電力電子技術(shù)直流交流變換技術(shù)

1、2021/8/141第6章 DC-AC變換技術(shù)2021/8/142概念v把直流電變成交流電稱(chēng)為逆變，相應(yīng)的功率變換裝置被稱(chēng)為逆變器。2021/8/143分類(lèi)1：有源逆變與無(wú)源逆變v如果把逆變器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變成同頻率的交流電送到電網(wǎng)去，叫有源逆變；v如果逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)連接，而是直接接到負(fù)載，即把直流電逆變成某一頻率的交流電供給負(fù)載，則叫無(wú)源逆變。2021/8/144分類(lèi)2：電壓型逆變器與電流型逆變器v輸入電壓為恒壓源稱(chēng)為電壓源逆變器v輸入為恒流源稱(chēng)為電流源逆變器，在實(shí)際應(yīng)用中使用較少。負(fù)載電壓負(fù)載電壓負(fù)載電流負(fù)載電流2021/8/145v兩圖有何區(qū)別?分類(lèi)3：202

2、1/8/146分類(lèi)4：半橋與橋式分類(lèi)5：自然換流與強(qiáng)迫換流分類(lèi)6：正弦逆變與非正弦逆變2021/8/147負(fù)載的分類(lèi)2021/8/148逆變與整流逆變器整流器逆變器整流器逆變器整流器逆變器整流器2021/8/1496.2方波逆變器單相半橋式逆變電路 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin/2(

3、a)(b)(c)D2D1v在直流側(cè)有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，使得兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)為直流電壓的中點(diǎn)。兩個(gè)電容構(gòu)成一個(gè)橋臂，開(kāi)關(guān)管和及其反并二極管和構(gòu)成另一個(gè)橋臂，兩橋臂的中點(diǎn)為輸出端，可以通過(guò)變壓器輸出，也可由這兩端直接輸出。2021/8/1410工作原理（阻性負(fù)載時(shí)）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs

4、/2TonVin/2(a)(b)(c)D2D12021/8/1411數(shù)量關(guān)系.5 , 3 , 1sin2ninABtnnVv123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin/2(a)(b)(c)D2D1Vab=？其輸出電壓有效值為：其瞬時(shí)值表達(dá)式為：2422120200inTinABVdtVTv2021

5、/8/1412感性負(fù)載時(shí)如何工作？123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin/2(a)(b)(c)D2D1123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddb

6、Drawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin/2(a)(b)(c)D2D1此時(shí)負(fù)載上的電壓電流波形如何？D1，D2有何作用？2021/8/14132、單相全橋逆變電路 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin

7、(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q42021/8/1414工作原理（阻性負(fù)載時(shí)）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4 2021/8/1415數(shù)量關(guān)系inTinsABVdtVTVs212022其輸出

8、電壓有效值為：其瞬時(shí)值表達(dá)式為：tttVvinAB5sin513sin31sin42021/8/1416工作原理（感性負(fù)載時(shí)）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevis

9、ionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q42021/8/1417受限雙極性控制方式123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ1

10、2Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)D3D1Q4Q2Q4Q3tt2021/8/1418受限雙極性控制方式(感性負(fù)載）123456ABCD654321

11、DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiR

12、tttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)D3D1Q4Q2Q4Q3tt在D3，Q4導(dǎo)通期間為何iL保持不變？2021/8/1419123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4123456ABCD65

13、4321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)D3D1Q4Q2Q4Q3tt123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiL

14、tttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q42021/8/1420移相控制方式123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4123456ABCD654321DCBAT

15、itleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttTsTs/2VinQ4Q2ta2021/8/1421v三相逆變器電路可以由三個(gè)單相逆變器組成，通常三相逆變電路采用三相橋式電路，三相橋式電路如圖所示。每個(gè)橋臂（Red leg，Yellow leg，Blue leg）相互延遲1200。三相方波逆變器三相方波逆變器2021/8/1422當(dāng)G點(diǎn)和N點(diǎn)不連接時(shí)，180O導(dǎo)電型工作過(guò)程，負(fù)載為阻性。 6個(gè)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖所示，三個(gè)單相逆變器的激勵(lì)脈沖之間彼此相差12

