元件，而晶閘管的開關在大容量逆變器中由于必須采用晶閘管作主開關元件，而晶閘管的開關頻率很低頻率很低, ,故大容量逆變器

59、通常采用多重化技術來改善輸出波形。故大容量逆變器通常采用多重化技術來改善輸出波形。u電壓型逆變器和電流型逆變器都可利用多重比技術改善輸出波形，基本電壓型逆變器和電流型逆變器都可利用多重比技術改善輸出波形，基本原理是完全一樣的。從實際應用看原理是完全一樣的。從實際應用看, ,電流型逆變器的多重化用得較多，故電流型逆變器的多重化用得較多，故本節以電流型逆變器為例介紹多重化技術的概念。本節以電流型逆變器為例介紹多重化技術的概念。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術六階梯波電流型逆變器輸出的電流波形和電壓型的輸出電壓波形一樣為六階梯波電流型逆變器輸出的電流波形和電壓型的輸出電壓波

60、形一樣為120120的矩形波，與正弦波相差較大。如果能使輸出波形變為多階梯波，的矩形波，與正弦波相差較大。如果能使輸出波形變為多階梯波，則輸出波形較矩形波更接近正弦波，而且階梯越多，接近的程度越高，諧則輸出波形較矩形波更接近正弦波，而且階梯越多，接近的程度越高，諧波分量越小波分量越小 見圖見圖3-743-74，這正是多重化技術的基本思想，這正是多重化技術的基本思想用階梯波逼近用階梯波逼近正弦波。正弦波。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換技術電力變換技術u把兩個六階梯波逆變器的輸出并聯起來，且使兩個逆變器的輸出波形相把兩個六階梯波逆變器的輸出并聯起來，且使兩個逆變器的輸出波形相位差位差3