电力电子技术第五章

第五章直流－交流（DC－AC）变换5.1逆变电路概述5.2负载谐振式逆变电路5.3强迫换流式逆变电路5.4逆变电路的多重化及多电平化5.5脉宽调制型（PWM）逆变电路5.6PWM整流电路逆变电路概述晶闸管逆变电路的换流问题单相逆变电路DC－AC变换原理VT1、VT4VT2、VT3成对导通VT1、VT4导通负载输出电压u0左（＋）右（－）VT2、VT3导通负载输出电压u0左（－）右（＋）控制两对晶闸管的切换导通频率就可调节输出交流频率常用的晶闸管换流方法：（1）电网换流（2）负载谐振式换流（3）强迫换流逆变电路概述a.直接耦合式强迫换流b.电感耦合式强迫换流晶闸管逆变电路的换流问题逆变电路概述1.直接耦合式强迫换流(a)触发导通VT1，对电容C进行充电uc=E左（－）右（＋）(b)触发导通VT2，uc反极性直接加在VT1上，使其判断，完成换流。(c)电容C进行反向充电(d)t0为VT1承受反压时间晶闸管逆变电路的换流问题逆变电路概述2.电感耦合式强迫换流(a)接通开关S后，LC振荡电流的前半周期反向流过VT，使其电流衰减至零而关断，VD管压降构成对VT的反向阳压，确保VT可靠关断。(b)接通开关S后，LC振荡电流的后半周期反向流过VT，使其电流衰减至零而关断，VD管压降构成对VT的反向阳压，确保VT可靠关断。晶闸管逆变电路的换流问题逆变电路概述逆变电路的类型根据直流输入储能元件类型的不同，逆变电路可分为两种类型：（1）电压源型逆变器（2）电流源型逆变器逆变电路概述逆变电路的类型（1）电压源型逆变器特点：1）直流输入侧并联大电容C用作无功功率缓冲环节（滤波环节），构成逆变器低阻抗的电源内阻特性，即输出电压确定，其波形接近矩形，电流波形与负载有关，接近正弦。2）由于直流侧电压极性不允许改变，无功从交流向直流回馈时只能改变电流方向来实现，为此在各功率开关元件旁并联续流二极管，为感性负载电流提供反馈能量至直流的无功通路。逆变电路概述逆变电路的类型（2）电流源型逆变器特点：1）直流回路串以大电感Ld作无功元件（滤波元件）储存无功功率，也就构成了逆变器高阻抗的电源内阻特性，即输出电流确定，波形接近矩形，电压波形与负载有关，在正弦波的基础上叠加换流电压尖峰。2）由于直流环节电流Id不能反向，只有改变逆变器两端直流电压极性来改变能量流动方向、反馈无功功率，无需设置无功（续流）二极管。逆变电路概述逆变电路的类型两类逆变器的比较：1）电压源型逆变器采用大电容作储能元件，逆变器呈现低内阻特性，直流大小和极性不能改变，能将负载电压钳在电源电压水平上，浪涌过电压低，适合稳频稳压电源、不可逆电力拖动系统、多台电机协同调速和快速性要求不高的应用场合。电流源型逆变器电流方向不变，可通过逆变器和整流器的工作状态变化，实现能量流向改变，实现电力拖动系统的电动、制动运行、故可应用于频繁加、减速，正、反转的单机拖动系统。2）电流源型逆变器因用大电感储能，因此呈现高内阻特性，主电路抗电流冲击能力强，能不效抑制电流突变、延缓故障电流上升速率，过电流保护容易。电压源型逆变器输出电压稳定，一旦出现短路电流上升极快，难以获得保护处理所需时间，过电流保护困难。3）采用晶闸管元件的电流源型逆变器依靠电容与负载电感的谐振来实现换流（仅谐振式逆变时），负载构成换流回路的一部分，不接入负载系统不能运行。4）电压源型逆变器必须设置反馈（续流）二极管来给负载提供感性无功电流通路，主电路结构较电流源型逆变器复杂。电流源型逆变器无功功率由滤波电感储存，无需二极管续流，主电路简单。负载谐振式逆变电路分类：负载谐振式逆变电路根据换流电容与负载电感的连接方式可分为并联和串联两种。并联谐振式逆变器工作过程VT1、VT4导通阶段换流阶段VT2、VT3导通阶段强迫换流式逆变电路分类：根据直流滤波环节储能元件的不同分为电压源型和电流源型。