第5章直流-交流(DC-AC)变换1

第5章无源逆变电路5.1逆变器的性能指标与分类5.2逆变电路的工作原理5.3电压型逆变电路5.4电流型逆变电路5.5逆变器的SPWM控制技术逆变器的性能指标与分类5.11）定义：如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去，2）应用：它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。1）定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载，2）应用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。1、有源逆变:2、无源逆变：逆变器的性能指标（1）谐波系数HF（HarmonicFactor）谐波系数HF定义为谐波分量有效值同基波分量有效值之比，即式中n=1、2、3…，表示谐波次数，n=1时为基波。(5.1.1)5.1.11UUHFn（2）总谐波系数THD（TotalHarmonicDistrotion）4.3,2211nnUUTHD(5.1.2)（5）电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）（3）逆变效率（4）单位重量的输出功率:衡量逆变器输出功率密度的指标。总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度。THD定义为逆变电路的分类①电压型：电压型逆变器的输人端并接有大电容，输入直流电源为恒压源，逆变器将直流电压变换成交流电压。②电流型：电流型逆变器的输入端串接有大电感，输入直流电源为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出。5.1.2（1）、根据输入直流电源特点分类①半桥式逆变电路；②全桥式逆变电路；③推挽式逆变电路；④其他形式：如单管晶体管逆变电路。（2）、根据电路的结构特点分类①器件换流（自换流）型逆变电路；②电网换流型逆变电路；③负载换流型逆变电路；②脉冲换流型逆变电路；逆变电路的分类5.1.2（3）、根据换流方式分类（4）、根据负载特点分类①非谐振式逆变电路②谐振式逆变电路逆变电路用途•1、可以做成变频变压电源（VVVF），主要用于交流电动机调速。5.1.32、可以做成恒频恒压电源（CVCF），其典型代表为不间断电源（UPS）、航空机载电源、机车照明，通信等辅助电源也要用CVCF电源。3、可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电源等。逆变器的用途十分广泛：第5章无源逆变电路5.1逆变器的性能指标与分类5.2逆变电路的工作原理5.3电压型逆变电路5.4电流型逆变电路5.5逆变器的SPWM控制技术逆变电路的工作原理Ud为输入直流电压，R为逆变器的输出负载。当开关T1、T4闭合，T2、T3断开时，逆变器输出电压u0=Ud；当开关T1、T4断开，T2、T3闭合时，输出电压u0=－Ud;当以频率fS交替切换开关T1、T4和T2、T3时，则在电阻R上获得如图5.2.4(b)所示的交变电压波形，其周期Ts=1/fS，这样，就将直流电压E变成了交流电压uo。uo含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。图5.2.1单相桥式逆变电路工作原理5.2.21、主要功能:图5.2.1(a)中主电路开关T1~T4，它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）。将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。2、工作原理：第5章无源逆变电路5.1逆变器的性能指标与分类5.2逆变电路的工作原理5.3电压型逆变电路5.4电流型逆变电路5.5逆变器的SPWM控制技术电压型单相半桥逆变电路它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容C1和C2，且满足C1=C2。设感性负载连接在A、0两点间。T1和T2之间存在死区时间，以避免上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱动信号。图5.3.1电压型半桥逆变电路及其电压电流波形5.3.1电压型逆变电路半桥逆变电路结构及波形：在一个周期内，电力晶体管T1和T2的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。若负载为阻感负载，设t2时刻以前，T1有驱动信号导通，T2截止，则u0=Ud/2。t2时刻关断的T1，同时给T2发出导通信号。由于感性负载中的电流io不能立即改变方向，于是D2导通续流，u0=－Ud/2t3时刻io降至零，D2截止，T2导通，io开始反向增大，此时仍然有u0=－Ud/2。在t4时刻关断T2，同时给T1发出导通信号，由于感性负载中的电流io不能立即改变方向，D1先导通续流，此时仍然有u0=Ud/2；t5时刻io降至零，T1导通，u0=Ud/2；图5.3.1电压型半桥逆变电路及其电压电流波形5.3.11、电压型逆变电路半桥逆变电路工作原理：电压型单相半桥逆变电路缓冲电感反馈的无功能量输出电压有效值为:由傅里叶分析，输出电压瞬时值为:其中，为输出电压角频率。