电力电子动画-第4章直流－交流变换器 46页ppt课件

1、 直流交流功率变换称为逆变直流交流功率变换称为逆变 介绍：介绍： 单相半桥、单相半桥、全桥、三相桥全桥、三相桥逆变基本原理逆变基本原理PWMPWM控制输出控制输出电压大小和波电压大小和波形的基本原理形的基本原理高压、大容高压、大容量逆变器复合量逆变器复合结构结构ABCDRL LES1S2S3S4C C( (a a) ) 基基本本逆逆变变电电路路0v1v图图1 1. .6 6EEX-Axis1vDovE0ttX-Axis1vov0tCTonTonT(b) 方波(c) 宽度 方波tT/2T(d) PWM输出电压波形0ov2Ttov2T2tovovo180o1804-1-1 逆变器的类型逆变器的类型

2、(1) 依据直流电源的依据直流电源的 特性不同可分为特性不同可分为:1.电压型逆变器电压型逆变器VSI2.电流型逆变器电流型逆变器CSIZ ZdV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da adiaiC Ct t负负载载电电压压1T驱驱动动4T1T驱驱动动4T2T驱驱动动3TabV0 0dVdV dIZ ZdV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aaiL Lt t负负载载电电流流1T驱驱动动4T1T驱驱动动4T2T驱驱动动3Tabi0 0dIdI 4-1-1 逆变器的类型逆变器的类型依据直流电源的依据直流电源的 特性不同可分为特性不同可分为: 电压型逆变器电压型逆变器VSI、电流型逆变器、

3、电流型逆变器CSI(2) 按输出电压不同分为按输出电压不同分为CVCF、VVVF、脉冲型、脉冲型(3) 按逆变器电路结构不同分为：按逆变器电路结构不同分为：单相半桥单相半桥单相全桥单相全桥推挽逆变推挽逆变三相桥三相桥(4) 按开关器件不同及换流关断方式不同分类按开关器件不同及换流关断方式不同分类: 自关断、强迫关断、有源逆变、负载反电动势、自关断、强迫关断、有源逆变、负载反电动势、 负载谐振换流逆变器。负载谐振换流逆变器。1/)1(VVHFnn 谐波系数谐波系数 232221221212 , 12121214 , 3 , 2211VV)11)2(VVVVVVVTHDVVTHDnnnn（总谐波系

4、数总谐波系数DV180 方波方VVVVVD 33. 0/133 VVHF2 . 05 HF48. 021212 VVVTHDDX-Axis0 0tt 方方波波2To180DV)(1tvABCDRLV VD DS1S2S3S4C( (a a) ) 基基本本逆逆变变电电路路0v1vX-Axis1vD DovV VD D0 0 t tC Cov2T逆变电路输出的逆变电路输出的n n次谐波有效值次谐波有效值VnVn经经LCLC滤波后在负载上的滤波后在负载上的n n次谐次谐波电压波电压VLnVLn为为: : 11122 LCnVcncnLnVVnnLn 2020222)( nV

5、nVLCnVVnnnLn 21224 , 3 , 212n122)(1:n nVVDFnHFVnVDFnnnnnn总畸变系数总畸变系数次谐波的畸变系数次谐波的畸变系数第第倍，倍，次谐波衰减了次谐波衰减了4-2-1 4-2-1 电压型单相方波电压型单相方波 半桥逆变电路半桥逆变电路电容分压，半桥电路电容分压，半桥电路T1T1、T2T2交替通、断交替通、断二级管二级管D D的功用的功用R R、L L负载时，负载时，T T、D D交替交替导电导电图图4 4. .2 2 单单相相半半桥桥逆逆变变电电路路及及电电压压电电流流波波形形( (a a) )电电路路Z1oC2oCdV1T2T1D2Daiant0

6、ai1D2D1T2TR-L( (e e) )R R- -L L负负载载电电流流波波形形t0ai1D2D1T2TamiLfVidam081( (d d) )电电感感负负载载电电流流波波形形t0aiO ON N1T2TO ON N0T043T041T( (c c) )电电阻阻负负载载电电流流波波形形t0dV21anv( (b b) )电电压压波波形形1T2T驱动驱动20T0T230T( (a a) )电电路路Z1oC2oCdV1T2T1D2Daiant t0dV21anv( (b b) )电电压压波波形形1T2T驱动驱动20T0T230TtnnVvDnan sin2,5,3, 1 DD1D145.

