DCAC变换及应用课件

1、 第4讲 DC/AC变换及其应用 4.1 概述（换流方式） 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路4.5 SPWM逆变电路逆变电路实例实用范围：办公设备：笔记本电脑、移动电话、打印机、显示器家用电器：录象机、音响、DVD、VCD及电冰箱郊外旅游：野外照明、微波炉、烹饪等户外作业：电动工具，车辆求援，抢险救灾，商业促销等休闲娱乐：手机、PDA、数码摄象机、数码相机、电池充电及GPS卫星导航等 产品特点：1、采用进口元器件制造，先进的电路设计，使得逆变器的转换效率高达90%，严格生产质量管理体系，现代化流水生产，保证了产品质量。2、内部保护电路防止了电

2、脉冲或电压波动的影响，能承受压缩机、电视显示器等冲击功率较大的用电器安全启动，电源开关可彻底切断内部电路，断后可保护电瓶不受损失。3、自我保护设计，使得当电压低于10V时，就会自动关闭，保证了蓄电池有足够的电能启动车辆。4、过热或过载时会自动关闭；恢复正常后又会自动启动。工作时无噪音，正常使用可运行多年不需维护。5、输入输出方式多样：12V输入、24V输入、点烟器输入、电瓶直接输入；220V交流输出、110V交流输出等，完全能满足国内外用户对交流用电的需求。 中频炉是一种将工频50HZ交流电转变为中频（300HZ以上至20K HZ）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为

3、可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。逆变电路实例 -中频炉1、大功率器件的研发逆变技术的发展方向2、提高逆变器的变换效率 效率低的原因？3、提高可靠性和EMC性能 1）不可靠的原因- 设计错误、元件质量、操作维护各1/32）怎样提高EMC性能？ 抑制EMI同时也不产生EMI逆变容量与功率器件小功率 几KW以下 - MOSFET中大功率 几KW几百KW - IGBT大功率 几百KW数MW、 GW - GTO 交-直-交变频器 交-直-交变频器无源逆变4.1 逆变电路 概述一、分类1、按

4、逆变能量输出去向交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变。2、按直流电源性质分 电压型，电流型3、按有无变压器分 隔离式，非隔离式4、按结构分 半桥，全桥，推挽式，单端正激，单端反激5、按相数分 单相 三相 多相二、常见问题1、逆变与变频的关系变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。2、应用1）新能源的开发利用，直流电源（如蓄电池、干电池、太阳能电池）等带交流负载；2）交流电机调速用变频器；3）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；4）恒频恒压电源（交直交）UPS，航天用400Hz电源 铁路用

5、25Hz电源；5）有源逆变电源 高压直流输电，送电端整流，受电 端逆变；6）开关电源4.1直流电交流电三、 逆变电路的基本工作原理S1,4闭合，S2,3断开时S1S4是桥式电路的4个臂，由器件及辅助电路组成。改变开关切换频率，可改变输出交流电频率。S1,4断开，S2,3闭合时uo=-Uduo=UdUduoUd-Udtt4.1开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。关断：全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 四、换流方式分类换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相4.11) 器件换流（Device Commuta

6、tion）利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。2) 电网换流（Line Commutation）电网提供换流电压的换流方式。3) 负载换流（Load Commutation）4) 强迫换流（Forced Commutation）负载换流工作波形 ?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4由负载提供换流电压的换流方式3）负载换流VT1,4通时，电容上电压：VT2,3承受正向电压此时触发VT2,3 能通VT2,3导通后， VT1,4承受反压 实现负载换流什么样的电路能实现负载换流？关断

7、 四、换流方式分类4.1由换流电路内电容直接提供换流电压直接耦合式强迫换流通过换流电路内电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流电感耦合式强迫换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。4)强迫换流（Forced Commutation）先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压。电流在支路内部终止流通而变为零，称为熄灭。 四、换流方式分类4.1电压型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电流型逆变电路 Current Source Type Inver

8、ter-VSTI直流侧是电流源4.2 电压型逆变电路1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同2）电压型逆变电路的特点(1)直流侧为电压源或并联大电容， 相当于大电源。(2)输出电压为矩形波，且与无关 输出电流因负载阻抗不同而不同。(3)阻感负载时需提供无功功率。为给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管4.2.1 单相电压型逆变电路ttuG1uG2t1t2t3tiouot4t5器件导通情况控制信号u0i0开V1,关V2开V2,关V1V1VD2V2VD1VD1+-+-工作原理1）半桥逆变电路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，开V1,关V2优点

