DC-AC變換技術(shù)

1、第6章 DC-AC變換技術(shù)概念v把直流電變成交流電稱為逆變，相應(yīng)的功率變換裝置被稱為逆變器。分類1：有源逆變與無源逆變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，則叫無源逆變。分類2：電壓型逆變器與電流型逆變器v輸入電壓為恒壓源稱為電壓源逆變器v輸入為恒流源稱為電流源逆變器，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v兩圖有何區(qū)別?分類3：分類4：半橋與橋式分類5：自然換流與強(qiáng)迫換流分類6：正弦逆變與非正弦逆變負(fù)載的分類逆變與整流逆變器整流器逆

2、變器整流器逆變器整流器逆變器整流器6.2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(a)(b)(c)D2D1v在直流側(cè)有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，使得兩個電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)為直流電壓的中點(diǎn)。兩個電容構(gòu)成一個橋臂，開關(guān)管和及其反并二極管和構(gòu)成另一個橋臂，兩橋臂的中點(diǎn)為輸

3、出端，可以通過變壓器輸出，也可由這兩端直接輸出。工作原理（阻性負(fù)載時）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin/2(a)(b)(c)D2D1數(shù)量關(guān)系.5 , 3 , 1sin2ninABtnnVv123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:2

4、0-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：其瞬時值表達(dá)式為：2422120200inTinABVdtVTv感性負(fù)載時如何工作？123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:Q

5、QDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin/2(a)(b)(c)D2D1123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin/2(a)(b)(c)D2D1此時負(fù)載上的電壓電流波形如何？D1，D2有何作用？2、單相全橋逆

6、變電路 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4工作原理（阻性負(fù)載時）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖liho

7、ng.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4 數(shù)量關(guān)系inTinsABVdtVTVs212022其輸出電壓有效值為：其瞬時值表達(dá)式為：tttVvinAB5sin513sin31sin4工作原理（感性負(fù)載時）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD

8、2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4受限雙

9、極性控制方式123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.d

10、dbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)D3D1Q4Q2Q4Q3tt受限雙極性控制方式(感性負(fù)載）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q412345

11、6ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)D3D1Q4Q2Q4Q3tt在D3，Q4導(dǎo)通期間為何iL保持不變？123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZ

12、BQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/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)D3D1Q4Q2Q4Q3tt123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisio

13、nSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4移相控制方式123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q

14、1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttTsTs/2VinQ4Q2ta單獨(dú)供電與集中供電v 單獨(dú)式供電：單獨(dú)式供電方式是在單節(jié)客車上安裝一套獨(dú)立的供電裝置，有車軸式和車下懸掛柴油發(fā)電機(jī)組式(用于單節(jié)空調(diào)客車)兩種。v 集中式供電：在列車中的某一輛車上一個集中電源（可以通過柴油

15、發(fā)電機(jī)組提供也可以由接觸網(wǎng)通過電力機(jī)車主變壓器提供），通過電力連接器向整個列車供電，這種供電方式稱為集中式供電。集中式供電因其供電量大，輸出電壓穩(wěn)定已經(jīng)成為主流供電方式。單獨(dú)供電v 單獨(dú)供電方式，一直以車軸式作為主導(dǎo)。隨著空調(diào)客車的大量運(yùn)用，客車用電量不斷增加，客車供電方式正處于新舊交替時期，以柴油發(fā)電機(jī)組作為電源的車輛愈來愈多。車軸式供電軸驅(qū)式發(fā)電機(jī)的供電系統(tǒng)有許多缺點(diǎn)。首先,客車發(fā)電機(jī)的機(jī)械傳動是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件,經(jīng)常損壞,特別是在高速運(yùn)行時。此外,軸驅(qū)式發(fā)電機(jī)顯著增加車輛的運(yùn)行阻力。例如,在運(yùn)行速度90公里/小時時,車輛的運(yùn)行阻力由于有軸驅(qū)式發(fā)電機(jī)而增加28%。客車獨(dú)立供電系統(tǒng)由于能量