7、 022sin2VVVtVva 基波基波)sin()(2)(221 tLRVtiaw T1T1、T4T4与与T2T2、T3T3w 交替通、断交替通、断(a)电路Z ZdV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da adiaittt(b)负载电压(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形t(e)R-L负载电流波形(f)输入电流波形1T驱动4T1T驱动4T2T驱动3TabVaiai000000T40T430T20T1T4T2T3T2D3D4D1D1T4T2T3T2T3T1T4TR负载L负载aiRL负载2tdi2D3D1D4D观看flash演示(a)电路(a)电路Z ZdV3T4T3D4Db b1T

8、2T1D2Da adiait t(b)负载电压(b)负载电压1T驱动驱动4T1T驱动驱动4T2T驱动驱动3T0 0v vabab图4.3图4.3 D202D0, 5 , 3, 102)sin(4VdtVTVtnnVtvTabDnab 总有效值总有效值 DDD19 . 02224VVVV 基基波波有有效效值值不同负载时，不同负载时，D D、T T导电情况不同导电情况不同T T导电供电，导电供电，D D导电导电续流反回）续流反回）w 仅二个开关仅二个开关T1、T2轮轮流导电流导电180度度w 开关管断态电压高一开关管断态电压高一倍倍 2Vdw 要输出变压器要输出变压器w 适用于低压小功率、适用于低

9、压小功率、须隔离的应用须隔离的应用* * *a ab bA AB BO OdV1T2T1D2D负载负载* *变压器中心抽头推挽式单相逆变电路变压器中心抽头推挽式单相逆变电路 控制输出电压基波控制输出电压基波V1V1的大小的大小 控制输出电压波形，要求谐波系数小，谐波频率高控制输出电压波形，要求谐波系数小，谐波频率高LCnVVnLn22 控制方案控制方案1:1:控制方案控制方案2:2:控制方案控制方案3:3:可控整流方案可控整流方案斩波调压方案斩波调压方案逆变器自身控制方案逆变器自身控制方案决定输出电压大小决定输出电压大小脉宽脉宽开关频率决定输出频率开关频率决定输出频率角角导通导通、负半周中，负

10、半周中，角角导通导通、正半周中，正半周中， T3T2T4T12dV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aai2dV电电路路负负载载t 0t 0t 0 0驱动信号驱动信号输出电压输出电压 2 22 22 241,ggVV32,ggVV 2 2 223 dVdV abvT T1 1T T4 4导通导通T T2 2T T3 3导通导通22 22 tnnnVvVtdVVndntabddab sin) 1(2sin4)(2221, 7 , 5 , 3 , 1)(21222 ddmVVVV 22411 时时， 211coscos22sin42sin4 nnnVnnVVVVddnmdm 度00.10.

11、0.91.00208040 60100 120 140 160 180 dmVV41 dmVV43 dmVV45 dmVV472 20dV1 2 次谐波电压相对值次谐波电压相对值、基波、基波、的矩形波的的矩形波的脉宽为脉宽为753 E EA ABC CD DR RL LS S1 1S S2 2S S3 3S S4 4C C基基本本逆逆变变电电路路0v1vE EE EX-Axis1vD DovE E0 0 t tX-Axis1vov0 0 t CT TonTonT ( (b b) ) 方方波波( (c c) ) 宽宽度度 方方波波t T T/ /2 2T T