9、：简单，使用器件少V1通，u0=Ud/2VD2通，u0= -Ud/2V2通，u0= -Ud/2VD1通，u0= Ud/2缺点：输出电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容串联，要均压。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。四个桥臂，可看成两个半桥组合而成两对桥臂交替导通180输出电压和电流波形同半桥电路形状改变U0只能通过改变Ud来实现4.2.1 单相电压型逆变电路2) 全桥逆变电路ttuG1,4uG2,3t1t2t3tiouot4t5器件导通情况控制信号u0i0V1,4导通，u0=UdVD2,3导通，u0= -UdV2,3导通，u0= -UdV

10、D1,4导通，u0= Ud开V1,4,关V2,3开V2,3,关V1,4开V1,4,关V2,3V1,4VD2,3V2,3VD1,4VD1,4-Ud-UdUdUdUd+-+-tuG1tuG2tuG3tuG4t1t2iotuo调q 调输出电压4.2.1 单相电压型逆变电路阻感负载时，可移相调压t3t4t5t6t7t8V1,4V2,3VD2器件导通情况V1V2V1,4VD4VD3VD3VD1VD43、带中心抽头变压器的逆变电路交替驱动两个IGBT，经变压器耦合，负载得到矩形波交流电压二极管-提供无功能量的反馈通道当变压器匝比为1：1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同与全桥电路比较： 1)少

11、用一半开关器件; 2)器件承受的电压为2Ud; 3)必须有一个变压器 .4.2.1 单相电压型逆变电路UdtuUN4.2.2 三相电压型逆变电路波形分析负载对称时uUN+uVN+uWN=0Ud6uVNtuWNtuUVtuNNtuUNtiUtidt2Ud3Ud3负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。uVNtuWNt基本工作方式180导电方式每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相差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。应用最广三相变换器输出电压和电流波形 线电压的有效值：线电压基波分量有效值：三相变换器相电压波形和在每周期的六个状态，故

12、称六阶梯波一周期内有两个导通阶段和两个换流阶段t1t2：VT1,4稳定导通,i=Id，t2时刻前在C上建立左正右负电压。t2t4:换流阶段电容经两个放电回路同时放电4.3.1 单相电流型逆变电路工作分析t=t4时, 换流结束tg -换流时间。Tb-承受反压时间四个桥臂构成,电抗器用来限制开通时的di/dt。工作方式为负载换相。 C L R构成并联谐振电路输出电流接近矩形波，ttuG1,4uG2,3iTioIdt3tfuotdtbiVT2,3iVT1,4Idt2t1t7t6t5t4trttt电流型逆变电路主要特点(1)直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源(2)交流输出电流为矩形波，电压

13、波形和相位因负载不同而不同。(3)直流侧电感起缓冲无功能量的 作用，不必反并联二极管。 电路多采用半控型器件，换流方式有负载换流、强迫换流。主要用于中大功率交流电动机调速系统。是电流型三相桥式逆变电路。各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。120导电工作方式，输出波形和图5-14的波形大体相同。强迫换流方式，电容C1C6为换流电容。4.3.2 三相电流型逆变电路串联二极管式晶闸管逆变电路-+UVW+-UVWa)+-UVWb)-+UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD

14、1VD2VD3C13IdiViViU=Id-iV换流过程分析等效换流电容概念： 分析从VT1向VT3换流时，C13就是C3与C5串联后再与C1并联的等效电容4.3.2 三相电流型逆变电路wtuuuuOOOOOwtwtwtOwtwtVT4导通UVWiViWiUudMVT1导通VT3导通VT6导通VT5导通VT2导通uVT1BQ转子位置检测器，检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲。无换相器电动机电路工作波形无换相器电动机的基本电路三相电流型逆变电路实例：无换向器电动机电流型三相桥式逆变器驱动同步电动机，负载换流。工作特性和调速方式和直流电动机相似，但无换向器，因此称无换向器电动机。4