电流源型逆变器具有一系列的优点，串联二极管式电流源型逆变器应用最为广泛。属120º导通型，顺序∶VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-VT1.各管触发脉冲相隔60º，每管导通120º，元件换流在VT1、VT3、VT5间及VT2、VT4、VT6间进行。强迫换流式逆变电路换流机理：(a)换流前运行阶段设VT5、VT6导通，Id由正极经VT5－C相－B相－VT6返回负极，C5左负右正。(b)晶闸管换流与恒流充、放电阶段触发导通VT1，VT5关断，C5、C1、C3放电，并反向充电，当uC5＝uAC时，VD1开始导通，进入VD5和VD1的换流阶段。(c)二极管换流阶段VD5和VD1同时导通，C5、C1、C3与A、C相电感构成串联谐振，实现二极管间的负载谐振换流。(d)换流后运行阶段当iA=Id、iC=0时，二极管换流结束，进入VT1、VD1与VT6、VD6及A、B相的稳定导通新阶段，VD5承受反压而截止。强迫换流式逆变电路(a)负载Y接；(b)负载△接电流源型逆变器输出相电流波形逆变电路的多重化及多电平化多重化技术多重化就是将几个逆变器的输出矩形波在相位上错开一定角度进行叠加，使之获得尽可能接近正弦波的多阶梯波形。分类：串联多重化（交流侧电压错开一定相位串联叠加，属电压源型逆变电路）并联多重化（交流侧电流错开一定相位并联叠加，属电流源型逆变电路）逆变电路的多重化及多电平化串联多重化图示为二重化三相电压源逆变器主电路。电路共用一直流电源E，输出电压通过变压器T1、T2串联合成。三相逆变电路输出电压波形三相电压源型二重逆变电路波形一般来说，如使m个三相桥式逆变电路依次错开相位，并采用输出变压器作m重化串联且抵消上述相位差，就可以构成（电压）脉波数为6m的电压源型逆变电路。/(3)m并联多重化图示逆变器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之间互差20º电角度，通过三台分别为反Z/∆、Y/∆、正Z/∆连接的变压器耦合并联输出。逆变电路的多重化及多电平化三相电流源型三重化逆变电路1121311111RR54RR53ca并联多重化逆变电路的多重化及多电平化3212321212RRRR21ab31wwiiiiiiirY/∆连接组及其电流波形反Z/∆连接组及其电流波形113131212111R4R3c5R4R3b5R4R3a5并联多重化逆变电路的多重化及多电平化将三套逆变器电流叠加，得到图示的三重化电流源型逆变器输出一相总电流波形。它已消除13次一下的电流谐波分量。多电平化逆变电路的多重化及多电平化中点钳位式三电平逆变电路三电平逆变器波形三电平逆变电路中每个开头器件所承受的电压仅为直流电压的一半，特别适合高压大容量的应用场合。用类似的方法可构成五电平、七电平等更多电平的电路，统称多电平逆变电路。脉宽调制型（PWM）逆变电路将VT1—VT2和VT4—VT3切换时间错开，λ变化=脉宽也变化，λ调节范围为0º~180º，uAB可从零调至最大。一、基本原理1、单脉冲调制脉宽调制型（PWM）逆变电路uT——三角载波信号电压uR——控制参考信号电压uD——调制脉冲（PWM）信号取决于uRuT区间大小2、多脉冲调制VT1、VT4导通VT2、VT3导通脉宽调制型（PWM）逆变电路3、正弦波脉宽调制（SPWM）原理：选择正弦波电压作为参考控制信号电压在半周内区间大小不一，故调制波宽度也不同，符合正弦变化规律。