直流交流(DCAC)變換

1、第第5 5章章 無源逆變電路無源逆變電路 5.15.1 逆變器的性能指標與分類逆變器的性能指標與分類 5.25.2 逆變電路的工作原理逆變電路的工作原理 5.35.3 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 5.45.4 電流型逆變電路電流型逆變電路 5.55.5 逆變器的逆變器的SPWMSPWM控制技術(shù)控制技術(shù) 逆變器的性能指標與分類逆變器的性能指標與分類 5.11 1）定義：）定義：如果將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直如果將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去，流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去，2 2）應(yīng)用：）應(yīng)用：它用于直流電機的可逆調(diào)速、繞線型異步電

2、機的它用于直流電機的可逆調(diào)速、繞線型異步電機的串級調(diào)速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。串級調(diào)速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。l1 1）定義：）定義：逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而是直接接到逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而是直接接到 負載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交負載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交 流電供給負載，流電供給負載，l2 2）應(yīng)用：）應(yīng)用：它在交流電機變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源它在交流電機變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源 等方面應(yīng)用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容。等方面應(yīng)用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容。 1 1、有源逆變、有源逆變: :2

3、 2、無源逆變：、無源逆變：逆變器的性能指標逆變器的性能指標 （1 1）諧波系數(shù)）諧波系數(shù)HFHF（Harmonic FactorHarmonic Factor） 諧波系數(shù)諧波系數(shù)HFHF定義為諧波分量有效值同基波分量有效值定義為諧波分量有效值同基波分量有效值之比，即之比，即 式中式中n=1n=1、2 2、3 3， 表示諧波次數(shù)，表示諧波次數(shù)，n=1n=1時為基波。時為基波。(5.1.1(5.1.1) )1UUHFn （2 2）總諧波系數(shù)）總諧波系數(shù)THDTHD（Total Harmonic Total Harmonic DistrotionDistrotion） 4 . 3,2211nnUU

4、THD(5.1.2(5.1.2) )（5 5）電磁干擾（）電磁干擾（EMIEMI）和電磁兼容性（）和電磁兼容性（EMCEMC）（3 3）逆變效率）逆變效率 （4 4）單位重量的輸出功率）單位重量的輸出功率: :衡量逆變器輸出功率密度的指標。衡量逆變器輸出功率密度的指標?？傊C波系數(shù)表征了一個實際波形同其基波的接近程度?？傊C波系數(shù)表征了一個實際波形同其基波的接近程度。THDTHD定義為定義為逆變電路的分類逆變電路的分類 電壓型電壓型：電壓型逆變器的輸人端并接有大電容，輸入直電壓型逆變器的輸人端并接有大電容，輸入直流電源為恒壓源，逆變器將直流電壓變換成交流電壓。流電源為恒壓源，逆變器將直流電壓變換成

5、交流電壓。 電流型電流型：電流型逆變器的輸入端串接有大電感，輸入直電流型逆變器的輸入端串接有大電感，輸入直流電源為恒流源，逆變器將輸入的直流電流變換為交流流電源為恒流源，逆變器將輸入的直流電流變換為交流電流輸出。電流輸出。5.1.2（1 1）、根據(jù)輸入直流電源特點分類）、根據(jù)輸入直流電源特點分類 半橋式逆變電路；半橋式逆變電路； 全橋式逆變電路；全橋式逆變電路； 推挽式逆變電路；推挽式逆變電路； 其他形式：如單管晶體管逆變電路。其他形式：如單管晶體管逆變電路。（2 2）、根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點分類）、根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點分類 器件換流（自換流）型逆變電路；器件換流（自換流）型逆變電路； 電網(wǎng)換流型逆

6、變電路；電網(wǎng)換流型逆變電路； 負載換流型逆變電路；負載換流型逆變電路； 脈沖換流型逆變電路；脈沖換流型逆變電路； 逆變電路的分類逆變電路的分類5.1.2（3 3）、根據(jù)換流方式分類）、根據(jù)換流方式分類（4 4）、根據(jù)負載特點分類）、根據(jù)負載特點分類 非諧振式逆變電路非諧振式逆變電路 諧振式逆變電路諧振式逆變電路逆變電路用途逆變電路用途 1 1、可以做成變頻變壓電源（、可以做成變頻變壓電源（VVVFVVVF），主要用于交流），主要用于交流電動機調(diào)速電動機調(diào)速。5.1.3 2 2、可以做成恒頻恒壓電源（、可以做成恒頻恒壓電源（CVCFCVCF），其典型代表為），其典型代表為不間斷電源（不間斷電源（

