電力電子技術(shù)直流交流變換技術(shù)

電力電子技術(shù)直流交流變換技術(shù)第1頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一概念把直流電變成交流電稱為逆變，相應(yīng)的功率變換裝置被稱為逆變器。第2頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一分類1：有源逆變與無(wú)源逆變?nèi)绻涯孀兤鞯慕涣鱾?cè)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；如果逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)連接，而是直接接到負(fù)載，即把直流電逆變成某一頻率的交流電供給負(fù)載，則叫無(wú)源逆變。第3頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一分類2：電壓型逆變器與電流型逆變器輸入電壓為恒壓源稱為電壓源逆變器輸入為恒流源稱為電流源逆變器，在實(shí)際應(yīng)用中使用較少。第4頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一兩圖有何區(qū)別?分類3：第5頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一分類4：半橋與橋式分類5：自然換流與強(qiáng)迫換流分類6：正弦逆變與非正弦逆變……第6頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一負(fù)載的分類逆變器輸出在負(fù)載為阻性時(shí)…逆變器輸出在負(fù)載為感性或容性負(fù)載時(shí)…能量如何流動(dòng)？第7頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一逆變與整流第8頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6.2方波逆變器單相半橋式逆變電路在直流側(cè)有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，使得兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)為直流電壓的中點(diǎn)。兩個(gè)電容構(gòu)成一個(gè)橋臂，開關(guān)管和及其反并二極管和構(gòu)成另一個(gè)橋臂，兩橋臂的中點(diǎn)為輸出端，可以通過(guò)變壓器輸出，也可由這兩端直接輸出。第9頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一工作原理（阻性負(fù)載時(shí)）輸出電壓為π電角度的方波交流電，寬度等于Ton（Q1或Q2的導(dǎo)通時(shí)間）。第10頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)量關(guān)系Vab=？其輸出電壓有效值為：其瞬時(shí)值表達(dá)式為：第11頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一感性負(fù)載時(shí)如何工作？此時(shí)負(fù)載上的電壓電流波形如何？D1，D2有何作用？第12頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、單相全橋逆變電路四個(gè)功率管、四個(gè)反并聯(lián)二極管組成如何工作？第13頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一工作原理（阻性負(fù)載時(shí)）控制方式有雙極性控制、有限雙極性控制和移相控制三種。

B圖為雙極性控制第14頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)量關(guān)系其輸出電壓有效值為：其瞬時(shí)值表達(dá)式為：第15頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一工作原理（感性負(fù)載時(shí)）控制方式有雙極性控制、有限雙極性控制和移相控制三種。

B圖為雙極性控制第16頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一受限雙極性控制方式受限雙極性控制方式的工作原理是讓一個(gè)橋臂的兩個(gè)管子(例如Q1和Q3)以PWM方式工作，另一個(gè)橋臂的兩個(gè)管子Q2、Q4各輪流導(dǎo)通半個(gè)周期。第17頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一受限雙極性控制方式(感性負(fù)載）在D3，Q4導(dǎo)通期間為何iL保持不變？第18頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一雙極性控制與受限雙極性控制的區(qū)別第19頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一移相控制方式移相控制方式的工作過(guò)程是Q1和Q3輪流導(dǎo)通，各導(dǎo)通180度角；Q2和Q4也是這樣，但Q1和Q4不是同時(shí)導(dǎo)通。第20頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三相逆變器電路可以由三個(gè)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(gè)橋臂（Redleg，Yellowleg，Blueleg）相互延遲1200。三相方波逆變器第21頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一當(dāng)G點(diǎn)和N點(diǎn)不連接時(shí)，180O導(dǎo)電型工作過(guò)程，負(fù)載為阻性。

