电力电子技术

作者：范兴荣

电力电子技术

第一部分

一、

电力电子技术的定义

电力电子技术是一门利用电力电子器件、电路理论和控制技术对电能进行处理、控制和变换的学科，是现代电子学的一个重要分支，也是电工技术的分支之一。

电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体地说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

二、电力电子技术的研究内容

电力电子技术的研究内容：

1、电力电子器件 2、变流技术 3、控制技术

或者说，电力电子技术的研究内容：电子学、电力学、控制理论

三、与其它学科的关系

1、与微电子学的关系

三个相同点： （1）都分为电子器件和电子电路两大分支，二者同根同源

（2）两类器件制造技术的理论基础相同； （3）制造工艺也基本相同。

两个不同点：

（1）应用目的不同——前者用于电力变换，后者用于信息处理； （2）工作状态不同——在微电子技术中，器件既可以处于放大状态，也可以处于开关状态；而在电力电子技术中为避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作在开关状态。

2、与电力学(电气工程)的关系

（1）电力电子技术广泛用于电气工程中；

（2）国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支； （3）电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。 3、与控制理论的关系

（1）控制理论广泛用于电力电子系统中；

（2）电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口,控制理论是这种接口

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的有力纽带；

（3）电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。

四、电力电子技术的发展历史

美国通用电气公司研制出第一个工业用的普通晶闸管，标志电力电子技术的诞生 1、传统电力电子技术

电力电子器件以半控型的晶闸管为主，变流电路以相控电路为主，控制电路以模拟电路为主。

2、现代电力电子技术

现代电力电子技术在器件、电路及其控制技术方面与传统电力电子技术相比主要有如下特点：

A、集成化 B、高频化 C、全控化 D、控制电路弱电化 E、控制技术数字化

3、电力电子技术的发展展望

科学家预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。

第二部分

1、 电力电子器件

1.1、 电力电子技术概述

（1） 基本概念

A、在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或者控制任务的电路被称为主电路。

B、电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或者控制的电子器件。

（2）同微电子器件相比的一般特征

A、能处理电功率的能力，一般都远大于处理信息的电子器件。 B、电力电子器件一般都工作在开关状态。 C、电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。

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D、电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。

（3）应用电力电子器件系统组成

电力电子器件一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的

主电路组成一个系统。在主电路和控制电路连接的路径上，以及主电路与检测电路的连接上，一般需要进行电气隔离，而通过其他手段如光、磁等来传递信号

（4）电力电子器件的分类

按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程 度，可以将电力电子器件分为以下3类:

A、不可控型器件——不能用控制信号来控制其通断。这类器件主要是指晶闸管及其大部分派生器件，器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。

B、半控型器件——通过控制信号可以控制其导通而不

能控制其关断。主要是电力二极管，器件的导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 C、全控型器件——通过控制信号既可控制其导通又可

控制其关断，又称自关断器件。目前常用的是绝缘 栅双极性晶体管（IGBT）、电力场效应晶体管（电力 MOSFET）和门极可关断晶闸管（GTO）。

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1.2、 不可控型器件——电力二极管

（1） 外形——螺栓型和平板型两种封装

（2） 结构

（3） 电气图形符号

（4） 主要参数

A、额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下， 其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

B、正向压降UF——在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。

C、反向重复峰值电压URRM——对电力二极管所能重复施加 的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量 D、最高工作结温TJM——结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ

表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125~175?C范围之内。

1.3、 半控型器件——晶闸管（SCR）

（1） A、外形——螺栓型和平板型两种封装

B、结构

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C、电气图形符号

（2） 导通的条件、关断的条件

A、使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。即uAK>0且uGK>0。其他可能导通的情况，参见（3）误导通的情况。

B、关断的条件：，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。简单的说就是使通过晶闸管的电流小于维持电流 C、使晶闸管关断方法：

a、去掉阳极正向电压 b、给阳极加反向电压

c、降低正向阳极电压,使通过晶闸管的电流小于维持电流

（3） 误导通的情况

a、阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应

dub、阳极电压上升率dt过高，中间结电容产生位移电流

c、结温较高，漏电流增大 d、光触发

（4） 主要参数

A、额定电压UTN

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定

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电压。实际选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为实际 工作电路中可能承受到的正向阻断重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM的最大峰值电压,再取2～3倍的安全裕量。 B、额定电流IT(AV)（参见第三部分）

晶闸管在环境温度为40?C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 C、维持电流 IH

维持电流 IH是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流。一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小。 D、擎住电流 IL