12、P PW WM M输输出出电电压压波波形形0ov2Ttov2T 2tovo180o180 0 ooovEvEv逆逆变变电电路路只只能能直直接接输输出出观看flash演示冲量等效原理冲量等效原理: 大小、波形不相同的大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。其作用效果基本相同。 tdtVVttdtVVtdttVtVdtVmdmmmdmmmdd sin1sin1sin111 )(sin11tdtVVmd tVtvm sin)(1 0t452123789210tdVdV)(

13、tvab( (b b) )(tv1031245109876105107109120( (a a) )( (b b) )S SP PW WM M等等效效电电压压( (a a) )正正弦弦电电压压312345图图4 4. .8 8 用用S SP PW WM M电电压压等等效效正正弦弦电电压压vab(t)i(t) 在某一很短的时间段期间，正在某一很短的时间段期间，正弦电压与同一时间段中等幅脉冲电弦电压与同一时间段中等幅脉冲电压作用于压作用于L、R电路时，只要两个电路时，只要两个窄脉冲电压的冲量相等，则它们所窄脉冲电压的冲量相等，则它们所形成的电流响应就相同。因此要使形成的电流响应就相同。因此要使图图

14、4.8(b)的的PWM电压波在每一时间电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效，除段都与该时段中正弦电压等效，除每一时间段的面积相等外，每个时每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲还必须很窄，这就间段的电压脉冲还必须很窄，这就要求脉波数量要求脉波数量P很多。脉波数越多，很多。脉波数越多，不连续的按正弦规律改变宽度的多不连续的按正弦规律改变宽度的多脉波电压就越等效于正弦电压。脉波电压就越等效于正弦电压。 iitVm sin1t期间t期间ttdV 可可控控整整流流方方案案可可控控直直流流电电源源逆逆变变器器负负载载+-交交流流电电源源直直流流环环节节滤滤波波器器斩波调压方案斩波调压方案DC

15、/DCDC/DC斩波器斩波器逆逆变变器器负负载载二极二极管整管整流器流器滤波器滤波器E EA ABC CD DR RL LS S1 1S S2 2S S3 3S S4 4C C基基本本逆逆变变电电路路0v1vE EE EX-Axis1vD DovE E0 0 t tX-Axis1vov0 0 t CT TonTonT ( (b b) ) 方方波波( (c c) ) 宽宽度度 方方波波t T T/ /2 2T TP PW WM M输输出出电电压压波波形形0ov2Ttov2T 2tovo180o180 逆变器自身控制方案逆变器自身控制方案Z1oC2oCdV1T2T1D2DaianZ ZdV3T4T

16、3D4Db b1T2T1D2Da adiai单相半桥单相半桥单相全桥单相全桥* * *a ab bA AB BO OdV1T2T1D2D负载负载* *推挽式单相逆变电路推挽式单相逆变电路2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2Taibicia ab bc cPQ0 0电压型三相桥式逆变电路dV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aai负载单极性SPWM电压波形单极性SPWM电压波形2 tdVabvO O1123456i i 2t 2223 dVdV abv双极性SPWM电压波形双极性SPWM电压波形2 0 0T1D1）、）、T4D4导通导通 VabVdT3D3）、）、T

17、2D2导通导通 VabVdT1D1）、）、T3D3导通导通或或T2D2）、）、T4D4导导通通 Vab0相当的高次谐波。相当的高次谐波。与开关频率与开关频率和和，仅含基波仅含基波各段脉宽按正弦变化，各段脉宽按正弦变化，等幅多脉冲电压等幅多脉冲电压的交点所确定的的交点所确定的与三角波与三角波由正弦波由正弦波cr11ababccrr,)()(fffvvvfvfv0crccmrmDcmrmm1cmrm:ffffNvvMVvvvvv载波比载波比调制比调制比，则，则若若 NoImage观看flash演示dab32crab31crrdab41crab42crr432100VvTTvvvTTvvvVvTTv