uR——调制信号为正弦波特点：可通过控制UR的频率或幅值，实现逆变器变频、变压双重功能VT1、VT4导通VT2、VT3导通脉宽调制型（PWM）逆变电路4、单极性与双极性调制单极性调制R1423TuuVTVTonVTVToff：、、双极性调制VT1、VT4导通VT2、VT3导通R1423TuuVTVToffVTVTon：、、脉宽调制型（PWM）逆变电路5、同步调制与异步调制(a)同步调制三角波频率fT与正弦波频率fR（相当于逆变器输出频率）特点：fT/fR=C，即在任何输出频率下，每半周期内的输出脉冲数不变；输出SPWM波形稳定，正负半周对称，无偶次谐波；低频时：谐波含量、脉冲转矩、附加损耗、噪声↑，输出特性差；高频时：元件开关次数、开关损耗↑，但谐波含量↓，输出特性好。(b)异步调制特点：fT=C，半周期内输出脉冲数与fR呈反比关系，fT/fR=变数；正负半周输出波形不保证完全对称，出现偶次谐波，影响输出特性；低频输出时，可通过↑fT使输出脉冲数↑改善输出特性。脉宽调制型（PWM）逆变电路5、同步调制与异步调制(c)分段调制因为低频输出时异步调制有利，高频输出时同步调制较好，所以实际应用中通常采用分段调制的折中方案。特点：输出频率范围0~fN分成若干频段；低频段异步调制，高频段同步调制；同步调制时，输出频率↑N=fT/fR↓，保持功率器件开关频率在合理范围内；输出频率=fN时，将脉宽调制方式改为方波输出，以充分利用直流电压源。脉宽调制型（PWM）逆变电路正弦脉宽调制方法：1、采样法VT1~VT6——高频自关断器件VD1~VD6——快速恢复二极管PWM电压波形取决于VT1~VT6的PWM调制方式。脉宽调制型（PWM）逆变电路正弦脉宽调制方法：1、采样法RA14RA14/2/2TAOTAOuuVTonVToffuEuuVToffVTonuE时，　时，　0000uAO’uBO’uCO’uARuBRuCR0uABωtωtωtωtωtO''O''B'C'BC''O''B'C'BC''OO1[()()]31()03OAOAOOOOAOOOAOOOBOBOOOOAOOOAOOOCOCOOOuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuu'设点之间的电位为,则，脉宽调制型（PWM）逆变电路正弦脉宽调制方法：2、指定谐波消去法13223111110111111110123cos2coscoscoscoscos2sinsinsinkmkkmutUktUutktdtEktdtktdtktdtktdtEkkkk脉宽调制型（PWM）逆变电路正弦脉宽调制方法：2、指定谐波消去法1231112311231123121sinsinsincos22sinsinsincossin5sin5sin5cos552sin7sin7sin7cos77kEutkkkktkEEttEt1123512371232sinsinsin2sin5sin5sin552sin7sin7sin77mmmEUEUEU脉宽调制型（PWM）逆变电路3.电流滞环控制PWM：is*——正弦电流参考信号；is——实际输出电流。△IS=(is-is*)0控制逆变器该相下桥臂导通is↓△IS=(is-is*)0控制逆变器该相上桥臂导通is↑PWM驱动信号PWM逆变器滞环比较器iS*iS△IS(=iS-iS*)脉宽调制型（PWM）逆变电路PWM逆变电路输出特性：1、SPWM逆变器输出谐波分析：a.单相桥式逆器,5,3,12,4,6,n,4,2,01,3,5,n;;kkknRTRT调制波角频率载波角频率采用PWM控制的目的：改善输出特性，即↑基波，↓谐波脉宽调制型（PWM）逆变电路PWM逆变电路输出特性：1、SPWM逆变器输出谐波分析：b.三相桥式逆器1,2,m16m0,1,m16m2,4,6,n1,2,m11231,3,5,n;;　　　　　　调制波角频率载波角频率kmkknRTRT脉宽调制型（PWM）逆变电路PWM逆变电路输出特性