直流-交流變換器

直流-交流變換器第一頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.1逆變器的類型和性能指標(biāo)4.2電壓型單相方波逆變電路工作原理4.3電壓型單相逆變器電壓和波形控制4.4三相逆變電路工作原理4.5電壓型三相逆變器電壓和波形的SPW控制24.直流-交流變換器（逆變器）第二頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.1逆變器的類型和性能指標(biāo)4.1.1逆變器的類型4.1.2逆變器輸出波形性能指標(biāo)4.1.3其他指標(biāo)3第三頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.1.1逆變器的類型依據(jù)直流電源的類型：依據(jù)輸出交流電壓的性質(zhì)：CVCF（恒頻恒壓）、VVVF（變頻變壓）、高頻脈沖型依據(jù)逆變器電路結(jié)構(gòu)：?jiǎn)蜗喟霕颉蜗嗳珮?、推挽式、三相橋式逆變器依?jù)開關(guān)器件不同及換流關(guān)斷方式：自關(guān)斷、強(qiáng)迫關(guān)斷、有源逆變、負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)、負(fù)載諧振換流逆變器。電壓型逆變器VSI電流型逆變器CSI4第四頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.1.1逆變器的類型(續(xù)1)電壓型逆變電路:特點(diǎn)：C存在。C的作用：濾波和吸收無功功率適合于感性負(fù)載電流型逆變電路：特點(diǎn)：L存在。L的作用：濾波和吸收無功功率適合于容性負(fù)載電壓型逆變器VSI電流型逆變器CSI5第五頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.1.1逆變器的類型(續(xù)2)單相半橋單相全橋6第六頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.1.1逆變器的類型(續(xù)3)7第七頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.1.1逆變器的類型(續(xù)4)電壓型三相橋式逆變電路8第八頁，共五十四頁，2022年，8月28日總THD系數(shù)表征了實(shí)際波形同其基波分量差異的程度。輸出為理想方波時(shí)，THD為零。4.1.2逆變器輸出波形性能指標(biāo)9第九頁，共五十四頁，2022年，8月28日逆變電路輸出的n次諧波有效值Vn經(jīng)LC濾波后在負(fù)載上的n次諧波電壓VLn為:

4.1.2逆變器輸出波形性能指標(biāo)（續(xù)1）(3)畸變系數(shù)DFn次諧波衰減了n2倍第n次諧波的畸變系數(shù)：總的畸變系數(shù)：10第十頁，共五十四頁，2022年，8月28日逆變器的性能指標(biāo)除輸出波形性能指標(biāo)外，還應(yīng)包括：逆變效率單位重量（或單位體積）輸出功率可靠性指標(biāo)逆變器輸入直流電流中交流分量的數(shù)值和脈動(dòng)頻率電磁干擾EMI及電磁兼容性EMC4.1.3其他指標(biāo)11第十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.2.1電壓型單相全橋逆變電路4.2.2電壓型單相半橋逆變電路4.2.3變壓器中心抽頭推挽式(Push-Pull)單相逆變電路4.2電壓型單相方波逆電路工作原理12第十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.2.1電壓型單相全橋逆變電路T1、T4一組和T2、T3另一組交替通、斷。13第十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日臂內(nèi)換流：同一個(gè)導(dǎo)通臂內(nèi)的元件之間換流，而且換流是在ia=0時(shí)進(jìn)行的稱自然換流。