18、vvTTvvvTTTT 通，通，通、通、，通，通，通、通、，负半周负半周正弦正弦通，通，通、通、，通，通，通、通、，正半周正半周正弦正弦互补通、断互补通、断与与互补通、断互补通、断与与dV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aai负载驱动信号生成电路驱动信号生成电路-1+- -cv三角波三角波rv正弦波正弦波-1+-+-AB11,TVg22,TVg44,TVg33,TVgAVAVBVBV+1 2 3 4 11 10 2t6,14 PffNrc单单极极性性S SP PW WM M电电压压波波形形2 trrfv ,dVccfv ,abvO OO O12 1123456（b b）由由 相相交交

19、确确定定开开关关点点rcvv,（续（续2 2）DDcmrm1m11DD21809 . 022MVVVVVVVVV 当脉波数很多时，当脉波数很多时，宽方波的基波有效值宽方波的基波有效值是是 121143211112114321coscoscoscoscoscos21222coscoscoscoscoscos222:6 dmdnmnnVVVnnnnnnnVVBV个个脉脉波波时时，有有效效值值 dnnVVV22 M2132)( nV1V1513VV 1711VV 3125VV 2927VV cmrmVVM 时基波和谐波值时基波和谐波值6,14 PN0 00.80.

20、81.01.00.80.8 21Dnmnm12121coscos2 nnnVVVn 次谐波幅值为次谐波幅值为产生产生，脉宽脉宽，终点，终点单脉波起点单脉波起点（续（续3 3） dnnVVV22 M2132)( nV1V1513VV 1711VV 3125VV 2927VV cmrmVVM 时基波和谐波值时基波和谐波值6,14 PN0 01.00.80.8单极性SPWM电压单极性SPWM电压2 tdVabvO O1 2 3 4 5 6 (1) P=6, 2P-1=11,

21、最低谐波为最低谐波为11次次(3) 11次谐波大于次谐波大于1/11=9%DDDDVVVMVMVVVVV707. 02121cmrm1m1 时，时，%46.217854. 042221电压利用率少了电压利用率少了 DDVVV(2)（续（续4 4） d1d22180VVV为为的基波电压有效值的基波电压有效值方波方波 DV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aai负载双极性三角波双极性三角波Vc,VrVc,Vr交点确定开关交点确定开关通、断点通、断点输出电压正、负半输出电压正、负半周中，周中，vabvab既有正电既有正电压也有负电压，没压也有负电压，没有零电压有零电压9 rcffNcmVrm

22、Vt t 1 2 3 2223 4 DVDV abv( (c c) )电电压压波波形形 2cmrmVVM 0 02 0 0v vc cv vr r观看flash演示DV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aai负载-1-1+-+-cv三角波三角波rv正弦波正弦波gV),(,4141TTVVgg),(,3232TTVVgg(b)驱动信号生成电路(b)驱动信号生成电路Dab32crDab41crDab32crDab41cr4321VvTTvvVvTTvvVvTTvvVvTTvvTTTT 通，通，、，通，通，、，正弦负半周正弦负半周通，通，、，通，通，、，正弦正半周正弦正半周互补通、断互补通、

23、断与与互补通、断互补通、断与与9 rcffNcmVrmVt t 1 2 3 2223 4 DVDV abv( (c c) )电电压压波波形形 2cmrmVVM 0 02 0 0v vc cv vr r次次最低次谐波为最低次谐波为调制比调制比载波比载波比132/15/cmrmrc NVVMffN相同的开关频率时相同的开关频率时单极单极SPWMSPWM：开关动作次数相对：开关动作次数相对少些，谐波情况好些，多用于少些，谐波情况好些，多用于单相逆变。单相逆变。双极性双极性SPWMSPWM：谐波情况差些，：谐波情况差些，用于三相逆变。用于三相逆变。0 00.80.8

24、1 0.80.81 1r r15V1V19V3129VV (d) N=15，基波和谐波值(d) N=15，基波和谐波值1713VV 3327VV dnVV 229 rcffNcmVrmVt t 1 2 3 2223 4 DVDV abv( (c c) )电电压压波波形形 2cmrmVVM 0 02 0 0v vc cv vr rAVE ES1S1S4S40vS1S1S4S4BVBAovvv S2S2S3S3S2S2S3S31AV1BV1 1V11121211cos2 BABAVVVVV121cos2 V又可消除某次谐波又可消除某次谐波波电压大小，波电压大小

