《变流器运行与维护》课件-2.3 变流基本原理

任务二

变流基本原理任务一电力电子器件参数及测试任务二变流基本原理任务三软件仿真变流电路任务二变流基本原理任务二变流基本原理一、DC-DC变换器原理(DC/DCConverterPrinciple)

直流变换电路主要工作方式是脉宽调制(PWM)工作方式，基本原理是通过开关管把直流电斩成方波（脉冲波），通过调节方波的占空比（脉冲宽度与脉冲周期之比）来改变电压。1.DC-DC变换基本原理（1）降压斩波电路（Buck变换器）改变占空比调节输出电压就是(PWM)法，也称为定频调宽法。由于输出电压比输入电压低，称之为降压斩波电路或Buck变换器。任务二变流基本原理方波脉冲不能算直流电源，实际使用要加上滤波电路，图2是加有LC滤波的电路，L是滤波电感、C2是滤波电容、D是续流二极管。V导通时，L与C2蓄能，向负载R输电；当V关断时，C2向负载R输电，L通过D向负载R输电。输出方波选用的频率较高，一般是数千赫兹至几十千赫兹，故电感体积很小，输出波纹也不大。输出电压Ub=D×Ua，D是占空比，值为0至1。任务二变流基本原理2.升压斩波电路(Boost)当开关管V导通时，电流通过电感L时会在L中存储能量，此时负载上的电压由C2提供，当开关管V关断时，电感L释放能量，输出电压为输入电压Ud与L产生的电压相加，故提高了输入电压。UR=UL+Uc输出电压

UR=Ud/（1-D），D是占空比，值必须小于1。任务二变流基本原理三通道多重化并联升压型变换电路三个通道开关周期相同、通断时间相同，关键是三个开关管通断时间必须均匀错开才能起到降低输出波纹的作用。多通道并联电路可增大输出电流。任务二变流基本原理2.推挽式功率变换电路推挽式功率变换电路是双象限变换电路，见图5，W1与W2圈数都为N1，构成一个有中间抽头的线圈，作为输出变压器的初级，W3与W4圈数都为N2，构成一个有中间抽头的线圈，作为输出变压器的次级，V1与V2交替导通，在次级就会感生电压，经全波整流后滤波到负载。变压器把太阳电池与用户隔离开来，有利于系统的安全。推挽式功率变换电路电路简单，使用器件少，但开关管要承受两倍的输入电压，一般只在微、小型变换器中使用。任务二变流基本原理3.单相全桥变换电路任务二变流基本原理二、DC-AC逆变电路1.面积等效原理转换图4-9等效电力原理PWM称为脉宽调制，它的理论基础为面积等效原理，即在采样过程中，冲量相同而形状不同的窄脉冲加在同一惯性环节上时，效果相同。任务二变流基本原理根据面积等效原理，把正弦半波分为N等份，这些波形宽度相同，但幅值不同，脉冲顶部不是水平直线；把这些波形用幅值相同而宽度不同的矩形脉冲代替，使矩形脉冲和相应的正弦波面积相同，这些矩形脉冲即为SPWM波，如图4-10所示。逆变器控制器通过PWM调制来控制IGBT通断，等效地获得所需波形。图4-10SPWM波示意任务二变流基本原理2.SPWM波形的生成图3--单极性PWM波形生成原理过去采用模拟电路产生调制信号，精密而高速的电压比较器对ur和uc进行比较，当两电压相同时及时控制开关晶体管进行通断切换，但模拟电路结构复杂，也难以实现精确的控制。采用微处理器直接计算出控制点称为计算法，但计算法较繁琐，计算量大，较少使用。现在已有专用的集成电路用来产生SPWM调制信号，微处理器仅对其发出输出频率、电压等参数就可产生高精度控制信号，输出完好的正弦波，微处理器就有很多时间对整个逆变器进行检测、保护等控制。这种方式电路简单、效果好、可靠性高，是目前广泛使用的控制方法，任务二变流基本原理

从理论上讲，三角波（载波）频率越高，输出波形越接近正弦波。实际上，开关管的通断变化虽然很快，但仍需要一定的时间，在这个时间段里，开关管要承受高电压，大电流的冲击，功耗很大，高频率切换不但加大损耗降低电源效率，还可能使管子发热烧毁。一般逆变器的载波频率约几千赫兹，小功率的频率高些，大功率逆变器的频率低些。任务二变流基本原理三相逆变器，三相逆变电路则需三套SPWM调制电路任务二变流基本原理4.滤波SPWM波形由方波组成，含有较多谐波成分，必须采用输出滤波器使输出波形正弦化。图5是滤波器常用的4种类型，要根据用户电路的特性选用，最常用的还是（b）图所示的LC滤波器。要选择合适的L值与C值，如果设计不当，反过来会降低系统的动态性能，甚至使系统不稳定。任务二变流基本原理三、三电平逆变器电路德国学者Holtz于1977年首次提出三点式电路;其主电路采用常规的两电平电路结构，在每相桥臂中点与直流侧电源中点用一对反并联的功率器件辅助中点箝（qian)位，从而逆变器的每相交流输出电压有三种电平。任务二变流基本原理日本学者Nabae1980年提出新的结构中点采用二极管箝（qian)位而两个功率主管串联的方案，即中点箝位式三电平逆变器(NeutralPointClampedThree-levelInverter)中点箝位式主要有三种拓扑，二极管箝位型、电容箝位型、混合箝位型。a任务二变流基本原理电容箝位型三电平逆变器单臂电路中S1~S4为功率开关器件，C1、C2为直流分压电容。当开关管S1、S2导通时，逆变器输出端相对于中间直流回路中性点o的电压为Udc/2:开关管S3、S4导通时，逆变器输出为-Udc/2;开关管S1、S3或者S2、S4同时导通时，逆变器输出都为0任务二变流基本原理混合箝位型与二极管籍位型结构相比，它在每个桥臂的箝位二极管后增加了一个籍位电容;由于增加了一个箝位电容，T2和T3不能同时导通;三种电平Udc/2、0和-Udc/2中的0电平可以通过两种开关方式得到，即一种方式是当T2和T4同时导通且T1和T3截止，另一种是当T1和T3同时导通且T2和T4截止。任务二变流基本原理二极管箝位型三电平逆变系统任务二变流基本原理三电平优点多电平(设为N电平)逆变器与传统的两电平逆变器相比，在相同条件下具有以下优点:可产生2N-1层阶梯型输出电压，保证有更为接近正弦的波形，谐波含量减小