臂間換流：指電流由一個(gè)導(dǎo)通臂轉(zhuǎn)移到另一個(gè)導(dǎo)通臂，換流是在ia≠0時(shí)進(jìn)行的，屬于強(qiáng)迫換流。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)4.2.1電壓型單相全橋逆變電路(續(xù)1)14第十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.2.1電壓型單相全橋逆變電路(續(xù)2)逆變狀態(tài)：T14,T23導(dǎo)通時(shí)，直流電源向負(fù)載傳輸能量。整流狀態(tài)：D14D23導(dǎo)通時(shí),負(fù)載向直流電源僅傳能量.因此，D14、D23為無功電流傳輸提供通路，C是用來吸收無功功率。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)能量傳遞方向：15第十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日瞬態(tài)基波功率分析（感性負(fù)載）基波瞬態(tài)功率：用積化和差公式：基波電壓:基波電流:基波電壓幅值：基波電壓有效值：4.2.1電壓型單相全橋逆變電路(續(xù)3)16第十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日上式說明：基波的瞬態(tài)功率含有交流分量和直流分量。直流功率討論：基波的直流功率基波的交流功率基波的平均功率:平均功率等于直流功率(1)當(dāng),感性負(fù)載,有功功率最大,無功功率為零(2)當(dāng),純感性負(fù)載,無功功率最大(3)當(dāng),既有無功功率又有有功功率4.2.1電壓型單相全橋逆變電路(續(xù)4)無功功率17第十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日特性分析-1由于入端電壓為恒定，橋中各臂元件輪番導(dǎo)通時(shí)，輸出端電壓交替地被鉗到入端電壓Ud，故為交變方波。其頻率取決于門極信號(hào)的重復(fù)頻率，因而實(shí)現(xiàn)逆變目的。將UAB用傅里葉級(jí)數(shù)展開：式中：UAB1m為基波電壓幅值：基波電壓有效值：4.2.1電壓型單相全橋逆變電路(續(xù)5)18第十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日由于負(fù)載為感性，阻抗角負(fù)載基波電流iO1將滯后于基波電壓角度φ。當(dāng)T1，4和T2，3導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載由電源獲得電能。當(dāng)D1，4和D2，3導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載中電能反饋到C中，保證負(fù)載電流連續(xù)。反并二極管和電容C為此無功電流提供了通路。4.2.1電壓型單相全橋逆變電路(續(xù)6)特性分析-219第十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.2.2電壓型單相半橋逆變電路電容分壓，半橋電路T1、T2交替通、斷二級(jí)管D的作用，感性負(fù)載續(xù)流R、L負(fù)載時(shí)，T、D交替導(dǎo)電20第二十頁，共五十四頁，2022年，8月28日當(dāng)Ug1=1,T1導(dǎo)通或D1導(dǎo)通，S與P相接當(dāng)控制信號(hào)以頻率f變換，在與之間變化，使輸出為交流方波電壓。4.2.2電壓型單相半橋逆變電路（續(xù)1）工作原理:當(dāng)Ug2=1,T2導(dǎo)通或D2導(dǎo)通，S與Q相接21第二十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日t0DV21anv(b)電壓波形2T驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)20T0T230T1T4.2.2電壓型單相半橋逆變電路（續(xù)2）22第二十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.2.3變壓器中心抽頭推挽式單相逆變電路開關(guān)T1、T2輪流導(dǎo)電180度開關(guān)管承受的斷態(tài)電壓為2VD適用于低壓小功率、而且直流電源和負(fù)載須隔離輸出電壓為180度寬的交流方波當(dāng)T1導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓vab=VD，當(dāng)T2導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓Vab=-VD，23第二十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.3.0概述4.3.1單脈沖寬度調(diào)制PWM逆變器4.3.2正脈沖寬度調(diào)制SPWM基本原理4.3.3單極性倍頻正弦脈沖寬度調(diào)制逆變器4.3.4雙極性正弦脈沖寬度調(diào)制BSPWM逆變器4.3電壓型單相逆變器輸出電壓和波形控制24第二十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日控制方案1:控制方案2:控制方案3:控制輸出電壓基波V1的大小僅有輸入電壓VD唯一確定?？刂戚敵鲭妷翰ㄐ?，要求諧波成分小且最低階次諧波階次高，諧波頻率高。4.3.0

概述可控整流方案直流/直流變換器調(diào)壓方案逆變器自身控制方案25第二十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.3.0

概述（續(xù)1）26第二十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日逆變器自身控制方案通過開關(guān)器件的脈沖寬度調(diào)制（PWM），調(diào)整輸出基波電壓的大小、增大輸出電壓中的最低次諧波的階次并減小其諧波數(shù)值，達(dá)到調(diào)控其輸出基波電壓同時(shí)又改善輸出電壓波形的目的。4.3.0

概述（續(xù)2）27第二十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日正半周中，T1、T4導(dǎo)通角負(fù)半周中，T2、T3導(dǎo)通角開關(guān)頻率決定輸出頻率脈寬決定輸出電壓大小4.3.1單脈沖寬度調(diào)制PWM逆變器28第二十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.3.1單脈沖寬度調(diào)制PWM逆變器（續(xù)1）29第二十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.3.2正脈沖寬度調(diào)制SPWM基本原理理論基礎(chǔ)沖量相等而形狀不同的窄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指窄脈沖的面積效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖30第三十頁，共五十四頁，2022年，8月28日形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖實(shí)例電路輸入：u(t)，窄脈沖，如圖a、b、c、d所示電路輸出：i(t)，面積等效原理沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形基本相同4.3.2正脈沖寬度調(diào)制SPWM基本原理（續(xù)1）31第三十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波正弦半波N等分，可看成N個(gè)彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等寬度按正弦規(guī)律變化用PWM波代替正弦半波SPWM波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可4.3.2正脈沖寬度調(diào)制SPWM基本原理（續(xù)2）32第三十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日PWM電壓波在每一時(shí)間段都與該時(shí)段中正弦電壓等效，除每一時(shí)間段的面積相等外，每個(gè)時(shí)間段的電壓脈沖還必須很窄，這就要求脈波數(shù)量P很多。脈波數(shù)越多，不連續(xù)的按正弦規(guī)律改變寬度的多脈波電壓就越等效于正弦電壓。4.3.2正脈沖寬度調(diào)制SPWM基本原理（續(xù)3）33第三十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.3.3單極性倍頻正弦脈沖寬度調(diào)制逆變器一、單極正弦波PWM調(diào)制方式ug2=0