25、，基波移相，既可调节基基波移相，既可调节基 1803n60311n ，次谐波相差次谐波相差nn0,3B3A3 VVV 1805n3651 ，0,5B55AVVV 逆变器1逆变器2逆变器3+-ADBECFCFVcnVbnVBEVanVADVabcn（a）框图三个相差三个相差120120度的单相逆变器组成一个三相逆变器度的单相逆变器组成一个三相逆变器 2dV2dVABCFED1T1D3D3T5T5D2D2T6T6D4D4T5D5T 3T 3D1D1T 4T 4D6T 6D2D2T （b）电路图三个相差三个相差120120度的单相逆变器组成一个三相逆变器度的单相逆变器组成一个三相逆变器 A A相：相

26、：T1T1、T4T4、T1T1、T4T4 B B相：相：T3T3、T6T6、T3T3、T6 T6 C C相：相：T5T5、T2T2、T5T5、T2T22dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2Taibicia ab bc cP PQ Q0 0（a）电路t0abv 2t0bcv 22tcav06Tt06gVdV332 34 35 t021gV1Tt02gV2Tt03gV3Tt04gV4Tt05gV5T3Ty（b b） 导导电电波波形形o180方方波波为为方方波波为为 120,180abaovv（2 2三相桥式逆变器三相桥式逆变器123612561456345234123180 开

27、开关关导导电电顺顺序序为为：上上、下下开开关关互互补补导导电电，时时导导电电。任任何何时时候候有有三三个个开开关关同同，每每个个开开关关导导电电2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2Taibicia ab bc cP PQ Q0 0电路电路aibiciabibcicaia ab bc cca aaibiciabibcicai三角形负载三角形负载a ab bc caVain ncibic ccaV.abV.bcV.anV.a abbnV.cnV.n1.531 1caV. 星形负载星形负载)(31)(31)(31)(2.bccacnabbcbncaabanca

28、abcnbnancaancnabbnanVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV )(31)(31)(31.bccacnabbcbncaabanVVVVVVVVV 负负载载星星形形连连接接时时：t0 0abv2t0 0bcv22tcav0 0tanv0 0t0 0tbnv0 0cnvdVMdV32dV313 32 34 35 o180 导导电电波波形形负负载载相相电电压压阶阶梯梯波波方方波波线线电电压压三三开开关关同同时时导导电电导导电电 120)(180t0 0abv2tanv0 0dVM MdV32dV31 tttttVtvdan 13sin13111sin1117sin715sin51s

29、in2)(ddmVVV636. 021 tttttVtvdan 13cos13111cos1117cos715cos51cos2)( tttttVtvdab 13sin13111sin1117sin715sin51sin32)(ddmVVV1 . 1321 tttttVtvdab 13cos13111cos1117cos715cos51cos32)( (a a) ) 电电路路: :星星型型负负载载R RU Ud dL LdiT T1 1T T3 3T T5 5T T2 2T T6 6T T4 4a ab bc cR RR Rn naibici2222222222T T1 1tttttttttt

30、V Vg g1 1T T2 2T T3 3T T4 4T T5 5T T6 6T T6 6V Vg g2 2V Vg g3 3V Vg g4 4V Vg g5 5V Vg g6 6000000aibici0000abidIT T1 1T T2 2T T3 3T T4 4T T5 50120( (b b) ) 波波形形（ 导导电电类类型型）L L大，大，iDiD恒定恒定120120度导电模式，仅两个开关同时度导电模式，仅两个开关同时导电导电1212，2323，3434，4545，5656，6161，1212( (a a) ) 电电路路: :星星型型负负载载R RU Ud dL LdiT T1 1