擎住电流 IL是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2～4倍。 E、通态平均电压UT(AV)

当晶闸管流过正弦半波的额定电流平均值和稳定的额定结温时，元件阳极与阴极之间电压降的平均值。

duF、断态电压临界上升率dt

指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。

diG、通态电流临界上升率dt

指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。 H、额定结温Tjm

晶闸管在正常工作时所允许的最高结温（器件内部）。

（5） 派生器件

快速晶闸管（FST）—快速晶闸管、高频晶闸管

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双向晶闸管（TRIAC）

逆导晶闸管（RCT）

光控晶闸管（LTT）

1.4、 全控型器件

（1） 电力晶体管（GTR，BJT）

优点——耐高压、大电流、开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽

缺点——二次击穿、驱动功率大

结构及电气图形符号：（基极b、集电极c和发射极e）

电力电子电路中GTR工作在开关状态工作在截止区或饱和区。但开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，经过放大区

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（2） 电力场效应晶体管(Power MOSFET)

电力场效应晶体管(Power MOSFET)分为结型和绝缘栅型。通常主要指绝缘栅型场效应晶体管。结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（SIT）

特点——用栅源电压来控制漏极电流

结构及电气图形符号：（栅极G、漏极D和源极S）

静态特性：

截止区（GTR的截止区） 饱和区（GTR的放大区） 非饱和区（GTR的饱和区）

电力场效应晶体管(Power MOSFET)工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。 （3） 绝缘栅双极晶体管（IGBT）

结构及电气图形符号：（栅极G、集电极C和发射极E）

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静态特性：

正向阻断区（GTR的截止区） 有源区（GTR的放大区） 饱和区（GTR的饱和区）

IGBT工作在开关状态，即在正向阻断区和饱和区之间来回转换。

注：以上全控型器件的输出特性和主要参数参见P21——P31 1.5、 电力电子器件的驱动

电流驱动型器件的驱动电路：GTO和GTR是电流驱动型器件

电压驱动型器件的驱动电路：电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件 1.6、 晶闸管变流装置的保护电路

通常有五种保护电路： 过电流保护、过电压保护、

1.7、 缓冲电路

缓冲电路又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的过电压、

dudi保护、保护和门极保护 dtdtdudi 或者过电流和，降低电力电子开关器件的开关应力，将开关过程dtdt软化，减小器件的开关损耗并对器件给予可靠的保护，维护系统安全运行。缓冲电路可分为关断缓冲电路、开通缓冲电路和复合缓冲电路。 1.8、 串联与并联运行

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晶闸管的串联：多个器件串联以承担较大的电压

晶闸管的并联：多个器件并联来承担较大的电流

注：

本节重点：主电路和电力电子器件的基本概念。

电力电子器件的分类和电气图形符号。

晶闸管、电力晶体管和IGBT的工作原理、开关特性、主要参数以及在选择和使用中应注意的事项。

2、

变流技术 2.1、交流变直流

整流电路

（1）单相可控整流电路

主要介绍单相桥式全控整流电路 基本概念：

① 控制角α——从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度。

② 导通角θ——晶闸管在一个周期中处于通态的电角度。 ③ 移相——改变α的大小，即改变触发脉冲出现的时刻。 ④ 移相范围——输出电压平均值大于0所对应的α变化范围。 ⑤ 换流（换相）——电流从一对桥臂转换到另外一对桥臂。

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⑥ 相控变流装置——通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，这样的变流装置简称相控变流装置。

电阻负载 电路及波形

基本数量关系

整流输出电压平均值Ud

Ud?1????2U2?td(wt)?22U21?cos?1?cos??0.9U2

?22故，α角的移相范围为0o～180o 输出电流的平均值Id

Id?UdU1?cos??0.92 RR2第 11 页 共 45 页

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流过晶闸管的电流平均值IdT

IdT?流过晶闸管的电流有效值IT

U1?cos?1Id?0.452 2R22?2U2?11U2IT?sin?td?t??????2????2R?R??1??? sin2??2??晶闸管承受的最大正向电压UFM

UFM?晶闸管承受的最大反向电压URM

2U2 2URM?2U2

晶闸管的额定电压UTN

UTN??2?3?2U2

晶闸管的额定电流IT?AV?

IT?AV???1.5?2?整流电路的功率因数cos?

IT 1.57PIR2R1??? cos????sin2??SU2I22??电感性负载

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基本数量关系 输出电压平均值Ud

Ud?1??????2U2sin?td??t??22?U2cos??0.9U2cos?