7、UPSUPS）、航空機載電源、機車照明，通信等）、航空機載電源、機車照明，通信等輔助電源也要用輔助電源也要用CVCFCVCF電源。電源。 3 3、可以做成感應(yīng)加熱電源，例如中頻電源，、可以做成感應(yīng)加熱電源，例如中頻電源，高頻電源等。高頻電源等。逆變器的用途十分廣泛：逆變器的用途十分廣泛：第第5 5章章 無源逆變電路無源逆變電路 5.15.1 逆變器的性能指標與分類逆變器的性能指標與分類 5.25.2 逆變電路的工作原理逆變電路的工作原理 5.35.3 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 5.45.4 電流型逆變電路電流型逆變電路 5.55.5 逆變器的逆變器的SPWMSPWM控制技術(shù)控制技術(shù) 逆變電

8、路的工作原理逆變電路的工作原理 U Ud d為輸入直流電壓，為輸入直流電壓，R R為逆變器的輸出負載。為逆變器的輸出負載。 當開關(guān)當開關(guān)T T1 1、T T4 4閉合，閉合，T T2 2、T T3 3斷開時，逆變器輸出斷開時，逆變器輸出電壓電壓u u0 0= =U Ud d； 當開關(guān)當開關(guān)T T1 1、T T4 4斷開，斷開，T T2 2、T T3 3閉合時，輸出電壓閉合時，輸出電壓 u u0 0= =U Ud d ; ; 當以頻率當以頻率f fS S交替切換開關(guān)交替切換開關(guān)T T1 1、T T4 4和和T T2 2、T T3 3時，則在時，則在電阻電阻R R上獲得如圖上獲得如圖5.2.4(b

9、5.2.4(b) )所示的交變電壓波形，所示的交變電壓波形，其周期其周期T Ts s=1/=1/f fS S，這樣，就將直流電壓這樣，就將直流電壓E E變成了交變成了交流電壓流電壓u uo o。u uo o含有各次諧波，如果想得到正弦波含有各次諧波，如果想得到正弦波電壓，則可通過濾波器濾波獲得。電壓，則可通過濾波器濾波獲得。圖圖5.2.1 單相橋式逆變單相橋式逆變 電路工作原理電路工作原理 5.2.21、主要功能、主要功能: 圖圖5.2.1(a)中主電路開關(guān)中主電路開關(guān)T1T4，它實際是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的它實際是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的一種理想模型。逆變電路中常用的開關(guān)器件有一種理想模型。逆變電

10、路中常用的開關(guān)器件有快速晶閘管快速晶閘管、可關(guān)可關(guān)斷晶閘管（斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（絕緣柵晶體管（IGBT）。）。將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負載。將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負載。2、工作原理、工作原理：第第5 5章章 無源逆變電路無源逆變電路 5.15.1 逆變器的性能指標與分類逆變器的性能指標與分類 5.25.2 逆變電路的工作原理逆變電路的工作原理 5.35.3 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 5.45.4 電流型逆變電路電流型逆變電路 5.55.5 逆變器的逆變

11、器的SPWMSPWM控制技術(shù)控制技術(shù) 電壓型單相半橋逆變電路電壓型單相半橋逆變電路 它由兩個導(dǎo)電臂構(gòu)成，每個導(dǎo)電它由兩個導(dǎo)電臂構(gòu)成，每個導(dǎo)電臂由一個全控器件和一個反并聯(lián)二臂由一個全控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個相互極管組成。在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容串聯(lián)的足夠大的電容CC1 1和和CC2 2，且且滿足滿足CC1 1=C=C2 2。設(shè)感性負載連接在設(shè)感性負載連接在A A、0 0兩點間。兩點間。 T T1 1和和T T2 2之間存在死區(qū)時間，以避免之間存在死區(qū)時間，以避免上、下直通，在死區(qū)時間內(nèi)兩晶閘上、下直通，在死區(qū)時間內(nèi)兩晶閘管均無驅(qū)動信號。管均無驅(qū)動信號。圖圖5.

12、3.1 電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形 5.3.1電壓型逆變電路電壓型逆變電路半橋逆變半橋逆變電路結(jié)構(gòu)及波形：電路結(jié)構(gòu)及波形： 在一個周期內(nèi)，電力晶體管在一個周期內(nèi)，電力晶體管T T1 1和和T T2 2的基極信號的基極信號各有半周正偏，半周反偏，且互補。各有半周正偏，半周反偏，且互補。 若負載為阻感負載，設(shè)若負載為阻感負載，設(shè)t t2 2時刻以前，時刻以前，T T1 1有驅(qū)動有驅(qū)動信號導(dǎo)通，信號導(dǎo)通，T T2 2截止，則截止，則 u u0 0=U=Ud d/2/2。 t t2 2時刻關(guān)斷的時刻關(guān)斷的T T1 1，同時給同時給T T2 2發(fā)出導(dǎo)通信號。由發(fā)

