直流交流變換電路課件

1、第五章 直流-交流變換電路 第一節(jié) 概述第二節(jié) 電壓型逆變電路 第三節(jié) 電流型逆變電路 第四節(jié) 脈寬調制型（PWM）逆變電路 本章小結1 逆變概念：逆變與整流相對應，直流電變成交流電交流側接電網(wǎng)，為有源逆變交流側接負載，為無源逆變本章講述無源逆變逆變與變頻變頻電路：交交變頻和交直交變頻兩種交直交變頻由交直變換和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變 逆變電路的應用直流電源如蓄電池、干電池和太陽能電池逆變電路交流負載供電交流電機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路 本章內(nèi)容第一節(jié) 概述第二節(jié) 電壓型逆變電路第三節(jié) 電流型逆變電路第四節(jié) 脈寬調制型逆變電路第一節(jié)

2、 概述 2第一節(jié) 概述 一、逆變器的分類 二、逆變電路的工作原理與基本結構 三、逆變器輸出波形性能指標 3一、逆變器的分類 按輸入電源的特點分電壓型：直流側電源為恒壓源。電流型：直流側電源為恒流源。諧振環(huán)形：諧振交流環(huán)和諧振直流環(huán)。按電路結構特點分半橋式全橋式推挽式其他形式：例如單管逆變電路等 4按輸出波形特點分正弦波非正弦波按輸出相數(shù)分單相三相按負載是否為交流電源有源逆變，負載為交流電源。無源逆變，負載無交流電源。5換流電流從一個支路向另一個支路轉移的過程，也稱為換相。按器件的換流特點分器件換流：利用全控型器件的自關斷能力進行換相。在采用IGBT 、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控

3、型器件的電路中的換相方式是器件換相。電網(wǎng)換流： 電網(wǎng)提供換相電壓的換相方式。將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關斷的晶閘管上即可使其關斷。不需要器件具有門極可關斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。6負載換流：由負載提供換相電壓的換相方式。負載電流的相位超前于負載電壓的場合，都可實現(xiàn)負載換相強迫換流： 設置附加的換相電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反壓或反電流的換相方式稱為強迫換相。 通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電容換相。7以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理二、逆變電路的工作原理與基本結構圖5-1-1 逆變電路工作原理Q1Q4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組

4、成。1、逆變電路的工作原理81、逆變電路的工作原理+ -S1、S4閉合、S2、S3斷開91、逆變電路的工作原理- +S1、S4斷開、S2、S3閉合10逆變電路最基本的工作原理 改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率。電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同。1、逆變電路的工作原理電阻負載阻感負載112、逆變電路的基本結構保護電路輔助電源驅動與控制電路輸入電路逆變電路輸出電路DCAC圖5-1-2 逆變系統(tǒng)的基本結構框圖12第二節(jié) 電壓型逆變電路一、單相電壓型逆變電路 1、半橋逆變電路 2、全橋逆變電路二、三相電壓型逆變電路131、半橋逆

5、變電路t1t2：C1V1負載，輸出電壓右正左負- +5-2-1 半橋逆變電路141、半橋逆變電路t2t3：C2VD2負載，二極管VD2續(xù)流，輸出電壓左正右負+ -15t3t4：C2V2負載，輸出電壓右正左負+ -1、半橋逆變電路16- +t4t5：C1VD1負載，二極管VD1續(xù)流，輸出電壓左負右正1、半橋逆變電路171、半橋逆變電路- + -+ - +工作原理V1和V2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2。V1或V2通時，io和uo同方向，直流側向負載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側反饋。VD1、VD2稱為

6、反饋二極管, 起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。181、半橋逆變電路優(yōu)點：電路簡單，使用器件少。缺點：輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流側需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應用：用于幾kW以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。192、全橋逆變電路tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo特點 共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。 兩對橋臂交替導通180。 輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。 以上為移相調壓控制方式5-2-2 全橋逆變電路及波形202、全橋逆變電路輸出電壓定量分析 uo成傅里葉級

7、數(shù) 基波幅值 基波有效值 uo為正負各180時，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實現(xiàn) 阻感負載時可采用移相調壓21電壓型逆變電路的主要特點（1）直流側為電壓源，直流回路呈現(xiàn)低阻抗，或并聯(lián)有大電容，直流側電壓基本無脈動。 （2）交流側輸出電壓一波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。 （3）當交流側為電阻加電感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。 22三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路應用最廣的是三相橋式逆變電路可看成由三個半橋逆變電路組成圖5-