16、00，每個(gè)管子都導(dǎo)通180O，以便獲得三相平衡（基波）的輸出。任何時(shí)刻都有3個(gè)管子導(dǎo)通，其導(dǎo)通順序?yàn)?、6、1；6、1、2；1、2、3；2、3、4；3、4、5；4、5、6；5、6、1.；每組管子導(dǎo)通60度。S1btt2t2tttS2bS3bS4bS5bS6b6個(gè)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)2021/8/14236個(gè)狀態(tài)的等效電路如圖所示2021/8/1424v可以求出6個(gè)狀態(tài)時(shí)三相輸出電壓：3233223211dcYNdcBNRNdcEdcEVRiuVuuRVRViRRRR323232232222dcBNYNdcRNdcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRR323232232333dcYNRNdcBN

17、dcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRR323232232444dcBNRNdcYNdcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRR323232232555dcYNBNdcRNdcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRR323232232566dcYNRNdcBNdcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRR2021/8/1425v由上式畫(huà)出三相輸出相電壓波形，如圖所示，可見(jiàn)波形每個(gè)周期由六個(gè)階梯組成，因此又稱(chēng)為六階梯波。我們稱(chēng) 、 、 為逆變器相電壓； 、 、 為逆變器線(xiàn)電壓。RNuYNuBNuRYuRBuYBut32dcVRNut3dcVYNu3dcV32dcV2 3 tBN

18、u3dcV32dcV180O2021/8/1426120O導(dǎo)電型（當(dāng)G點(diǎn)和N點(diǎn)不連接）120度導(dǎo)電型2021/8/1427時(shí) 段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽(yáng)極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6輸出電壓波形是怎樣的？2021/8/1428高頻逆變感應(yīng)加熱技術(shù)v優(yōu)點(diǎn)： 升溫快、熱效率高 無(wú)明火、無(wú)煙塵、無(wú)有害氣體2021/8/1429高頻逆變感應(yīng)加熱技術(shù)v原理：v電磁爐是通過(guò)電子線(xiàn)路板組成部分產(chǎn)生交變磁場(chǎng)、當(dāng)用含鐵質(zhì)鍋具底部放置爐面時(shí)，鍋具即切割交變磁力線(xiàn)而在鍋具底部金屬部分產(chǎn)生交變的電流（即渦流），渦流使鍋具鐵原子高速無(wú)規(guī)

19、則運(yùn)動(dòng)，原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能。 2021/8/1430電路原理（如何產(chǎn)生交變磁場(chǎng)）2021/8/1431v3傅立葉級(jí)數(shù)、方波逆變器輸出諧波 v在實(shí)際問(wèn)題中，除了正弦函數(shù)外，還會(huì)遇到許多非正弦的周期函數(shù)，為了研究非正弦的周期函數(shù)，將周期函數(shù)展開(kāi)成由三角函數(shù)組成的級(jí)數(shù)。將周期函數(shù)展開(kāi)，它的物理意義是很明確的，即把一個(gè)比較復(fù)雜的周期運(yùn)動(dòng)看成是許多不同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)疊加。)sin()(10nnntnAAtf2021/8/1432逆變器輸出基波3次諧波5次諧波逆變器輸出基波3次諧波5次諧波方波的各次諧波)sin()(10nnntnAAtf)sin(11tA)3sin(33tA)5sin(55tA