15、.4 多重逆变电路和多电平逆变电路电压型逆变电路输出电压是矩形波，电流型逆变电路输出电流是矩形波，含有较多谐波。多重逆变电路把几个矩形波组合起来，接近正弦。多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近正弦。12060180tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo二重逆变电路的工作波形二重单相逆变电路4.4.1 多重逆变电路u1和u2相位错开j =60,其中的3次谐波就错开了 360=180。T1、T2串联合成后，3次谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波uo波形是120矩形波，含6k1次谐波，3k次谐波都被抵消。单相电压型二重逆变电路由两个单相全桥组成，T1和T2串联起来。属串联多重输出波形：两个单

16、相的输出u1和u2是180矩形波。电压型、电流型都可多重化,现以电压型为例由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过变压器串联合成。两个逆变电路均为180导通方式。逆变桥II的相位逆变桥I滞后30。T1为/ Y联结，线电压变比为 （一次和二次绕组匝数相等)。T2一次侧联结，二次侧两绕组曲折星形接法，其二次电压相对于一次电压而言，比T1的接法超前30，以抵消逆变桥II比逆变桥I滞后的30。这样，uU2和uU1的基波相位就相同。4.4.1 多重逆变电路三相电压型二重逆变电路的工作原理tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+

17、Ud31Ud三相电压型二重逆变电路波形图 4.4.1 多重逆变电路由图可看出uUN比uU1接近正弦波。直流侧电流每周期脉动12次，称为12脉波逆变电路。使m个三相桥逆变电路的相位依次错开p/(3m)，连同合成输出电压并抵消上述相位差的变压器，就可构成6m的脉波逆变电路。三电平逆变电路4.4.2 多电平逆变电路也称中点钳位型逆变电路电路构成特点每桥臂由两个全控器件串联构成，两者中点通过钳位二极管和直流侧中点相连 以U相为例分析工作情况V11和V12（或VD11和VD12）通，V41和V42断，UO间电位差为Ud/2。V41和V42（或VD41和VD42）通，V11和V12断，UO间电位差为-Ud

18、/2。V12和V41导通，V11和V42关断时，UO间电位差为0。V12和V41不能同时导通。iU0时，V12和VD1导通。iU若要改变正弦波幅值按同一比例改变各脉冲宽度即可宽度按正弦规律变化冲量相等，中点重合4.5.1 PWM控制的基本思想OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形OwtUd-Ud正弦波还可等效为下图中的PWM波，在实际应用中更为广泛。Uot等幅PWM波不等幅PWM波4.5.1 PWM控制的基本思想1）计算法据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到PWM波形较繁琐，当正弦波的频率、幅值

19、或相位变化时，结果都要变化V4关时,V1,VD3 或V3 VD1续流，uo=0V1通，V2断， V3,4交替通断Uo正周半V1,4导通时，uo=Ud V2通，V1断。 V3,4交替通断V3关时,V2 VD4 或V4 VD2续流,uo=0V2,3导通时，uo=-Ud 2）单极型调制法以单相桥式电压型逆变电路为例单相桥式PWM逆变电路 V1,2通断互补，V3,4通断也互补单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouoUd-Ud在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断Uo负周半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，令V1,4导通，令V2

20、3关断如io0，V1,4通；如io0，VD14通,uo=Ud uruc时，令V2,3通，令V1,4关断。如io0，VD2,3通，uo=-Ud 。双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。4.5.2 SPWM逆变电路及其控制方法ucurUuuUNuVNuWNttttuUVUd-Udt三相桥式PWM型逆变电路 以U相为例分析控制规律：urUuc时,通V1,关V4,uUN=Ud/2urUuc时,通V4,关V1,uUN=-Ud/2当V14加通信号时,可能V14通，也可能VD14通Uc-三相的PWM控制公用三角波载波urU、urV、u

21、rW-三相的调制信号4）双极性PWM控制方式（三相桥逆变） 负载相电压有(2/3)Ud、 (1/3)Ud和0共5种电平2UdurVurWuUNt32Ud3UduUN、uVN和uWN 仅Ud/2两种电平uUV波形可由uUN-uVN得出，有Ud和0三种电平。在输出电压半周期内，器件通、断各k次，有k个开关时刻可控，可消去k1个频率的特定谐波。k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。4.5.2 SPWM逆变电路及其控制方法双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud4.5.2 PWM逆变电路及其控制方法PWM调制方式分为异步调制和同步调制通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称fr较低时,N较大，一T内脉冲数较多，脉冲不对称产生影响较小fr增高时,N减小,一T内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响变大载波比N= fc / fr1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式urucuOwtuOwt频率增加uOwt频率减小低频性能好4.5