第4讲DC-AC变换及应用.

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4.5SPWM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20KHZ）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可控整流方案可控直流电源逆变器负载+-交流电源直流环节滤波器斩波调压方案DC/DC斩波器逆变器负载二极管整流器滤波器交-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S1~S4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（DeviceCommutation）–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（LineCommutation）–电网提供换流电压的换流方式。3)负载换流（LoadCommutation）4)强迫换流（ForcedCommutation）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（ForcedCommutation）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VoltageSourceTypeInverter-VSTI直流侧是电压源电流型逆变电路CurrentSourceTypeInverter-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φ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，2dU开V1,关V22dU2dU2dU2dU优点：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=-UdVD1,4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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UN'WN'WUWN'VN'VWVN'UN'UVuuuuuuuuu'NNWN'WNNN'VN'VNNN'UN'UNuuuuuuuuuUdtuUN'4.2.2三相电压型逆变电路•波形分析)(31)(31WNVNUNWN'VN'UN'NN'uuuuuuu负载对称时uUN+uVN+uWN=0)(31WN'VN'UN'NN'uuuuUd6uVN'tuWN'tuUVtuNNtuUNtiUtidt2Ud3Ud3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0)ii(iWVU三相变换器输出电压和电流波形dd3202d3202ABL816.032)ωt(1)ωt()(1UUdUdUUdd1L78.06uuU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，故称六阶梯波一周期内有两个导通阶段和两个换流阶段t1~t2：VT1,4稳定导通,iｏ=Id，t2时刻前在C上建立左正右负电压。t2~t4: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。CLR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C1~C6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)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=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。4.4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。120°60°180°tOtOtO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3×60°=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6k±1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Δ/Y联结，线电压变比为（一次和二次绕组匝数相等)。T2一次侧Δ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tOtOtOtOtO3