精選電力電子技術(shù)直流交流變換技術(shù)講義

（優(yōu)選）電力電子技術(shù)直流交流變換技術(shù)當(dāng)前第1頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)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。當(dāng)前第2頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)分類1：有源逆變與無源逆變?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，則叫無源逆變。當(dāng)前第3頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)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。當(dāng)前第4頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)兩圖有何區(qū)別?分類3：當(dāng)前第5頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)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……當(dāng)前第6頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)負(fù)載的分類逆變器輸出在負(fù)載為阻性時…逆變器輸出在負(fù)載為感性或容性負(fù)載時…能量如何流動？當(dāng)前第7頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)逆變與整流當(dāng)前第8頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)§6.2方波逆變器單相半橋式逆變電路在直流側(cè)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(jié)點(diǎn)為直流電壓的中點(diǎn)。兩個電容構(gòu)成一個橋臂，開關(guān)管和及其反并二極管和構(gòu)成另一個橋臂，兩橋臂的中點(diǎn)為輸出端，可以通過變壓器輸出，也可由這兩端直接輸出。當(dāng)前第9頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)工作原理（阻性負(fù)載時）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)通時間）。當(dāng)前第10頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)數(shù)量關(guān)系Vab=？其輸出電壓有效值為：其瞬時值表達(dá)式為：當(dāng)前第11頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)感性負(fù)載時如何工作？此時負(fù)載上的電壓電流波形如何？D1，D2有何作用？當(dāng)前第12頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)2、單相全橋逆變電路四個功率管、四個反并聯(lián)二極管組成如何工作？當(dāng)前第13頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)工作原理（阻性負(fù)載時）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圖為雙極性控制當(dāng)前第14頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)數(shù)量關(guān)系其輸出電壓有效值為：其瞬時值表達(dá)式為：當(dāng)前第15頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)工作原理（感性負(fù)載時）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圖為雙極性控制當(dāng)前第16頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)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橋臂的兩個管子(例如Q1和Q3)以PWM方式工作，另一個橋臂的兩個管子Q2、Q4各輪流導(dǎo)通半個周期。當(dāng)前第17頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)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？當(dāng)前第18頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)雙極性控制與受限雙極性控制的區(qū)別當(dāng)前第19頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)移相控制方式移相控制方式的工作過程是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不是同時導(dǎo)通。當(dāng)前第20頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)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（Redleg，Yellowleg，Blueleg）相互延遲1200。三相方波逆變器當(dāng)前第21頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)當(dāng)G點(diǎn)和N點(diǎn)不連接時，180O導(dǎo)電型工作過程，負(fù)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1200，每個管子都導(dǎo)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(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個開關(guān)的驅(qū)動信號當(dāng)前第22頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)6個狀態(tài)的等效電路如圖所示當(dāng)前第23頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)可以求出6個狀態(tài)時三相輸出電壓：當(dāng)前第24頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)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。180O當(dāng)前第25頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)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，每個開關(guān)元件導(dǎo)通120度，S1～S6依次間隔60度導(dǎo)通，逆變器中任一時刻只有兩管導(dǎo)通，工作安全可靠，不會發(fā)生同一橋臂直通現(xiàn)象。導(dǎo)通順序如何？當(dāng)前第26頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)時段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6輸出電壓波形是怎樣的？當(dāng)前第27頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)高頻逆變感應(yīng)加熱技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：升溫快、熱效率高無明火、無煙塵、無有害氣體當(dāng)前第28頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)高頻逆變感應(yīng)加熱技術(shù)原理：電磁爐是通過電子線路板組成部分產(chǎn)生交變磁場、當(dāng)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)則運(yùn)動，原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能。當(dāng)前第29頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)電路原理（如何產(chǎn)生交變磁場）當(dāng)前第30頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)3傅立葉級數(shù)、方波逆變器輸出諧波在實(shí)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(fù)雜的周期運(yùn)動看成是許多不同頻率的簡諧振動疊加。當(dāng)前第31頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)方波的各次諧波當(dāng)前第32頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)如何去除諧波？方波逆變器輸出是一交變方波電壓，在某些場合可以直接應(yīng)用，例如在驅(qū)動交流電機(jī)等應(yīng)用中；在另一些場合，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)計相當(dāng)困難。當(dāng)前第33頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)§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)用于交流傳動中，開創(chuàng)了DC-AC技術(shù)研究的新領(lǐng)域。發(fā)展現(xiàn)狀當(dāng)前第34頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)PWM波形生成原理