故?的移相范围为0o～90o。晶闸管导通角θ与a无关，均为180? 输出电流平均值Id

Id?流过晶闸管的电流平均值IdT

Ud?0.9U2cos? R1Id?0.45U2cos? 2IdT?流过晶闸管的电流有效值IT

IT?晶闸管承受的最大正向电压UFM

1Id 2UFM?2U2

晶闸管承受的最大反向电压URM

URM?2U2

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晶闸管的额定电压UT?AV?

UT?AV???2?3?2U2

晶闸管的额定电流IT?AV?

IT?AV???1.5?2?整流电路的功率因数cos?

IT 1.57PI2RUdIdUdcos??????0.9cos?

SU2I2U2I2U2（2）三相可控整流电路

主要介绍三相桥式全控整流电路 电阻负载 电路及波形

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电感负载 电路及波形

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备注：三相桥式全控整流电路接反电动势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、

电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电动势阻感负载时的Id为

Id?基本数量关系

Ud?E。 R输出电压平均值Ud（连续时即??60）

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0作者：范兴荣

Ud?1?30??2???3??6U2sin?td(?t)?2.34U2cos?

3带电阻负载且??60时，整流电压平均值Ud

Ud?1?3?????3???6U2sin?td(?t)?2.34U2?1?cos(??)?

3??输出电流平均值Id

Id?Ud R如果是反电势负载带平波电抗器，则输出电流Id

Id?Ud?E R其中，R 和E分别是负载中的电阻和反电动势的值。 流过晶闸管的电流有效值IT

IT?晶闸管承受的最大正向电压UFM

1Id 3UFM?6U2

晶闸管承受的最大反向电压URM

URM?6U2

晶闸管的额定电压UT?AV?

UT?AV???2?3?6U2

三相桥式全控整流电路的特点

A、2管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。

B、Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。

（3）有源逆变电路

基本概念

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逆变（Invertion）——将直流电能转变成交流电能，是整流的逆过程。 逆变电路——把直流电能逆变成交流电能的电路。

有源逆变——将直流变为交流之后，输出端与交流电网相连。 无源逆变 ——将直流变为交流之后，输出端与负载相连

对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未

变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。 单相全波电路的整流和逆变

产生逆变的条件：

第一，要有直流电动势源，其极性必须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流

电路直流侧的平均电压。 第二，要求晶闸管的控制角???2，使Ud为负值。

逆变和整流的区别：仅仅是控制角 ? 不同 三相桥构成的有源逆变电路

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三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形

基本数量关系： 输出电压平均值Ud

Ud??2.34U2cos???1.35U2Lcos?

输出直流电流的平均值Id

Id?Ud?EM|EM|?|Ud| ?R?R?每个晶闸管导通2p/3，故流过晶闸管的电流有效值为：

IVT?Id3?0.577Id

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从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：

2Pd?R?Id?EMId

当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd为负值，表示功率有直流电源送到交流电源。 在三相桥式电路中，每个周期内流经电源的线电流的导通角为角

4?，是每个晶闸管导通32?的两倍。故变压器二次侧线电流的有效值为： 3I2?2IVT?逆变失败（逆变颠覆）的概念

2Id?0.816Id 3逆变运行时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，形成很大的短路电流。这种情况下称为逆变失败或称为逆变颠覆。 逆变时允许采用的最小β

min角应等于

?min???????

其中，δ为晶闸管的关断时间tq折合的电角度, γ 为换相重叠角,θ’ 为安全裕量角。晶闸管的关断时间tq可达200～300μs，折算成电角度δ约为4°～5°。而重叠角γ是随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。 （4）相控变流装置的触发电路

注：本节重点：

重点掌握单相全控桥式整流电路和三相全控桥式整流电路的原理分析与计算、各种

负载对整流电路工作情况的影响；

重点掌握产生有源逆变的条件、三相可控整流电路有源逆变工

作状态的分析计算、逆变失败及最小逆变角的限制。

2.2、直流变直流

直流斩波电路（DC Chopper）

直流斩波电路的功能：将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也为直流—直流变换器（DC/DC Converter）。

直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流—交流—直流。

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电路种类:

6种基本斩波电路：降压（BUCK）斩波电路、升压（BOOST）斩波电路、 升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。

（1）斩波控制原理 最基本的斩波电路及其波形

工作周期

T?ton?toff

导通比(工作率、占空比）

??输出电压平均值为

ton TU0?输出电压有效值为

ton1tonudt?E??E 0?0TT12?1?T2?U???u0dt???E

0?T?若认为斩波器是无损的，则输入功率应与输出功率相等，即

2E21?T1?Tu0Pi??u0idt??dt??