20、基波為13次諧波為0.335次諧波為0.27次諧波為0.149次諧波為0.1111次諧波為0.09基波為13次諧波為0.335次諧波為0.27次諧波為0.149次諧波為0.1111次諧波為0.092021/8/1433如何去除諧波？v方波逆變器輸出是一交變方波電壓，在某些場(chǎng)合可以直接應(yīng)用，例如在驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)等應(yīng)用中；在另一些場(chǎng)合，方波逆變器輸出就必須進(jìn)行濾波，才能滿(mǎn)足應(yīng)用的需要。低通濾波低通濾波2021/8/14346.3脈沖寬度調(diào)制（PWM）v背景：v方波逆變器可以方便地調(diào)整輸出電壓的頻率，但輸出電壓的幅度在逆變環(huán)節(jié)中無(wú)法調(diào)節(jié)，通常需要增加調(diào)壓環(huán)節(jié)完成調(diào)壓功能，但這種方法使系統(tǒng)復(fù)雜，且輸出電

21、壓諧波大。v1964年，德國(guó)學(xué)者A. Schonung 和H. Stemmler 率先提出了脈寬調(diào)制（PWM: Pulse Width Modulation）的思想，把通訊技術(shù)中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流傳動(dòng)中，開(kāi)創(chuàng)了DC-AC技術(shù)研究的新領(lǐng)域。v發(fā)展現(xiàn)狀2021/8/1435PWMPWM波形生成原理波形生成原理 在采樣控制理論中，有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的脈沖，加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量，即是指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果將其輸出波形用傅氏變換分析，其中低頻特性基本相同，僅在高頻段略有差異。 2021/8/1436如圖中所示的三

22、個(gè)面積相等但形狀不同的窄脈沖，當(dāng)他們分別加在慣性上環(huán)節(jié)上時(shí)，輸出基本相同，并且，脈沖寬度越窄，其輸出的差異越小。0tf(t)0tf(t)0tf(t)0f(t)ta b c d2021/8/1437原理：1）將正弦波n等分，將正弦波用寬度相同，幅度不同的一系列方波脈沖來(lái)擬合。2）將每個(gè)脈沖方波以面積相等的原則用一系列幅度相同，寬度不同的方波來(lái)替換（根據(jù)控制理論，這樣替換后輸出效果相同。）2021/8/1438v把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。v通常采用等腰三角波作為載波，因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾扰c高度呈線(xiàn)性關(guān)系且左右對(duì)稱(chēng)，當(dāng)它與任何一個(gè)

23、平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)，在交點(diǎn)時(shí)刻就可以得到寬度正比于調(diào)制信號(hào)波幅度的脈沖。下圖為調(diào)制波、載波和SPWM波的關(guān)系圖形。載 波調(diào) 制 波載 波調(diào) 制 波2021/8/1439單極性單極性PWMPWM調(diào)制調(diào)制v載波（三角波）在調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)只在一個(gè)方向變化，所得到的PWM波形也只在一個(gè)方向變化的控制方式稱(chēng)為單極性PWM控制方式。2021/8/1440雙極性雙極性PWMPWM調(diào)制調(diào)制 在雙極性控制方式中，載波（三角波）在調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)是在正負(fù)兩個(gè)方向變化，所得到的PWM波形也正負(fù)兩個(gè)在方向變化。2021/8/1441SPWMSPWM生成方法生成方法1 1）自然采樣法）自然采樣法MIsinrttuutktAtB2 2）規(guī)則采樣法）規(guī)則采樣法2021/8/1442PWMPWM產(chǎn)生電路及控制原理（自然采樣法）產(chǎn)生電路及控制原理（自然采樣法）單極性單極性PWMPWM調(diào)制調(diào)制2021/8/1443簡(jiǎn)單的電壓比較電路2021/8/1444Ur：信號(hào)波（正弦波）Uc：載波（三角波）調(diào)制電路的組成1）比較電路2）控制電路2021/8/1445控制方法在信號(hào)波Ur的正半周期Q1保持導(dǎo)通，Q3保持關(guān)斷，然后：當(dāng)UrUc時(shí)，Q4導(dǎo)通，Q2關(guān)斷則此時(shí)Vab=Vin當(dāng)UrUc時(shí)，Q4導(dǎo)通，Q2關(guān)