13、出導(dǎo)通信號。由于感性負載中的電流于感性負載中的電流ioio不能立即改變方向，于不能立即改變方向，于是是D D2 2導(dǎo)通續(xù)流，導(dǎo)通續(xù)流，u u0 0= =U Ud d /2/2 t t3 3時刻時刻ioio降至零，降至零，D D2 2截止，截止，T T2 2導(dǎo)通，導(dǎo)通， ioio開始反開始反向增大，此時仍然有向增大，此時仍然有u u0 0= =U Ud d /2/2 。 在在t t4 4時刻關(guān)斷時刻關(guān)斷T T2 2，同時給同時給T T1 1發(fā)出導(dǎo)通信號，由發(fā)出導(dǎo)通信號，由于感性負載中的電流于感性負載中的電流ioio不能立即改變方向，不能立即改變方向，D D1 1先導(dǎo)通續(xù)流，此時仍然有先導(dǎo)通續(xù)流，

14、此時仍然有u u0 0= =U Ud d /2 /2 ； t t5 5時刻時刻ioio降至零，降至零， T T1 1導(dǎo)通，導(dǎo)通，u u0 0= =U Ud d /2 /2 ； 圖圖5.3.1 電壓型半橋逆變電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形電路及其電壓電流波形 5.3.11 1、電壓型逆變電路、電壓型逆變電路半橋逆變電路半橋逆變電路工作原理：工作原理：電壓型單相半橋逆變電路電壓型單相半橋逆變電路 緩緩沖沖電電感感反反饋饋的的無無功功能能量量 輸出輸出電壓有效值電壓有效值為為: : 由傅里葉分析，輸出由傅里葉分析，輸出電壓瞬時值電壓瞬時值為為: : 其中，其中， 為輸出電壓角頻率。為輸出電壓角頻

15、率。 當當 n=1n=1時其時其基波分量的有效值基波分量的有效值為為: : 5.3.122222/0dTdSOUdtUTUStnnUundo sin2, 5 , 3, 1 ddOUUU45. 0221(5.3.1)(5.3.2)(5.3.3)sf 2 圖圖5.3.1 電壓型半橋逆變電路電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形及其電壓電流波形 電壓型單相半橋逆變電路電壓型單相半橋逆變電路缺點：缺點：5.3.11）交流電壓幅值僅為）交流電壓幅值僅為Ud/2；2）直流側(cè)需分壓電容器；）直流側(cè)需分壓電容器；3 3）為了使負載電壓接近正弦波通常在輸出端要）為了使負載電壓接近正弦波通常在輸出端要接接LC濾波器，

16、輸出濾波器濾波器，輸出濾波器LC濾除逆變器輸濾除逆變器輸出電壓中的高次諧波。出電壓中的高次諧波。 l優(yōu)點：優(yōu)點： 簡單，使用器件少；簡單，使用器件少；應(yīng)用：應(yīng)用：用于幾用于幾kW以下的小功率逆變電源；以下的小功率逆變電源；電壓型單相全橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路 全控型開關(guān)器件全控型開關(guān)器件T T1 1和和T T4 4構(gòu)成一對橋臂，構(gòu)成一對橋臂，T T2 2和和T T3 3構(gòu)成一對橋臂構(gòu)成一對橋臂, , T T1 1和和T T4 4同時通、同時通、斷；斷；T T2 2和和T T3 3同時通、斷。同時通、斷。T T1 1(T)(T)4 4與與T T2 2(T(T3 3) )的驅(qū)動信號互補，即

17、的驅(qū)動信號互補，即T T1 1和和T T4 4有驅(qū)動信有驅(qū)動信號時，號時，T T2 2和和T T3 3無驅(qū)動信號，反之亦然，無驅(qū)動信號，反之亦然，兩對橋臂各交替導(dǎo)通兩對橋臂各交替導(dǎo)通180180。圖圖5.3.2 電壓型單相全橋逆變電壓型單相全橋逆變 電路和電壓、電流波形圖電路和電壓、電流波形圖 5.3.21、電路工作過程：、電路工作過程：電壓型單相全橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路輸出方波電壓瞬時值：輸出方波電壓瞬時值： 輸出方波電壓有效值：輸出方波電壓有效值： 基波分量的有效值：基波分量的有效值：圖圖5.3.2 電壓型單相全橋逆變電壓型單相全橋逆變 電路和電壓、電流波形圖電路和電壓、電流波形