当n=1时其基波分量的有效值为:5.3.1电压型单相半桥逆变电路22222/0dTdSOUdtUTUStnnUundosin2,5,3,1ddOUUU45.0221(5.3.1)(5.3.2)(5.3.3)sf2图5.3.1电压型半桥逆变电路及其电压电流波形电压型单相半桥逆变电路缺点：5.3.11）交流电压幅值仅为Ud/2；2）直流侧需分压电容器；3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接LC滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输出电压中的高次谐波。优点：简单，使用器件少；应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；电压型单相全桥逆变电路全控型开关器件T1和T4构成一对桥臂，T2和T3构成一对桥臂,T1和T4同时通、断；T2和T3同时通、断。T1(T)4与T2(T3)的驱动信号互补，即T1和T4有驱动信号时，T2和T3无驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通180°。图5.3.2电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图5.3.21、电路工作过程：电压型单相全桥逆变电路•输出方波电压瞬时值：•输出方波电压有效值：基波分量的有效值：图5.3.2电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图5.3.2(5.3.6)ddOUUU9.0241dTdsOUdtUTUs22/01tnnUundosin4,5,3,1(5.3.4)(5.3.5)同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。1）纯电阻负载时电压型单相全桥逆变电路0≤t＜Ts／4期间，D1、D4导通起负载电流续流作用，在此期间T1∼T4均不导通。Ts/2≤t≤3Ts／4期间，D2、D3导通起负载电流续流作用，在此期间T1∼T4均不导通。图5.3.2电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图5.3.22）电感负载时22somodTILdtdiLUdsomULTI4由可得负载电流峰值为：(5.3.7)电压型单相全桥逆变电路0≤ωt≤θ期间，T1和T4有驱动信号，由于电流i0为负值，T1和T4不导通，D1、D4导通起负载电流续流作用，u0=+Ud。θ≤ωt≤π期间，i0为正值，T1和T4才导通。π≤ωt≤π+θ期间，T2和T3有驱动信号，由于电流i0为负值，T2、T3不导通，D2、D3导通起负载电流续流作用，u0=－Ud。π+θ≤ωt≤2π期间，T2和T3才导通。5.3.23）阻感负载RL时图5.3.2电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图图5.3.2(e)所示是RL负载时直流电源输出电流i0的波形。图5.3.2(f)所示是RL负载时直流电源输入电流id的波形。电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为180°导电型，即每个桥臂的导电角为180°，同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各相开始导电的时间依次相差120°。在一个周期内，6个开关管触发导通的次序为T1→T2→T3→T4→T5→T6，依次相隔60°，任一时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组合工作60°。图5.3.3电压型三相桥式逆变电路5.3.31、工作过程：电压型三相桥式逆变电路将一个工作周期分成6个区域。在0ωt≤π/3区域，设ug10,ug20,ug30，则有T1，T2，T3导通，dcadbcabUuUuu0dcNdbNdaNUuUuUu3231315.3.32、各相负载相电压和线电压波形：根据同样的思路可得其余5个时域的值线电压相电压图5.3.4电压型三相桥式逆变电路及其工作波形式中Ud为逆变器输入直流电压。电压型三相桥式逆变电路5.3.33、负载相电压和线电压幅值分析：利用博里叶分析，其相电压的瞬时值为：tttttUudBN13sin13111sin1117sin715sin51sin2dmBNUU21相电压基波幅值(5.3.8)(5.3.9)由上式可知，负载相电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波幅值为基波幅值的1/n。其线电压的瞬时值为：tttttUudBC13sin13111sin1117sin715sin51sin32线电压基波幅值dmBCUU21(5.3.11)(5.3.10)由上式可知，负载线电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波幅值为基波幅值的1/n。电压型三相桥式逆变电路5.3.3表5.3.1三相桥式逆变电路的工作状态表