8、2-3 三相電壓型橋式逆變電路二、三相電壓型逆變電路23圖5-2-3 三相電壓型橋式逆變電路180導電方式 每橋臂導電180，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120 任一瞬間有三個橋臂同時導通 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流三相電壓型逆變電路24圖5-2-4 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形負載各相到電源中點N的電壓：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2三相電壓型逆變電路25圖5-2-4 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形三相電壓型逆變電路 負載線電壓26圖5-2-4 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形三相電壓型逆變電路 負載相電壓負載三相對稱時

9、有uUN+uVN+uWN=027圖5-2-4 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形三相電壓型逆變電路橋臂1、3、5的電流相加可得直流側電流id的波形，id每60脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側向直流側傳送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個特點 .28定量分析1.輸出線電壓三相電壓型逆變電路uUV展開成傅里葉級數(shù)式中：定量分析1.輸出線電壓輸出線電壓有效值基波幅值基波有效值三相電壓型逆變電路2.負載相電壓uUN展開成傅里葉級數(shù)得三相電壓型逆變電路式中：2.負載相電壓負載相電壓有效值基波幅值基波有效值三相電壓型逆變電路防止同一相上下兩橋臂開關器件直通采取“先斷后通”的方法在兩個器件間

10、留一個短暫的死區(qū)時間“先斷后通”的方法對于工作在上下兩橋臂互補方式下的電路適用，單相半橋和單相全橋逆變電路必須采用此方法。33逆變電路的分類 根據(jù)直流側電源性質的不同電壓型逆變電路又稱為電壓源型逆變電路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流側大電容濾波是電壓源電流型逆變電路又稱為電流源型逆變電路Current Source Type Inverter-VSTI直流側大電感濾波是電流源34圖5-3-1 電流型三相橋式逆變電路電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路一般在直流側串聯(lián)大電感，電流脈動很小，可近似 看成直流電流源實例之一：圖5-3-1電流型三相橋式逆變電

11、路 吸收換流時 負載電感中存貯的能量第三節(jié) 電流型逆變電路35電流型逆變電路主要特點 (1)直流側串大電感，相當于電流源 (2)交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因 負載不同而不同 (3)交流側為阻感負載時需提供無功功率，直流側電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關器件反并聯(lián)二極管電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍 應用較多換流方式有負載換流、強迫換流第三節(jié) 電流型逆變電路36圖5-3-2 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路 4橋臂，每橋臂晶閘管各串聯(lián)一個電抗器LT，用來限制晶閘管開通時的di/dt器件1、4和器件2、3以10002500Hz的中頻輪流導通，可得到中頻交流電1、單相

12、電流型逆變電路37圖5-3-2 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路 采用負載換流方式，要求負載電流略超前于負載電壓負載一般是電磁感應線圈，加熱線圈內(nèi)的鋼料，R和L串聯(lián)為其等效電路因功率因數(shù)很低，故并聯(lián)補償電容CC和L、R構成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振式逆變電路1、單相電流型逆變電路38圖5-3-2 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路 輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波因基波頻率接近負載電路諧振頻率，故負載對基波呈高阻抗，對諧波呈低阻抗，諧波在負載上產(chǎn)生的壓降很小，因此負載電壓波形接近正弦1、單相電流型逆變電路39工作波形分析：圖5-3-3 并聯(lián)諧振式逆

13、變電路工作波形 1、單相電流型逆變電路 一周期內(nèi)，兩個穩(wěn)定導通 階段和兩個換流階段t1t2：VT1和VT4穩(wěn)定導通階段，i=Id，t2時刻前在C上建立了左正右負的電壓40工作波形分析：1、單相電流型逆變電路 一周期內(nèi)，兩個穩(wěn)定導通 階段和兩個換流階段 t2t4：t2時刻觸發(fā)VT2和VT3開通，進入換流階段 LT使VT1、VT4不能立刻關斷，電流有一個減小過程 同理，LT使VT2、VT3電流有一個增大過程41工作波形分析：1、單相電流型逆變電路 一周期內(nèi)，兩個穩(wěn)定導通 階段和兩個換流階段t2時刻后，4個晶閘管全部導通，負載電容電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電放電回路：LT1-VT1-VT3-LT

