第4章-DC-AC变换电路

PowerElectronics第4章DC-AC变换电路主要内容：4.1概述4.2电压型DC-AC变换电路4.3电流型DC-AC变换电路4.4谐振式逆变电路4.5DC-AC变换的多重化技术和多电平逆变电路4.6变频器4.7软开关技术在DC-AC变换中的应用4.8小结PowerElectronics4.1概述DC-AC变换电路是将直流电(DC)转换为交流电(AC)的电路，即通常所说的逆变电路。其应用非常广泛：在已有的直流中，向交流负载供电时，就需要逆变电路；在高压直流输电中，换流站中的高压大容量逆变器更是不可或缺的核心设备之一；由公共电网向各种交流负载供电时，往往需要采用电力电子逆变装置将电网电能转换成所需频率和电压的电能，这一过程常被称为变频，变频系统的核心实际上也是逆变电路。PowerElectronics变频的实现方式a)交交直接变频：传统形式为多组反并联晶闸管可逆桥式变流器组成，基于相控整流技术，采用电网自然换流实现交流到交流的直接变换，效率较高，能四象限运行。但这种电路使用晶闸管较多，输出频率低，功率因数低；矩阵式变换器是一种新型交交变频电路，它采用多个双向开关实现N相输入—M相输出的交叉连接，换流效率非常高，能实现四象限运行和任意功率因数，控制特性好，电源侧和负载侧谐波含量少，但矩阵变换器要求较高频率的双向开关，控制相对也较复杂。b)交直交变频：由交直变换电路和直交变换电路两部分组成，前一部分属整流电路，后一部分就是DC-AC逆变电路。交直交变频形式是目前最主要的变频方式，并将在今后很长一段时期内继续占据主导地位PowerElectronics逆变电路分类PowerElectronics按换流方式分类：a)器件换流：利用全控型器件自身的关断能力进行换流称为器件换流。在采用IGBT、功率MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中，其换流方式即为器件换流。b)负载换流：由负载提供换流电压称为负载换流，通常采用的是负载谐振换流。c)强迫换流：通过附加的换流装置，给欲关断的器件强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。器件换流只适用于全控型器件，其余两种方式主要用于半控型器件如晶闸管的换流。PowerElectronics按直流电源分类：a)电压型逆变器：在直流母线上并联有大电容，抑制母线电压纹波，直流测可近似看作一个理想电压源。b)电流型逆变器：在直流测串联有大电感，可以抑制输出直流电流纹波，使得直流测可以近似看作一个理想电流源。PowerElectronics按交流输出类型分类：a)当变换装置交流侧接在电网上，把直流电逆变成同频率的交流电回馈到电网上去，称为有源逆变。b)当变换装置交流侧和负载连接时，将由变换装置直接给电机等负载提供频率可变的交流电，这种工作模式被称为无源逆变。按输出电平分类按控制方式分类按电路拓扑结构分类按输出电压相数分类PowerElectronics4.2电压型DC-AC变换电路4.2.1电压型单相逆变电路4.2.2电压型三相全桥式逆变电路PowerElectronics4.2.1电压型单相逆变电路1.电压型单相半桥式逆变电路电路特点：直流侧接有很大的滤波电容，从逆变器向直流侧看过去，有两个桥臂，每个桥臂由一个开关器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个串联的大电容，用于直流环节的滤波，稳定直流电压相当于一个内阻很小的电压源，两个电容的连接点为直流电源中点，负载接在直流电源中点和两个桥臂中点之间。PowerElectronics控制方式：开关器件T1和T2在一个输出电压基波周期T0内互补地施加触发驱动信号，且两管驱动信号时间都相等当T1导通T2关断时，当T2导通T1关断时，所以电压波形为占空比为50％的方波。改变T1和T2的驱动信号的频率，即可以改变输出电压的频率，输出电压的基波频率PowerElectronics输出电压：傅里叶级数形式：输出电压基波幅值：输出电压基波有效值：n次谐波幅值：121nLmDLVVVnnPowerElectronics输出电流电阻负载：感性负载：当负载中含有电感成分时，由于电感上电流不能突变，因此电流波形相当于经过了一个低通滤波环节，波形更接近于正弦波瞬时负载电流：其中n次谐波阻抗相角基波电流：PowerElectronics死区互锁时间：为防止T1和T2同时导通，在T1和T2的驱动信号切换过程中加入一定宽度的死区互锁时间，让上下桥臂的开关同时处于关断状态。加入死区时间会影响实际输出电压的幅值半桥逆变电路总结优点：原理简单，使用器件少缺点：输出交流电压的幅值较低，基波幅值仅为，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的平衡半桥电路常用于几kw以下的小功率逆变电源0.637DVPowerElectronics2.电压型单相全桥式逆变电路电路特点：全桥电路可看作由两个半桥电路组成，有四个桥臂，包括四个可控开关器件及反并联二极管，在直流母线上通常还并联有滤波电容。控制方式：T1和T4同时开通和关断，T2和T3同时开通和关断（存在一定的死区）。当T1和T4开通时，负载端电压为，当T2和T3同时开通时，。PowerElectronics输出电压：傅里叶级数形式：输出电压基波有效值：PowerElectronics输出电流电阻负载：感性负载：时，开关管T1、T4被触发，当负载电流由a流向b时，电流流经开关管T1、T4，当负载电流由b流向a时，经过D1、D4续流时，开关管T2、T3被触发，当负载电流由b流向a时，电流流经开关管T2、T3，当负载电流由a流向b时，电流经过D2、D3续流瞬时负载电流：–其中n次谐波阻抗相角基波电流：002Tt002TtT1,3,5...4sin()DLnnnVintnZ1224sin(arctan)DLLVtRiRL22()nZRnLRLnnarctanPowerElectronics3.