T0T0RR第 24 页 共 45 页

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从直流电源侧看的等效电阻为

Ri?EER?? I0?E?R根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式： A、保持开关导通周期T不变，调节开关导通时间ton称为脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调宽型。

B、保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。 C、ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。

（2）BUCK斩波电路

电流连续时的波形

电流断续时的波形

数量关系 电流连续

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负载电压平均值：

Uo?负载电流平均值：

tontE?onE??E

ton?toffTIo?Uo?EM R电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现 （3）BOOST斩波电路

BOOST斩波电路的波形

数量关系：

稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：

EI1ton?(Uo?E)I1toff

即 Uo?ton?tofftoffE?TE toff升压比

T?1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 tofftoffT

升压比的倒数记作? ，即??第 26 页 共 45 页

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?和a的关系：????1

故，Uo?1?E?1E 1??注：升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：

一是电感L储能之后具有使电压泵升的作用； 二是电容C可将输出电压保持住。

如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即：

EI1?UoIo

输出电流的平均值Io为：

Io?电源电流的平均值I1为：

Uo1E? R?RI1?（4）复合斩波电路

Uo1EIo?2 E?R复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合 电流可逆斩波电路及其波形：

注：

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本节重点：理解降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理，掌握这两种电路的电路结构、输入输出关系、工作特点以及基本计算（α、T、Uo）。 2.3、交流变交流

交流—交流变流电路： 把一种形式的交流电变成另一种形式交流电的电路（AC-AC变换电路）。在AC-AC变换电路中，可以改变相关的电压、电流、频率和相数等。

只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路称为交流电力控制电路

改变频率的电路称为变频电路。变频电路有交交变频电路和交直交变频电路两种形式。交交变频电路是直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流，也称为直接变频电路。交直交变频电路是先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流，这种通过直流中间环节的变频电路也称为间接变频电路。

图形描述如下：

（1） 交流调压电路

电阻负载单相交流调压电路及其波形

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原理——两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管开通相位的控制就可调节输出电压的有效值。

阻感负载单相交流调压电路及其波形

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（2）交流调功电路

调功电路与调压电路的比较：

相同点：电路形式完全相同 不同点：控制方式不同

交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期（过零触发）,再断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率

（2） 交交变频电路

交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路。 注：

本节重点：移相调压和调功电路原理

2.4、直流变交流 逆变电路 （1）基本概念 逆变的概念

逆变——与整流相对应，将直流电变成交流电。

交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变。 逆变与变频

变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。

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交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。 （3） 逆变器基本工作原理 逆变电路及波形

逆变电路最基本的工作原理 ——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。改变输入直流电平的大小可改变交流电的幅值。

（3）换流方式

换流：变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路转移，这就是换流。

总共有四种换流方式 器件换流 Device commutation

利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用IGBT 、电力MOSFET 、

GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。

电网换流 Line commutation

电网提供换流电压的换流方式。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。

负载换流 Load commutation

由负载提供换流电压的换流方式。负载电流的相位超前于负载电压的场合，都

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可实现负载换流，即电容性负载都可实现负载换流。 强迫换流 Forced commutation

设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。

（4） 电压型逆变电路

直流侧是电压源的称为电压型逆变电路 直流侧是电流源的称为电流型逆变电路 电压型逆变电路的特点：

A、直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 B、输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。

C、阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。 单相全桥逆变电路的移相调压方式

三相电压型逆变电路 电路及波形

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基本工作方式——180°导电方式

A、每个桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度相差120 °。

B、任一瞬间有三个桥臂同时导通。

C、每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。

本节重点：基本概念、换流方式、单相全桥电压型无源逆变电路、三相电压型逆变电路（180o

导电方式）工作原理与波形分析 3、

控制技术 PWM控制技术

（1）基本概念、PWM控制的基本原理

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（2）PWM逆变电路及其控制方法

PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。

产生PWM波形的常用方法——计算法、调制法和跟踪控制法

调制法:结合IGBT单相桥式电压型逆变电路进行说明,把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波。

单极性PWM控制方式波形

双极性PWM控制方式

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（4） 斩波与PWM原理的异同

第三部分

晶闸管额定电流涉及的两个问题

工频正弦半波电流平均值I

T(AV)

、电流有效值I和电流最大值I三者的关系：

T

m

单相工频半波电流

IT?12???0(Imsin?t)2d(?t)?Im 2第 35 页 共 45 页

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