第5章_直流-交流变换电路.ppt

1,第五章直流-交流变换电路,第一节概述第二节电压型逆变电路第三节电流型逆变电路第四节脉宽调制型（PWM）逆变电路本章小结,2,逆变概念：,逆变与整流相对应，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，为无源逆变本章讲述无源逆变,逆变与变频,变频电路：交交变频和交直交变频两种交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变,逆变电路的应用,直流电源如蓄电池、干电池和太阳能电池,逆变电路,交流负载供电,交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路,本章内容,第一节概述第二节电压型逆变电路第三节电流型逆变电路第四节脉宽调制型逆变电路,第一节概述,3,第一节概述,一、逆变器的分类二、逆变电路的工作原理与基本结构三、逆变器输出波形性能指标,4,一、逆变器的分类,按输入电源的特点分电压型：直流侧电源为恒压源。电流型：直流侧电源为恒流源。谐振环形：谐振交流环和谐振直流环。按电路结构特点分半桥式全桥式推挽式其他形式：例如单管逆变电路等,5,按输出波形特点分正弦波非正弦波按输出相数分单相三相按负载是否为交流电源有源逆变，负载为交流电源。无源逆变，负载无交流电源。,6,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。,按器件的换流特点分器件换流：利用全控型器件的自关断能力进行换相。在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中的换相方式是器件换相。电网换流：电网提供换相电压的换相方式。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。,7,负载换流：由负载提供换相电压的换相方式。负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换相强迫换流：设置附加的换相电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换相方式称为强迫换相。通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换相。,8,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理,二、逆变电路的工作原理与基本结构,图5-1-1逆变电路工作原理,Q1Q4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,1、逆变电路的工作原理,9,1、逆变电路的工作原理,+-,S1、S4闭合、S2、S3断开,10,1、逆变电路的工作原理,-+,S1、S4断开、S2、S3闭合,11,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。,电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。,阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。,1、逆变电路的工作原理,12,2、逆变电路的基本结构,图5-1-2逆变系统的基本结构框图,13,第二节电压型逆变电路,一、单相电压型逆变电路1、半桥逆变电路2、全桥逆变电路二、三相电压型逆变电路,14,1、半桥逆变电路,t1t2：C1V1负载，输出电压右正左负,-+,5-2-1半桥逆变电路,15,1、半桥逆变电路,t2t3：C2VD2负载，二极管VD2续流，输出电压左正右负,+-,16,t3t4：C2V2负载，输出电压右正左负,+-,1、半桥逆变电路,17,-+,t4t5：C1VD1负载，二极管VD1续流，输出电压左负右正,1、半桥逆变电路,18,1、半桥逆变电路,工作原理V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。,19,1、半桥逆变电路,优点：电路简单，使用器件少。缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。应用：用于几kW以下的小功率逆变电源。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。,20,2、全桥逆变电路,特点共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。以上为移相调压控制方式,5-2-2全桥逆变电路及波形,21,2、全桥逆变电路,输出电压定量分析uo成傅里叶级数基波幅值基波有效值uo为正负各180时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现阻感负载时可采用移相调压,22,电压型逆变电路的主要特点,（1）直流侧为电压源，直流回路呈现低阻抗，或并联有大电容，直流侧电压基本无脉动。（2）交流侧输出电压一波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。（3）当交流侧为电阻加电感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。,23,三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成,图5-2-3三相电压型桥式逆变电路,二、三相电压型逆变电路,24,图5-2-3三相电压型桥式逆变电路,180导电方式每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120任一瞬间有三个桥臂同时导通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,三相电压型逆变电路,25,图5-2-4电压型三相桥式逆变电路的工作波形,负载各相到电源中点N的电压：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2,三相电压型逆变电路,26,图5-2-4电压型三相桥式逆变电路的工作波形,三相电压型逆变电路,负载线电压,27,图5-2-4电压型三相桥式逆变电路的工作波形,三相电压型逆变电路,负载相电压,负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0,28,图5-2-4电压型三相桥式逆变电路的工作波形,三相电压型逆变电路,桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点.,定量分析,1.输出线电压,三相电压型逆变电路,定量分析,1.输出线电压,输出线电压有效值基波幅值基波有效值,三相电压型逆变电路,2.负载相电压,uUN展开成傅里叶级数得,三相电压型逆变电路,式中：,2.负载相电压,负载相电压有效值基波幅值基波有效值,三相电压型逆变电路,33,防止同一相上下两桥臂开关器件直通采取“先断后通”的方法在两个器件间留一个短暂的死区时间“先断后通”的方法对于工作在上下两桥臂互补方式下的电路适用，单相半桥和单相全桥逆变电路必须采用此方法。,34,逆变电路的分类根据直流侧电源性质的不同,35,图5-3-1电流型三相桥式逆变电路,电流型逆变电路,直流电源为电流源的逆变电路,一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源,实例之一：图5-3-1电流型三相桥式逆变电路,吸收换流时负载电感中存贮的能量,第三节电流型逆变电路,36,电流型逆变电路主要特点(1)直流侧串大电感，相当于电流源(2)交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同(3)交流侧为阻感负载时需提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多换流方式有负载换流、强迫换流,第三节电流型逆变电路,37,图5-3-2单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路,4桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器LT，用来限制晶闸管开通时的di/dt,器件1、4和器件2、3以10002500Hz的中频轮流导通，可得到中频交流电,1、单相电流型逆变电路,38,图5-3-2单