第五章 直流—交流（DC—AC）变换
DC—AC变换原理可用图5-1所示单相逆变电路来说明，其中晶闸管元件VT1、VT4，VT2、VT3成对导通。当VT1、VT4导通时，直流电源E通过VT1、VT4向负载送出电流，形成输出电压 左（+）、右（核桃脱壳机
-），如图5-1（a）所示。当VT2、VT3导通时，设法将VT1、VT4关断，实现负载电流从VT1、VT4向VT2、VT3的转移，即换流。换流完成后，由VT2、VT3向负载输出电流，形成左（-）、右（+）的输出电压 ，如图5-1（b）所示。这两对晶闸管轮流切换导通，则负载上便可得到交流电压 ，如图5-1（c）波形所示。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幅值。输出电流的波形、相位则决定于交流负载的性质。
图5-1 DC—AC变换原理
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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。晶闸管为半控器件，在承受正向电压条件下只要门极施加正向触发脉冲即可导通。但导通后门极失去控制作用，只有使阳极电流衰减至维持电流以下才能关断。
常用的晶闸管换流方法有：
（1）电网换流
（2）负载谐振式换流
（3）强迫换流
5.1.2 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，它们与外电路间必然有能量的交换，这就是无功。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的需求。在交—直—交变频电路中，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。
根据直流输入储能元件类型的不同，逆变电路可分为两种类型：
图5-4 电压源型逆变器图 5-5 无功二极管的作用
1．电压源型逆变器
电压源型逆变器是采用电容作储能元件，图5-4为一单相桥式电压源型逆变器原理图。电压源型逆变器有如下特点：
1）直流输入侧并联大电容C用作无功功率缓冲环节（滤波环节），构成逆变器低阻抗的电源内阻特性（电压源特性），即输出电压确定，其波形接近矩形，电流波形与负载有关，接近正弦。
2）由于直流侧电压极性不允许改变，无功从交流向直流回馈时只能改变电流方向来实现，为此在各功率开关元件旁反并联续流二极管，为感性负载电流提供反馈能量至直流的无功通路。图5-5绘出了一个周期内负载电压 、负载电流 的理想波形，按 极性分区内导通的元件及功率的流向（P>0，功率从直流流向交流；P<0，从交流流向直流），用以说明VD对无功传递的重要作用。
2．电流源型逆变器
电流源型逆变器采用电感作储能元件，图5-6为一单相桥式电流源型逆变器原理图，图中未绘出晶闸管换流电路。电流源型逆变器有如下特点：
1）直流回路串以大电感Ld作无功元件（滤波元件）储存无功功率，也就构成了逆变器高阻抗的电源内阻特性（电流源特性），即输出电流确定，波形接近矩形；电压波形与负载有关，在正弦波基础上迭加换流电压尖峰。
2）由于直流环节电流Id不能反向，只有改变逆变器两端直流电压极性来改变能量流动方向、反馈无功功率，无需设置反馈二极管。
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图5-6 电流源型逆变器
3．两类逆变器的比较
1）电压源型逆变器采用大电容作储能（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，能将负载电压箝在电源电压水平上，浪涌过电压低，适合于稳频稳压电源，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。
发光二极管封装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，故可应用于频繁加、减速，正、反转的单机拖动系统。
2）电流源型逆变器因用大电感储能（滤波），主电路抗电流冲击能力强，能有效抑制电流突变、延缓故障电流上升速率，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，难以获得保护处理所需时间，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，不接入负载系统不能运行。
4）电压源型逆变器必须设置反馈（无功）二极管来给负载提供感性无功电流通路，主电路结构较电流源逆变器复杂。电流源型逆变器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。
5.2 负载谐振式逆变电路
负载谐振式逆变电路根据换流电容与负载电感的连接方式可分为并联和串联两种。换流电容与负载电感并联、利用电容与电感的并联谐振特性实现自然换流的逆变电路称为并联谐振逆变器。同理，换流电容与负载串联、利用电容与负载电感的串联谐振特性实现自然换流的逆变电路称为串联谐振逆变器；它们是构成中频感应加热电源的主要电路形式。本节仅以并联谐振式负载换流逆变器为代表进行介绍。
图5-8 并联谐振式逆变器工作过程
并联谐振式逆变器原理电路如图5-8所示，直流电源E可由整流电源获得。由于负载并联谐振时阻抗最大，必须采用电流源向逆变电路供电，故采用大电感Ld滤波，所以并联谐振逆变电路属电流源型，流过晶闸管的电流近似为矩形，负载电流为交变矩形波。
逆变器由四个桥臂构成，每个桥臂均由一只晶闸管和一限流电抗器串联而成。由于工作频率为（1～2.5）kHz中频，采用快速晶闸管。限流电抗器L1～L4自感值相等，互感为零，用于晶闸管导通时对流经的电流作di/dt限制。滤波电感Ld不仅使直流电流平直，而且还可限制中频电流进入直流电源，起交—直流隔离作用。
由于晶闸管交替触发的频率与负载回路谐振频率接近，负载电路工作在谐振状态，这样可以得到较高的功率因数和效率。又由于谐振电路对所施加的矩形波电压基波分量呈现高阻抗，而对高次谐波分量电压可近似看作短路，故负载两端电压 接近正弦波。负载电流 在滤波电感Ld作用下近似交变矩形波。换流电容C提供了负载所需无功功率，并使 超前 一定相位，利用 过零来关断已导通的晶闸管，实现负载谐振换流。
5.3 强迫换流式逆变电路
5.3.1 串联二极管式电流源型逆变器结构
串联二极管式电流源型逆变器主电路如图5-10所示。图中VT1～VT6为晶闸管，C1～C6为换流电容，VD1～VD6为隔离二极管，用于使换流回路与负载隔离，防止电容上的充电电压经负载泄放而影响晶闸管换流。由于隔离二极管与晶闸管串联，故称串联二极管式换流电路。逆变器直流侧经大电感Ld滤波，使输入直流平直，构成了电流源内阻特性。
图降弓5-10 串联二极管式电流源型逆变器
逆变器晶闸管为120º导通型，除换流期间有三相通电外，其余时间均只有分属不同相的桥臂上、下二晶闸管导通，负载两相轮流通电。晶闸管导通顺序为VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1→…，各管触发脉冲相隔60º，每管导通120º，元件换流在VT1、VT3、VT5间及VT2、VT6、VT2间进行。
电流源型逆变器理想输出波形如图5-13所示。当负载Y接时，每相电流如图5-13（a）所示；当负载△接时，每相负载中电流波形如图5-13（b）所示。
图5-13 电流源型逆变器输出相电流波形
5.4 逆变电路的多重化及多电平化
在大功率逆变电路中，电流源型逆变器常采用半控器件晶闸管作功率开关，存在较长时间换流过程，限制开关频率，使输出电流为方波；高压、大功率电压源型逆变器也多采用门极可关断晶闸管作功率元件，虽有自关断能力但器件开关频率仍低，输出电压也多为方波。方波电压、电流含有丰富的低次谐波，严重影响输出特性。如用于交流电机供电，会使电机附加损耗增加，效率降低，运行功率因数恶化，产生谐波转矩，引起噪声与振动等。因此有必要对逆变器输出波形进行改善，使之尽可能接近正弦形，以减少谐波含量。对此有二种处理方法：对于大容量逆变器，由于电压、电流定额限制只能使用晶闸管（包括门极可关断晶闸管）作开关元件时，多采用多重化、多电平化技术，这是本节讨论内容；对于中、小容量逆变器，可以使用高频自关断器件，多采用脉宽调制（PWM）技术，这将是下节重点讨论的内容。
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