電力電子技術直流交流變換技術

1、2021/8/141第6章 DC-AC變換技術2021/8/142概念v把直流電變成交流電稱為逆變，相應的功率變換裝置被稱為逆變器。2021/8/143分類1：有源逆變與無源逆變v如果把逆變器的交流側接到交流電源上，把直流電逆變成同頻率的交流電送到電網(wǎng)去，叫有源逆變；v如果逆變器的交流側不與電網(wǎng)連接，而是直接接到負載，即把直流電逆變成某一頻率的交流電供給負載，則叫無源逆變。2021/8/144分類2：電壓型逆變器與電流型逆變器v輸入電壓為恒壓源稱為電壓源逆變器v輸入為恒流源稱為電流源逆變器，在實際應用中使用較少。負載電壓負載電壓負載電流負載電流2021/8/145v兩圖有何區(qū)別?分類3：202

2、1/8/146分類4：半橋與橋式分類5：自然換流與強迫換流分類6：正弦逆變與非正弦逆變2021/8/147負載的分類2021/8/148逆變與整流逆變器整流器逆變器整流器逆變器整流器逆變器整流器2021/8/1496.2方波逆變器單相半橋式逆變電路 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin/2(

3、a)(b)(c)D2D1v在直流側有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，使得兩個電容的聯(lián)結點為直流電壓的中點。兩個電容構成一個橋臂，開關管和及其反并二極管和構成另一個橋臂，兩橋臂的中點為輸出端，可以通過變壓器輸出，也可由這兩端直接輸出。2021/8/1410工作原理（阻性負載時）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs

4、/2TonVin/2(a)(b)(c)D2D12021/8/1411數(shù)量關系.5 , 3 , 1sin2ninABtnnVv123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin/2(a)(b)(c)D2D1Vab=？其輸出電壓有效值為：其瞬時值表達式為：2422120200inTinABVdtVTv2021

5、/8/1412感性負載時如何工作？123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin/2(a)(b)(c)D2D1123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddb

6、Drawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin/2(a)(b)(c)D2D1此時負載上的電壓電流波形如何？D1，D2有何作用？2021/8/14132、單相全橋逆變電路 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin

7、(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q42021/8/1414工作原理（阻性負載時）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4 2021/8/1415數(shù)量關系inTinsABVdtVTVs212022其輸出

8、電壓有效值為：其瞬時值表達式為：tttVvinAB5sin513sin31sin42021/8/1416工作原理（感性負載時）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevis

9、ionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q42021/8/1417受限雙極性控制方式123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ1

10、2Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)D3D1Q4Q2Q4Q3tt2021/8/1418受限雙極性控制方式(感性負載）123456ABCD654321

11、DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiR

12、tttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)D3D1Q4Q2Q4Q3tt在D3，Q4導通期間為何iL保持不變？2021/8/1419123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4123456ABCD65

13、4321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)D3D1Q4Q2Q4Q3tt123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiL

14、tttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q42021/8/1420移相控制方式123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4123456ABCD654321DCBAT

15、itleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttTsTs/2VinQ4Q2ta2021/8/1421v三相逆變器電路可以由三個單相逆變器組成，通常三相逆變電路采用三相橋式電路，三相橋式電路如圖所示。每個橋臂（Red leg，Yellow leg，Blue leg）相互延遲1200。三相方波逆變器三相方波逆變器2021/8/1422當G點和N點不連接時，180O導電型工作過程，負載為阻性。 6個功率管的驅(qū)動信號如圖所示，三個單相逆變器的激勵脈沖之間彼此相差12

16、00，每個管子都導通180O，以便獲得三相平衡（基波）的輸出。任何時刻都有3個管子導通，其導通順序為5、6、1；6、1、2；1、2、3；2、3、4；3、4、5；4、5、6；5、6、1.；每組管子導通60度。S1btt2t2tttS2bS3bS4bS5bS6b6個開關的驅(qū)動信號2021/8/14236個狀態(tài)的等效電路如圖所示2021/8/1424v可以求出6個狀態(tài)時三相輸出電壓：3233223211dcYNdcBNRNdcEdcEVRiuVuuRVRViRRRR323232232222dcBNYNdcRNdcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRR323232232333dcYNRNdcBN

17、dcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRR323232232444dcBNRNdcYNdcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRR323232232555dcYNBNdcRNdcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRR323232232566dcYNRNdcBNdcEdcEVRiuuVRiuRVRViRRRR2021/8/1425v由上式畫出三相輸出相電壓波形，如圖所示，可見波形每個周期由六個階梯組成，因此又稱為六階梯波。我們稱 、 、 為逆變器相電壓； 、 、 為逆變器線電壓。RNuYNuBNuRYuRBuYBut32dcVRNut3dcVYNu3dcV32dcV2 3 tBN