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路,采用负载换流方式，要求负载电流略超前于负载电压,负载一般是电磁感应线圈，加热线圈内的钢料，R和L串联为其等效电路因功率因数很低，故并联补偿电容CC和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路,1、单相电流型逆变电路,39,图5-3-2单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路,输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波,因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，谐波在负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦,1、单相电流型逆变电路,40,工作波形分析：,图5-3-3并联谐振式逆变电路工作波形,1、单相电流型逆变电路,一周期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段,t1t2：VT1和VT4稳定导通阶段，i=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压,41,工作波形分析：,1、单相电流型逆变电路,一周期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段,t2t4：t2时刻触发VT2和VT3开通，进入换流阶段,LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程同理，LT使VT2、VT3电流有一个增大过程,42,工作波形分析：,1、单相电流型逆变电路,一周期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段,t2时刻后，4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电放电回路：LT1-VT1-VT3-LT3-C；另一路经LT2-VT2-VT4-LT4-C,43,工作波形分析：,1、单相电流型逆变电路,一周期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段,t4时刻，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束t4t2=tg称为换流时间,44,工作波形分析：,1、单相电流型逆变电路,一周期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段,io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点,45,保证晶闸管的可靠关断（图5-3-3）晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tbtb=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq,图5-3-3并联谐振式逆变电路工作波形,1、单相电流型逆变电路,46,1、单相电流型逆变电路,为保证可靠换流应在uo过零前td=t5-t2时刻触发VT2、VT3td为触发引前时间io超前于uo的时间t表示为电角度（弧度）w为电路工作角频率；g、b分别是tg、tb对应的电角度为负载功率因数角,47,2、电流型三相桥式逆变电路（采用全控型器件）,基本工作方式是120导电方式，每个臂一周期内导电120每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，横向换流,图5-3-1电流型三相桥式逆变电路,48,图5-3-4电流型三相桥式逆变电路的输出波形,波形分析输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各120的矩形波输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波,2、电流型三相桥式逆变电路,49,第四节脉宽调制型（PWM）逆变电路,PWM(PulseWidthModulation)脉宽调制技术：通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）第4章直流斩波变换技术已涉及PWM控制，本节主要学习SPWM控制。PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。,50,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,1、PWM控制的基本原理,51,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,SPWM波,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,1、PWM控制的基本原理,52,2、PWM波形的生成,计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM计算各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化,53,2、PWM波形的生成,调制法把希望输出的波形作调制信号，通过对此信号波的调制得到所期望的PWM波采用等腰三角波或锯齿波作为载波等腰三角波应用最多，因其任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称载波与平缓变化的调制信号相交，在交点时刻控制器件通断，就得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波,54,3、以单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明,图5-4-1单相桥式PWM逆变电路,工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补,控制规律：,以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断,uo总可得到Ud和零两种电平,55,3、单相桥式电压型逆变电路的调制,ur正半周，V1保持通，V2保持断当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud当uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号如io0，V1和V4通，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud,58,图5-4-4双极性PWM控制方式波形,对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别,图5-4-3单极性PWM控制方式波形,59,图5-4-5三相桥式PWM型逆变电路,三相的PWM控制公用三角波载波uc,三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120,下面以U相为例进行分析：,4、三相桥式电压型逆变电路的PWM调制,60,图5-4-6三相SPWM逆变电路及波形,当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN=Ud/2,当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN=-Ud/2,当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通,uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平,uUV波形可由uUN-uVN得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0,输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成,负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成,控制规律：,61,防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成