14、3-C；另一路經(jīng)LT2-VT2-VT4-LT4-C42工作波形分析：1、單相電流型逆變電路 一周期內(nèi)，兩個穩(wěn)定導通 階段和兩個換流階段t4時刻，VT1、VT4電流減至零而關斷，換流階段結束t4t2= tg 稱為換流時間43工作波形分析：1、單相電流型逆變電路 一周期內(nèi)，兩個穩(wěn)定導通 階段和兩個換流階段io在t3時刻，即iVT1=iVT2時刻過零，t3時刻大體位于t2和t4的中點44保證晶閘管的可靠關斷（圖5-3-3）晶閘管需一段時間才能恢復正向阻斷能力，換流結束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時間tbtb= t5- t4應大于晶閘管的關斷時間tq圖5-3-3 并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形 1、

15、單相電流型逆變電路451、單相電流型逆變電路為保證可靠換流應在uo過零前td= t5- t2時刻觸發(fā)VT2、VT3td為觸發(fā)引前時間io超前于uo的時間t 表示為電角度 （弧度）w為電路工作角頻率；g、b分別是tg、tb對應的電角度為負載功率因數(shù)角462、電流型三相橋式逆變電路（采用全控型器件） 基本工作方式是120導電方式，每個臂一周期內(nèi)導電120 每時刻上下橋臂組各有一個臂導通，橫向換流圖5-3-1 電流型三相橋式逆變電路47圖5-3-4 電流型三相橋式逆變電路的輸出波形 波形分析輸出電流波形和負載性質無關，正負脈沖各120的矩形波輸出電流和三相橋整流帶大電感負載時的交流電流波形相同，諧波

16、分析表達式也相同輸出線電壓波形和負載性質有關，大體為正弦波2、電流型三相橋式逆變電路48第四節(jié) 脈寬調制型（PWM）逆變電路 PWM (Pulse Width Modulation)脈寬調制技術：通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）第4章直流斬波變換技術已涉及PWM控制，本節(jié)主要學習SPWM控制。PWM控制的思想源于通信技術，全控型器件的發(fā)展使得實現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM技術的應用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術的發(fā)展史上占有十分重要的地位。49如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波1、PWM控制的基本原理50如

17、何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波SPWM波若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。1、PWM控制的基本原理512、PWM波形的生成計算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準確計算PWM 計算各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形本法較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化522、PWM波形的生成調制法把希望輸出的波形作調制信號，通過對此信號波的調制得到所期望的PWM波采用等腰三角波或鋸齒波作為載波等腰三角波應用最多，因其任一點的水平寬度和高度成線性關系且左右對稱載波與平緩變化的調制信號相交，在交點時刻控制器件通

18、斷，就得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求調制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波；調制信號 是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波53 3、以單相橋式電壓型逆變電路對調制法進行說明圖5-4-1 單相橋式PWM逆變電路工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補控制規(guī)律：以uo正半周為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷uo總可得到Ud和零兩種電平54 3、單相橋式電壓型逆變電路的調制ur正半周，V1保持通，V2保持斷當uruc時使V4通，V3斷，uo=Ud當uruc時，給V1和V4導通信號，給V2和V3關斷信號如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=U

19、d當uruc時，給V2和V3導通信號，給V1和V4關斷信號如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud57圖5-4-4 雙極性PWM控制方式波形 對照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調制，也可采用雙極性調制，由于對開關器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別圖5-4-3 單極性PWM控制方式波形58圖5-4-5 三相橋式PWM型逆變電路 三相的PWM控制公用三角波載波uc 三相的調制信號urU、urV和urW依次相差120下面以U相為例進行分析：4、三相橋式電壓型逆變電路的PWM調制59圖5-4-6 三相SPWM逆變電路及波形 當urUuc時，給V1導通信號，給V4關斷信號，uUN=Ud/2當urUuc時，給V4導通信號，給V1關斷信號，uUN=-Ud/2當給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是VD1(VD4)導通uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2兩種電平uUV波形可由uUN-uVN得出，當1和6通時，uUV=Ud，當3和4通時，uUV=Ud，當1和3或4和6通時，uUV=0輸出線電壓PWM波由Ud和0三種電平構成負載相電壓PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5種電平組成 控制規(guī)律：60防直