16、多次轉(zhuǎn)換(在電力機(jī)車上電能變成機(jī)械能,之后在客車上機(jī)械能變成電能),因而效率低。它由機(jī)車的平均運(yùn)用效率、減速器、發(fā)電機(jī)及蓄電池的效率所決定。此時在額定功率下供電系統(tǒng)的效率大約是50%DC600v集中供電系統(tǒng)工作原理DC600v集中供電系統(tǒng)工作原理電氣化區(qū)段運(yùn)行方式v25kv受電弓主變壓器整流，濾波DC600vDC600v逆變器空調(diào)熱水器DC110電壓裝置蓄電池照明等其他直流負(fù)載非電氣化區(qū)段運(yùn)行方式發(fā)電車DC600v逆變器空調(diào)熱水器DC110電壓裝置蓄電池照明等其他直流負(fù)載空調(diào)蓄電池照明等其他直流負(fù)載熱水器發(fā)電車ac380v整流裝置DC110v電源裝置具體電路v三相逆變器電路可以由三個單相逆變器

17、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當(dāng)G點(diǎn)和N點(diǎn)不連接時，180O導(dǎo)電型工作過程，負(fù)載為阻性。 6個功率管的驅(qū)動信號如圖所示，三個單相逆變器的激勵脈沖之間彼此相差1200，每個管子都導(dǎo)通180O，以便獲得三相平衡（基波）的輸出。任何時刻都有3個管子導(dǎo)通，其導(dǎo)通順序為5、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個開關(guān)的驅(qū)動信號6個狀態(tài)的等效電路如

18、圖所示v可以求出6個狀態(tài)時三相輸出電壓：3233223211dcYNdcBNRNdcEdcEVRiuVuuRVRViRRRR323232232222dcBNYNdcRNdcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRR323232232333dcYNRNdcBNdcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRR323232232444dcBNRNdcYNdcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRR323232232555dcYNBNdcRNdcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRR323232232566dcYNRNdcBNdcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRRv由上式畫出三相

19、輸出相電壓波形，如圖所示，可見波形每個周期由六個階梯組成，因此又稱為六階梯波。我們稱 、 、 為逆變器相電壓； 、 、 為逆變器線電壓。RNuYNuBNuRYuRBuYBut32dcVRNut3dcVYNu3dcV32dcV2 3 tBNu3dcV32dcV180O120O導(dǎo)電型（當(dāng)G點(diǎn)和N點(diǎn)不連接）120度導(dǎo)電型時 段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6輸出電壓波形是怎樣的？v3傅立葉級數(shù)、方波逆變器輸出諧波 v在實(shí)際問題中，除了正弦函數(shù)外，還會遇到許多非正弦的周期函數(shù)，為了研究非正弦的周期

20、函數(shù)，將周期函數(shù)展開成由三角函數(shù)組成的級數(shù)。將周期函數(shù)展開，它的物理意義是很明確的，即把一個比較復(fù)雜的周期運(yùn)動看成是許多不同頻率的簡諧振動疊加。)sin()(10nnntnAAtf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0.09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

21、合可以直接應(yīng)用，例如在驅(qū)動交流電機(jī)等應(yīng)用中；在另一些場合，方波逆變器輸出就必須進(jìn)行濾波，才能滿足應(yīng)用的需要。低通濾波低通濾波6.3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，且輸出電壓諧波大。v1964年，德國學(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)用于交流傳動中，開創(chuàng)了DC-AC技術(shù)研究的新領(lǐng)域。v發(fā)展現(xiàn)狀PWMPWM波形生成原理波形生成原理 在采樣控

22、制理論中，有一個重要結(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，其效果基本相同。沖量，即是指窄脈沖的面積。這里所說的效果相同，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。 如圖中所示的三個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，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 d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擬合。2）將每個脈沖方波以面積相等的原則用一系列幅度相同，寬度不同的方波來替換（根據(jù)控制理論，

23、這樣替換后輸出效果相同。）v把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(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，因為等腰三角波上下寬度與高度呈線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，在交點(diǎn)時刻就可以得到寬度正比于調(diào)制信號波幅度的脈沖。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)制波半個周期內(nèi)只在一個方向變化，所得到的PWM波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。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)制波半個周期內(nèi)是在正負(fù)兩個方向變化，所得到的PWM波形也正負(fù)兩個在方向變化。SPWMSPWM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PWMPWM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Ur：信號波（正弦波）Uc：載波（三角波）調(diào)制電路的組成1）比較電路2）控制電路控制方法在信號波Ur的正半周期Q1保持導(dǎo)通，Q3保