18、圖 5.3.2(5.3.6)ddOUUU9 . 0241 dTdsOUdtUTUs 22/01tnnUundo sin4, 5 , 3, 1 (5.3.4)(5.3.5) 同單相半橋逆變電路相比，在相同負同單相半橋逆變電路相比，在相同負載的情況下，其輸出電壓和輸出電流的幅載的情況下，其輸出電壓和輸出電流的幅值為單相半橋逆變電路的兩倍。值為單相半橋逆變電路的兩倍。1 1）純電阻負載時）純電阻負載時電壓型單相全橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路 0 0t tT Ts s4 4期間，期間，D D1 1、D D4 4導(dǎo)通起負載電導(dǎo)通起負載電流續(xù)流作用，在此期間流續(xù)流作用，在此期間T T1 1 T T4

19、4均不導(dǎo)通。均不導(dǎo)通。 T Ts/s/2t3T2t3Ts s4 4期間，期間，D D2 2、D D3 3導(dǎo)通導(dǎo)通起負載電流續(xù)流作用，在此期間起負載電流續(xù)流作用，在此期間T T1 1 T T4 4均均不導(dǎo)通。不導(dǎo)通。圖圖5.3.2 電壓型單相全橋逆變電壓型單相全橋逆變 電路和電壓、電流波形圖電路和電壓、電流波形圖 5.3.22 2）電感負載時）電感負載時22somodTILdtdiLU dsomULTI4 由由可得負載電流峰值為：可得負載電流峰值為：(5.3.7) 電壓型單相全橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路 0 0 t t 期間，期間，T T1 1和和T T4 4有驅(qū)動信號，有驅(qū)動信號，由于電

20、流由于電流ii0為負值，為負值，T T1 1和和T T4 4不導(dǎo)通，不導(dǎo)通，D D1 1、D D4 4導(dǎo)通起負載電流續(xù)流作用，導(dǎo)通起負載電流續(xù)流作用， u u0 0=+=+U Ud d。 t t期間，期間， ii0為正值，為正值，T T1 1和和T T4 4才才導(dǎo)通。導(dǎo)通。 t t+ + 期間，期間，T T2 2和和T T3 3有驅(qū)動信號，有驅(qū)動信號，由于電流由于電流ii0為負值，為負值，T T2 2、T T3 3不導(dǎo)通，不導(dǎo)通，D D2 2、D D3 3導(dǎo)通起負載電流續(xù)流作用，導(dǎo)通起負載電流續(xù)流作用， u u0 0= =U Ud d 。 + + t t2 2 期間，期間，T T2 2和和T

21、T3 3才導(dǎo)通。才導(dǎo)通。5.3.23 3）阻感負載）阻感負載RLRL時時圖圖5.3.2 電壓型單相全橋逆變電壓型單相全橋逆變 電路和電壓、電流波形圖電路和電壓、電流波形圖 圖圖5.3.2(e)所示是所示是RL負載時直流電源輸負載時直流電源輸出電流出電流i0的波形。圖的波形。圖5.3.2(f)所示是所示是RL負載時負載時直流電源輸入電流直流電源輸入電流id的波形。的波形。電壓型三相橋式逆變電路電壓型三相橋式逆變電路 電壓型三相橋式逆變電路的基本電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式為工作方式為180180導(dǎo)電型，即每個橋?qū)щ娦停疵總€橋臂的導(dǎo)電角為臂的導(dǎo)電角為180180，同一相上下橋，同一相上下

22、橋臂交替導(dǎo)電的縱向換流方式，各相臂交替導(dǎo)電的縱向換流方式，各相開始導(dǎo)電的時間依次相差開始導(dǎo)電的時間依次相差120120。 在一個周期內(nèi)，在一個周期內(nèi)，6 6個開關(guān)管觸個開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通的次序為發(fā)導(dǎo)通的次序為T T1 1TT2 2 T T3 3 T T4 4 TT5 5TT6 6 ，依次相隔依次相隔6060，任一時，任一時刻均有三個管子同時導(dǎo)通，導(dǎo)通的刻均有三個管子同時導(dǎo)通，導(dǎo)通的組合順序為組合順序為T T1 1T T2 2T T3 3，T T2 2T T3 3T T4 4，T T3 3T T4 4T T5 5，T T4 4T T5 5T T6 6，T T5 5T T6 6T T1 1，T T6 6T T1 1T T2 2，每種組合工每種組合工作作6060。圖圖5.3.3 電壓型三相橋式逆變電路電壓型三相橋式逆變電路 5.3.31 1、工作過程：、工作過程：電壓型三相橋式逆變電路電壓型三相橋式逆變電路 將一個工作周期分成將一個工作周期分成6 6個區(qū)域。個區(qū)域。 在在000, u0, ug2g20,