31、T T3 3T T5 5T T2 2T T6 6T T4 4a ab bc cR RR Rn naibici2222ttttaibici0000abidI0120( (b b) ) 波波形形（ 导导电电类类型型）梯梯形形波波负负载载三三角角形形联联接接时时)(31)(2baabbabccaabbabbcacaabiiiiiiiiiiiiii c ca ab bbiabiaicicaibci三角形负载三角形负载A AC CA AT T1 1T T4 4T T6 6T T3 3B BT T5 5T T2 2DV21DV210 0( (a a) )电电路路B BC C( (c c) )电电压压波波形

32、形图图tttt00000Cv0Bv0Avcrvbrvarvcv2/DcrVvvv 驱动上管驱动上管2/DcrVvvv 驱动下管驱动下管tsinrrmracc Vvfv 三三相相正正弦弦调调制制波波、双双极极性性三三角角载载波波1rrrrmrcrrmrb22)240-tsin()120-tsin(ffVvVv 观看flash演示( (c c) )电电压压波波形形图图tttt00000Cv0Bv0Avcrvbrvarvcv+- -1 1+ +- -+- -1 1+ +- -V Vg g1 1 T T1 1V Vg g4 4 T T4 4V Vg g6 6 T T6 6V Vg g3 3 T T3

33、3cV+- -1 1+ +- -V Vg g2 2 T T2 2V Vg g5 5 T T5 5参参考考波波形形成成V VR R+ +rfcf oVoVrmV)(tVar)(tVbr)(tVcr( (b b) ) 驱驱动动信信号号- -DDDAom_maxDDcmrmAomrmr1cmc866. 0232121211VVVVVMVVVVVffVf 线线电电压压最最大大值值为为即即可可调调节节输输出出基基波波电电压压）改改变变（，、固固定定率率高高则则脉脉波波多多，最最低低谐谐波波频频大大，载载波波比比：）载载波波频频率率（调调频频，）改改变变（rc1r/32ffNffffcr 相相位位决决定定

34、的的压压输输出出电电压压相相位位由由参参考考电电r)4(v( (c c) )电电压压波波形形图图tttt00000Cv0Bv0Avcrvbrvarvcv+- -1 1+ +- -+- -1 1+ +- -V Vg g1 1 T T1 1V Vg g4 4 T T4 4V Vg g6 6 T T6 6V Vg g3 3 T T3 3cV+- -1 1+ +- -V Vg g2 2 T T2 2V Vg g5 5 T T5 5参参考考波波形形成成V VR R+ +rfcf oVoVrmV)(tVar)(tVbr)(tVcr( (b b) ) 驱驱动动信信号号- -A AC CA AT T1 1T

35、T4 4T T6 6T T3 3B BT T5 5T T2 2dV21dV210 0( (a a) )电电路路B BC C（1 1驱动信号可由硬件电路驱动信号可由硬件电路 实现，亦可由软件采用实现，亦可由软件采用 Micro Processor. Micro Processor. 或或 DSPDSP实现。实现。（2 2提高电压利用率，可改变提高电压利用率，可改变 vrvr或采用空间矢量控制。或采用空间矢量控制。 器件串联提高电压器件串联提高电压器件并联增大电流器件并联增大电流几个三相桥电路通过变压器组合成复合型逆变器是几个三相桥电路通过变压器组合成复合型逆变器是 扩大容量的有效途径扩大容量的有效途径开关器件电压开关器件电压6 67KV7KV，3KA3KA6KA6KA、8KA8KA一个三相桥容量难于达到一个三相桥容量难于达到10MVA10MVA1A1B1CPN2A2B2CPN1a1b1c2c2a2b(a)电路dVSNsN21aaAVVV 21bbBVVV 21ccCVVV 1aV2aV2bV1bV2cV1cV(b）输出电压合成AVBVCV nvv次次谐谐波波滞滞后后，滞滞后后比比方方波波n120a12a tttttNNVvpsda 13cos13111cos1117cos715cos51cos3