在采樣控制理論中，有一個重要結(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，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(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。

當(dāng)前第35頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)如圖中所示的三個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，輸出基本相同，并且，脈沖寬度越窄，其輸出的差異越小。當(dāng)前第36頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)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。）當(dāng)前第37頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)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。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)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，在交點(diǎn)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(guān)系圖形。當(dāng)前第38頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)單極性PWM調(diào)制載波（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。當(dāng)前第39頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)雙極性PWM調(diào)制

在雙極性控制方式中，載波（三角波）在調(diào)制波半個周期內(nèi)是在正負(fù)兩個方向變化，所得到的PWM波形也正負(fù)兩個在方向變化。當(dāng)前第40頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)SPWM生成方法1）自然采樣法2）規(guī)則采樣法當(dāng)前第41頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)PWM產(chǎn)生電路及控制原理（自然采樣法）單極性PWM調(diào)制當(dāng)前第42頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)簡單的電壓比較電路當(dāng)前第43頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)Ur：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）控制電路當(dāng)前第44頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)控制方法在信號波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，Q4導(dǎo)通，Q2關(guān)斷則此時Vab=Vin當(dāng)Ur<Uc時，Q4關(guān)斷，Q2導(dǎo)通則此時Vab=0當(dāng)前第45頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)在信號波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，Q4導(dǎo)通，Q2關(guān)斷則此時Vab=0當(dāng)Ur<Uc時，Q4關(guān)斷，Q2導(dǎo)通則此時Vab=-Vin當(dāng)前第46頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)雙極性PWM調(diào)制產(chǎn)生電路不變該使用何種控制方式？提示:Q1與Q4一組，Q2與Q3一組當(dāng)前第47頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)控制方法在Ur正半周期：當(dāng)Ur>Uc時，Q1與Q4通，Q2與Q3斷

此時Vab=Vin當(dāng)Ur<Uc時，Q1與Q4斷，Q2與Q3通

此時Vab=-Vin在Ur負(fù)半周期：當(dāng)前第48頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)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urU、urV和urW依次相差120°當(dāng)前第49頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)二重單相電壓型逆變電路：兩個單相逆變電路的輸出電壓u1和u2均是180°矩形波。兩個單相逆變電路導(dǎo)通相位錯60°當(dāng)前第50頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)二重單相電壓型逆變電路：由兩個單相全橋逆變電路組成，輸出通過變壓器T1和T2串聯(lián)起來。輸出波形：兩個單相的輸出電壓u1和u2均是180°矩形波。二重逆變電路的工作波形二重單相逆變電路兩個單相電路導(dǎo)通相位錯開j=60°,則u1和u2的3次諧波就錯開了3×60°=180。變壓器串聯(lián)合成后，兩者中的3次諧波相互抵消，總輸出電壓中不含3次諧波。uo波形是120°矩形波，含6k±1次諧波，3k次諧波都被抵消。當(dāng)前第51頁\共有53頁\編于星期一\11點(diǎn)無源逆變電路和有源逆變電路有何不同？電壓型逆變電路中反饋二極管的作用是什么？三相電壓型逆變電路基本電路的工作方式是（）導(dǎo)電方式，輸出的交流電壓波形為（），相電壓寬度為（），幅值(max)為（）。單極性和雙極性PWM調(diào)制有