带中心抽头变压器的电压型逆变器电路特点：交替驱动两个开关T1和T2，将直流电压交替地加到变压器的两个原边，在副边就可以合成一个与负载性质无关的方波电压。两个与开关管反并联的二极管D1和D2的提供续流通道，完成无功能量的回馈。变压器匝比为1:1:1时，输出电压电流、波形及幅值与电压型单相全桥逆变电路完全相同。PowerElectronics带中心抽头变压器的电压型逆变电路总结优点：①所用的开关器件少②输入直流侧和交流侧由于变压器的隔离而没有电的联系③变压器可以将输出电压变换到需要的数值，降低了对输入直流电压的要求缺点：①变压器必须紧密耦合②原边每个绕组只在半个周期内工作，需要有较大的容量③变压器体积较大且笨重，仅适用于功率较小的场合。PowerElectronics4.2.2电压型三相全桥式逆变电路电路结构控制方式上下开关管互补导通，形成一个宽度为1800（对应于）的矩形电压波，而三相桥臂之间的控制起始信号相位互差1200开关管T1～T6依次导通，触发脉冲间隔为600，在任何时刻都有三只管子同时导通，每只开关管在一个周期内（3600）的导通时间为180002TPowerElectronics开关管驱动状态及各相端点输出电压各个开关管的导通状态与顺序分别为(T1、T2、T3)→(T2、T3、T4)→(T3、T4、T5)→(T4、T5、T6)→(T5、T6、T1)→(T6、T1、T2)PowerElectronics逆变器输出线电压为各端点电压之差，且考虑负载为三相对称负载，O点为负载的中点负载中点电压与端点电压之间关系：3ANBNCNONvvvvPowerElectronics当时，T1、T2、T3导通负载线电压：负载相电压：006Tt222DDDANBNCNVVVvvv、、-36ANBNCNDONvvvVv0ABANBNBCBNCNDCACNANDvvvvvvVvvvV3323DAOANONDBOBNONDCOCNONVvvvVvvvVvvvPowerElectronics当时，T2、T3、T4导通负载线电压：负载相电压：0063TTt222DDDANBNCNVVVvvv、、-36ANBNCNDONvvvVv0ABANBNDBCBNCNDCACNANvvvVvvvVvvv3233DAOANONDBOBNONDCOCNONVvvvVvvvVvvvPowerElectronics根据求得的表达式可画出各区间的负载线电压、相电压及中点电压波形。负载线电压为宽度1200的矩形波，各相电压波形为六阶梯波，中点电压为3倍输出频率的方波。改变开关管触发脉冲的频率就可以改变逆变器输出电压的频率PowerElectronics输出线电压：傅里叶级数形式：基波幅值：基波有效值：将时间坐标起点移至阶梯波的起点基波幅值：n次谐波幅值为：相电压不含3次谐波，只含5、7、11、13等高阶奇次谐波23111()(sinsin5sin7sin11)5711DABVvttttt1231.1lmDDVVV160.78lDDVVV2111(sinsin5sin7sin11)5711DAOVvtttt12DpVV2DnpVVnPowerElectronics电压源型逆变电路总结由于电容的嵌位作用，在开关管的控制下，输出给负载的电压为一系列矩形波，波形仅与控制脉冲相关而与负载性质无关，但输出的电流波形与负载的阻抗角相关。不管是半桥还是全桥电路，采用方波控制时，在直流母线电压一定时输出电压的基波大小不可控，且输出电压中谐波频率低、幅值大，对负载性能影响较大。因此，上述逆变电路的输出通常要接LC滤波器，滤波器LC滤除逆变电路输出电压中的高次谐波而使负载电压、电流接近正弦波。改善逆变器技术特性的更佳途径是采用PWM控制模式，通过提高开关控制频率和占空比的调节，直接输出谐波含量更少的交流电压PowerElectronics4.3电流型DC-AC变换电路4.3.1电流型单相桥式逆变电路4.3.2电流型三相桥式逆变电路PowerElectronics4.3.1电流型单相桥式逆变电路电路特点：输入侧直流电源串接有大电感L，因为电感中电流脉动较小，开关器件上无反并联二极管，电流方向无法反向。当带纯电阻负载时，开关T1、T4导通，T2、T3关断时，负载电流方向为正；当开关T2、T3导通，T1、T4关断时，负载电流方向为负，负载电流波形为方波当负载包含电感时，由于电感上的电流不能突变，必须给负载电流提供一个换流路径，并提供储能元件以吸收负载电感中储存的能量，因此必须在感性负载两端并联一个电容C，电容作为储能元件提供无功功率，是电流型逆变器不可缺少的一部分。PowerElectronics负载电流波形为一系列方波，并与负载性质无关负载电流的傅里叶分析电流基波有效值电流源型逆变器输出的电流波形含有很丰富的谐波成分，如果负载为电阻性负载，则负载上的电压波形与电流波形一致。但实际应用中大部分负载都包含有电感成分，由于这种混合性负载的滤波作用，负载上的电压一般接近于正弦波。411()(sinsin3sin5...)35DLIitttt1410.92DLDIIIPowerElectronics4.3.2电流型三相桥式逆变电路电路特点：在直流侧串联有一个大电感L，当电感足够大时直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗，相当于一个电流源。电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，所以交流侧输出电流波形为矩形波，并且与负载的阻抗角无关PowerElectronics控制方式：