6個(gè)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖所示，三個(gè)單相逆變器的激勵(lì)脈沖之間彼此相差1200，每個(gè)管子都導(dǎo)通180O，以便獲得三相平衡（基波）的輸出。任何時(shí)刻都有3個(gè)管子導(dǎo)通，其導(dǎo)通順序?yàn)?、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(dǎo)通60度。6個(gè)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)第22頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6個(gè)狀態(tài)的等效電路如圖所示第23頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一可以求出6個(gè)狀態(tài)時(shí)三相輸出電壓：第24頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由上式畫出三相輸出相電壓波形，如圖所示，可見(jiàn)波形每個(gè)周期由六個(gè)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。180O第25頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一120O導(dǎo)電型（當(dāng)G點(diǎn)和N點(diǎn)不連接）120度導(dǎo)電型模式時(shí)，每個(gè)開關(guān)元件導(dǎo)通120度，S1～S6依次間隔60度導(dǎo)通，逆變器中任一時(shí)刻只有兩管導(dǎo)通，工作安全可靠，不會(huì)發(fā)生同一橋臂直通現(xiàn)象。導(dǎo)通順序如何？第26頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一時(shí)段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽(yáng)極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6輸出電壓波形是怎樣的？第27頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一高頻逆變感應(yīng)加熱技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：升溫快、熱效率高無(wú)明火、無(wú)煙塵、無(wú)有害氣體第28頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一高頻逆變感應(yīng)加熱技術(shù)原理：電磁爐是通過(guò)電子線路板組成部分產(chǎn)生交變磁場(chǎng)、當(dāng)用含鐵質(zhì)鍋具底部放置爐面時(shí)，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(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能。第29頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電路原理（如何產(chǎn)生交變磁場(chǎng)）第30頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3傅立葉級(jí)數(shù)、方波逆變器輸出諧波在實(shí)際問(wèn)題中，除了正弦函數(shù)外，還會(huì)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(jí)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(gè)比較復(fù)雜的周期運(yùn)動(dòng)看成是許多不同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)疊加。第31頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一方波的各次諧波第32頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一如何去除諧波？方波逆變器輸出是一交變方波電壓，在某些場(chǎng)合可以直接應(yīng)用，例如在驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)等應(yīng)用中；在另一些場(chǎng)合，方波逆變器輸出就必須進(jìn)行濾波，才能滿足應(yīng)用的需要。由于基波和諧波頻率差較小，低通濾波器設(shè)計(jì)相當(dāng)困難。第33頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6.3脈沖寬度調(diào)制（PWM）背景：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(wú)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(fù)雜，且輸出電壓諧波大。1964年，德國(guó)學(xué)者A.Schonung和H.Stemmler率先提出了脈寬調(diào)制（PWM:PulseWidthModulation）的思想，把通訊技術(shù)中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流傳動(dòng)中，開創(chuàng)了DC-AC技術(shù)研究的新領(lǐng)域。發(fā)展現(xiàn)狀第34頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一PWM波形生成原理

在采樣控制理論中，有一個(gè)重要結(jié)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(shí)，其效果基本相同。沖量，即是指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)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。

第35頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一如圖中所示的三個(gè)面積相等但形狀不同的窄脈沖，當(dāng)他們分別加在慣性上環(huán)節(jié)上時(shí)，輸出基本相同，并且，脈沖寬度越窄，其輸出的差異越小。第36頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一原理：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(lái)擬合。2）將每個(gè)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(lái)替換（根據(jù)控制理論，這樣替換后輸出效果相同。）第37頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾扰c高度呈線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)，在交點(diǎn)時(shí)刻就可以得到寬度正比于調(diào)制信號(hào)波幅度的脈沖。下圖為調(diào)制波、載波和SPWM波的關(guān)系圖形。第38頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一單極性PWM調(diào)制載波（三角波）在調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)只在一個(gè)方向變化，所得到的PWM波形也只在一個(gè)方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。第39頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一雙極性PWM調(diào)制

在雙極性控制方式中，載波（三角波）在調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)是在正負(fù)兩個(gè)方向變化，所得到的PWM波形也正負(fù)兩個(gè)在方向變化。第40頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一SPWM生成方法1）自然采樣法2）規(guī)則采樣法第41頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一PWM產(chǎn)生電路及控制原理（自然采樣法）單極性PWM調(diào)制第42頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一簡(jiǎn)單的電壓比較電路第43頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Ur：信號(hào)波（正弦波）Uc：載波（三角波）調(diào)制電路的組成1）比較電路2）控制電路第44頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制方法在信號(hào)波Ur的正半周期Q1保持導(dǎo)通，Q3保持關(guān)斷，然后：當(dāng)Ur>Uc時(shí)，Q4導(dǎo)通，Q2關(guān)斷則此時(shí)Vab=Vin當(dāng)Ur<Uc時(shí)，Q4關(guān)斷，Q2導(dǎo)通則此時(shí)Vab=0第45頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在信號(hào)波Ur的負(fù)半周期Q3保持導(dǎo)通，Q1保持關(guān)斷，然后：當(dāng)Ur>Uc時(shí)，Q4導(dǎo)通，Q2關(guān)斷則此時(shí)Vab=0當(dāng)Ur<Uc時(shí)，Q4關(guān)斷，Q2導(dǎo)通則此時(shí)Vab=-Vin第46頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一雙極性PWM調(diào)制產(chǎn)生電路不變?cè)撌褂煤畏N控制方式？提示:Q1與Q4一組，Q2與Q3一組第47頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制方法在Ur正半周期：當(dāng)Ur>Uc時(shí)，Q1與Q4通，Q2與Q3斷

此時(shí)Vab=Vin當(dāng)Ur<Uc時(shí)，Q1與Q4斷，Q2與Q3通

此時(shí)Vab=-Vin在Ur負(fù)半周期：第48頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三相橋逆變的PWM控制三相的PWM控制公用三角波載波uc；三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差120°第49頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二重單相電壓型逆變電路：兩個(gè)單相逆變電路的輸出電壓u1和u2均是180°矩形波。兩個(gè)單相逆變電路導(dǎo)通相位錯(cuò)60°第50頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二重單相電壓型逆變電路：由兩