DCAC变换及应用素材ppt课件

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,1,逆变电路实例,2,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,3,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。,4,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,5,1、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1/3 2）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,6,交-直-交变频器,7,交-直-交变频器,8,无源逆变,4.1 逆变电路 概述,一、分类,1、按逆变能量输出去向,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,9,二、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,4.1,10,三、 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=-Ud,uo=Ud,Ud,uo,Ud,-Ud,t,t,4.1,11,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,4.1,1) 器件换流（Device Commutation） 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）,12,负载换流工作波形,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,四、换流方式分类,4.1,13,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,4.1,14,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 Inverter-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,15,4.2.1 单相电压型逆变电路,器件导通情况,控制信号,u0,i0,V1,VD2,V2,VD1,VD1,+,-,+,-,-,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，,优点：简单，使用器件少,V1通，u0=Ud/2,VD2通，u0= -Ud/2,V2通，u0= -Ud/2,VD1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。,16,四个桥臂，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,器件导通情况,控制信号,u0,i0,V1,4导通，u0=Ud,VD2,3导通，u0= -Ud,V2,3导通，u0= -Ud,VD1,4导通，u0= Ud,V1,4,VD2,3,V2,3,VD1,4,VD1,4,-Ud,-Ud,Ud,Ud,Ud,+,-,+,-,-,17,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,器件导 通情况,18,3、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,19,4.2.2 三相电压型逆变电路,波形分析,负载对称时uUN+uVN+uWN=0,负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。,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,20,三相变换器输出 电压和电流波形,21,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，故称六阶梯波,22,一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，,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。,23,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,24,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,25,w,t,u,u,u,u,BQ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。,26,4.4 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。,27,二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,28,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,29,三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。,30,三电平逆变电路,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/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。 iU0时，V41和VD4导通。,线电压的电平 相电压相减得到线电压。 输出线电压有Ud、Ud/2和0五种电平 比两电平逆变电路多两种电平。 输出电压谐波少于两电平逆变电路 突出优点：主开关器件承受电压为Ud/2,31,小 结,32,1无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？,第4讲 练习题,2换流方式各有那几种？各有什么特点？,3什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么特点。,4电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？,6并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相，为保证换相应满足什么条件？,8逆变电路多重化的目的是什么？如何实现？串联多重和并联多重逆变电路各用于什么场合？,33,电压型逆变器当交流侧为阻感性负载时，需要向电源反馈无功功率。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，逆变桥各臂开关器件都反并联了反馈二极管。 而对电流型逆变器来说，当交流侧为阻感负载时，也需要提供无功能量反馈，但直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因反馈无功能量时，直流电流并不反向，因此不必象电压型逆变器那样要给开关器件反并联二极管。,4电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？,34,控制方案1:,控制方案2:,控制方案3:,可控整流方案,斩波调压方案,逆变器自身控制方案,怎样控制逆变电路的输出电压？,35,36,37,38,4.5 SPWM逆变电路,PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：即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) 如直流斩波电路、斩控式调压电路和矩阵式变频电路已涉及到PWM控制。,全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。 应用十分广泛，在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。 PWM控制技术在逆变电路中得到成功应用，现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术，本章和第5章（逆变电路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。,引言,39,1）重要理论基础面积等效原理,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同,形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,单位脉冲函数,矩形脉冲,三角形脉冲,正弦半波脉冲,实例说明,响应波形,4.5.1 PWM控制的基本思想,40,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,t,面积等效原理,SPWM波,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,41,对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形,正弦波还可等效为下图中的PWM波，在实际应用中更为广泛。,等幅PWM波,不等幅PWM波,4.5.1 PWM控制的基本思想,42,1）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、幅值或相位变化时，结果都要变化,V4关时,V1,VD3 或V3 VD1续流，uo=0,V1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=0,V2,3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,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时使V4断，V3通，uo=0 。 ur负半周，请同学们自己分析。,uo的基波分量,4.5.2 SPWM逆变电路及其控制方法,43,3）双极性PWM控制方式（单相桥逆变）,载波有正有负，PWM波也有正负，Ud两种电平。 ur正负半周，对各开关器件的控制规律同单极型,ur uc时，令V1,4导通，令V23关断 如io0，V1,4通；如io0，VD2,3通，uo=-Ud 。,双极性PWM控制方式波形,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,44,u,t,t,t,t,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/2 urUuc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、urW-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,uUN、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,45,4.5.2 PWM逆变电路及其控制方法,46,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 / fr,1）异步调制,载波信号和调制信号不同步的调制方式,低频性能好,4.5.3 异步调制和同步调制,47,2）同步调制,uc 与ur保持同步的调制方式，变频时N= fc / fr等于常数,fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。 三相电路中公用一个三角载波，取N为3的整数倍，使三相输出对称 为使PWM波正负半周镜对称,N取奇数 fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。 fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。,4.5.3 异步调制和同步调制,48,3）分段同步调制异步调制和同步调制的综合应用,把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。 在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。,为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。 同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。 可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。,4.5.3 异步调制和同步调制,49,1）自然采样法： 按照SPWM控制的基本原理产生的PWM 波的方法，其求解复杂，难以在实 时控制中在线计算，工程应用不多,2）规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多,三角波两个正峰值间为一个采样周期Tc 脉冲中点和三角波(负峰点)重合,使计算大为减化 确定A、B点，在tA tB时刻控制器件的通断。 脉冲宽度d和用自然采样法得到的非常接近。,规则采样法计算公式推导,正弦调制信号波,脉冲两边间隙宽度,由图得,调制度,0a1,信号波角频率,4.5.4规则采样法,50,51,人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。,52,53,