18、u3dcV32dcV180O2021/8/1426120O導電型（當G點和N點不連接）120度導電型2021/8/1427時 段IIIIIIIVVVI共陰極組中導通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6輸出電壓波形是怎樣的？2021/8/1428高頻逆變感應加熱技術v優(yōu)點： 升溫快、熱效率高 無明火、無煙塵、無有害氣體2021/8/1429高頻逆變感應加熱技術v原理：v電磁爐是通過電子線路板組成部分產(chǎn)生交變磁場、當用含鐵質(zhì)鍋具底部放置爐面時，鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分產(chǎn)生交變的電流（即渦流），渦流使鍋具鐵原子高速無規(guī)

19、則運動，原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能。 2021/8/1430電路原理（如何產(chǎn)生交變磁場）2021/8/1431v3傅立葉級數(shù)、方波逆變器輸出諧波 v在實際問題中，除了正弦函數(shù)外，還會遇到許多非正弦的周期函數(shù)，為了研究非正弦的周期函數(shù)，將周期函數(shù)展開成由三角函數(shù)組成的級數(shù)。將周期函數(shù)展開，它的物理意義是很明確的，即把一個比較復雜的周期運動看成是許多不同頻率的簡諧振動疊加。)sin()(10nnntnAAtf2021/8/1432逆變器輸出基波3次諧波5次諧波逆變器輸出基波3次諧波5次諧波方波的各次諧波)sin()(10nnntnAAtf)sin(11tA)3sin(33tA)5sin(55tA

20、基波為13次諧波為0.335次諧波為0.27次諧波為0.149次諧波為0.1111次諧波為0.09基波為13次諧波為0.335次諧波為0.27次諧波為0.149次諧波為0.1111次諧波為0.092021/8/1433如何去除諧波？v方波逆變器輸出是一交變方波電壓，在某些場合可以直接應用，例如在驅(qū)動交流電機等應用中；在另一些場合，方波逆變器輸出就必須進行濾波，才能滿足應用的需要。低通濾波低通濾波2021/8/14346.3脈沖寬度調(diào)制（PWM）v背景：v方波逆變器可以方便地調(diào)整輸出電壓的頻率，但輸出電壓的幅度在逆變環(huán)節(jié)中無法調(diào)節(jié)，通常需要增加調(diào)壓環(huán)節(jié)完成調(diào)壓功能，但這種方法使系統(tǒng)復雜，且輸出電

21、壓諧波大。v1964年，德國學者A. Schonung 和H. Stemmler 率先提出了脈寬調(diào)制（PWM: Pulse Width Modulation）的思想，把通訊技術中的調(diào)制技術應用于交流傳動中，開創(chuàng)了DC-AC技術研究的新領域。v發(fā)展現(xiàn)狀2021/8/1435PWMPWM波形生成原理波形生成原理 在采樣控制理論中，有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的脈沖，加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量，即是指窄脈沖的面積。這里所說的效果相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。如果將其輸出波形用傅氏變換分析，其中低頻特性基本相同，僅在高頻段略有差異。 2021/8/1436如圖中所示的三

22、個面積相等但形狀不同的窄脈沖，當他們分別加在慣性上環(huán)節(jié)上時，輸出基本相同，并且，脈沖寬度越窄，其輸出的差異越小。0tf(t)0tf(t)0tf(t)0f(t)ta b c d2021/8/1437原理：1）將正弦波n等分，將正弦波用寬度相同，幅度不同的一系列方波脈沖來擬合。2）將每個脈沖方波以面積相等的原則用一系列幅度相同，寬度不同的方波來替換（根據(jù)控制理論，這樣替換后輸出效果相同。）2021/8/1438v把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。v通常采用等腰三角波作為載波，因為等腰三角波上下寬度與高度呈線性關系且左右對稱，當它與任何一個

23、平緩變化的調(diào)制信號波相交時，在交點時刻就可以得到寬度正比于調(diào)制信號波幅度的脈沖。下圖為調(diào)制波、載波和SPWM波的關系圖形。載 波調(diào) 制 波載 波調(diào) 制 波2021/8/1439單極性單極性PWMPWM調(diào)制調(diào)制v載波（三角波）在調(diào)制波半個周期內(nèi)只在一個方向變化，所得到的PWM波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。2021/8/1440雙極性雙極性PWMPWM調(diào)制調(diào)制 在雙極性控制方式中，載波（三角波）在調(diào)制波半個周期內(nèi)是在正負兩個方向變化，所得到的PWM波形也正負兩個在方向變化。2021/8/1441SPWMSPWM生成方法生成方法1 1）自然采樣法）自然采樣法MIsinrttuutktAtB2 2）規(guī)則采樣法）規(guī)則采樣法2021/8/1442PWMPWM產(chǎn)生電路及控制原理（自然采樣法）產(chǎn)生電路及控制原理（自然采樣法）單極性單極性PWMPWM調(diào)制調(diào)制2021/8/1443簡單的電壓比較電路2021/8/1444Ur：信號波（正弦波）Uc：載波（三角波）調(diào)制電路的組成1）比較電路2）控制電路2021/8/1445控制方法在信號波Ur的正半周期Q1保持導通，Q3保持關斷，然后：當UrUc時，Q4導通，Q2關斷則此時Vab=Vin當UrUc時，Q4導通，Q2關