T2斷控制電壓的分布：電路中，T1、T2為頻控臂：當(dāng)ur>0ug1=1T1通當(dāng)ur<0ug2=1T2通ug1=0

T1斷即ug1和ug2互為反相，并受ur極性控制。其頻率為調(diào)制信號(hào)的頻率。34第三十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日ug3,ug4互為反向，受ur和uc的幅值控制T3,T4組成了暫控臂ur>uc,ug4=1,ug3=0,T3關(guān)斷，T4導(dǎo)通ur<uc,ug4=0,ug3=1,T4關(guān)斷，T3導(dǎo)通uo=Vd0uc>0uo=Vd0uc<04.3.3單極性倍頻正弦脈沖寬度調(diào)制逆變器（續(xù)1）35第三十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.3.3單極性倍頻正弦脈沖寬度調(diào)制

逆變器（續(xù)2）36第三十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日二、雙極性正弦波PWM調(diào)制方式ur>uc,T1、T4導(dǎo)通uo=Udur,<uc,T2、T3uo=-UdT1、T4和T2、T3兩組相互導(dǎo)通4.3.4雙極性正弦脈沖寬度調(diào)制BSPWM逆變器37第三十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.3.4雙極性正弦脈沖寬度調(diào)制BSPWM逆變器（續(xù)1）38第三十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日相同的開關(guān)頻率時(shí)單極性SPWM：開關(guān)動(dòng)作次數(shù)相對(duì)少些，諧波情況好些，多用于單相逆變。雙極性SPWM：諧波情況差些，用于三相逆變。載波比：載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，N=fc/fr調(diào)制比：正弦波幅值與三角波幅值比值稱為調(diào)制比:M=Vrm/Vcm4.3.4雙極性正弦脈沖寬度調(diào)制BSPWM逆變器（續(xù)2）39第三十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日4.4.1電壓型三相逆變工作原理4.4.2電流型三相逆變工作原理4.4三相逆變電路工作原理40第四十頁，共五十四頁，2022年，8月28日基本假設(shè)：

★負(fù)載星形連接，平衡對(duì)稱，

純阻性、負(fù)載中點(diǎn)o點(diǎn)位作為參考點(diǎn)，即uo=0★控制脈沖的寬度=★直流電容Cd值足夠大；★輸入為DC直流源★電路已達(dá)到穩(wěn)態(tài)4.4.1電壓型三相逆變工作原理控制電壓信號(hào)的形成載波電壓：用一個(gè)對(duì)稱的三角波，幅值為Uom，頻率為fc；控制信號(hào)：采用三相正弦波。41第四十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日ggsmscggsmsbggsmsauuCtUuuuBtUuuuAtUu???????íì+-=--=-=)326sin(,)326sin(,),6sin(5,26341相的控制信號(hào)用來形成相的控制信號(hào)用來形成相的控制信號(hào)用來形成ppwppwpw4.4.1電壓型三相逆變工作原理(續(xù)1)42第四十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日電路：cmsmUUm=:調(diào)制比4.4.1電壓型三相逆變工作原理(續(xù)2)A相控制信號(hào)的形成（Ug1,Ug4）43第四十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日,,1）=gu5gu2=gu6gu3gguu=412）任何時(shí)刻均有三個(gè)控制信號(hào)為高電平。各相上下臂控制信號(hào)反相?？刂菩盘?hào)的特點(diǎn)：4.4.1電壓型三相逆變工作原理(續(xù)3)44第四十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日由坐標(biāo)零點(diǎn)開始。TTTgggABTTTgggABTTTgggABTTTgggabVVVuuuUVVVuuuUVVVuuuUVVVuuuU====0===========-UAB=0,,,,1,1,1:4,,,,1,1,1:3Ud,,,,1,1,1:2Ud,,,,1,1,1:1154343243232