DC-AC变换技术.ppt
第6章 DC-AC变换技术概念v把直流电变成交流电称为逆变，相应的功率变换装置被称为逆变器。分类1：有源逆变与无源逆变v如果把逆变器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变成同频率的交流电送到电网去，叫有源逆变；v如果逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载，即把直流电逆变成某一频率的交流电供给负载，则叫无源逆变。分类2：电压型逆变器与电流型逆变器v输入电压为恒压源称为电压源逆变器v输入为恒流源称为电流源逆变器，在实际应用中使用较少。v两图有何区别?分类3：分类4：半桥与桥式分类5：自然换流与强迫换流分类6：正弦逆变与非正弦逆变负载的分类逆变器输出在负载为阻性时逆变器输出在负载为阻性时逆变器输出在负载为感性或容性负载时逆变器输出在负载为感性或容性负载时能量如何流动？能量如何流动？逆变与整流6.2方波逆变器单相半桥式逆变电路 v在直流侧有两个相互串联的足够大的电容，使得两个电容的联结点为直流电压的中点。两个电容构成一个桥臂，开关管和及其反并二极管和构成另一个桥臂，两桥臂的中点为输出端，可以通过变压器输出，也可由这两端直接输出。工作原理（阻性负载时）n n输出电压为输出电压为电角度的方波交流电，宽度等于电角度的方波交流电，宽度等于TonTon（Q1Q1或或Q2Q2的导通时间）。的导通时间）。数量关系Vab=？其输出电压有效值为：其瞬时值表达式为：感性负载时如何工作？此时负载上的电压电流波形如何？D1，D2有何作用？2、单相全桥逆变电路 四个功率管、四个反并联二极管组成四个功率管、四个反并联二极管组成如何工作？如何工作？工作原理（阻性负载时）n n控制方式有双极性控制、有限双极性控制和移相控制三种。控制方式有双极性控制、有限双极性控制和移相控制三种。n nB B图为双极性控制图为双极性控制数量关系其输出电压有效值为：其瞬时值表达式为：工作原理（感性负载时）n n控制方式有双极性控制、有限双极性控制和移相控制三种。控制方式有双极性控制、有限双极性控制和移相控制三种。n nB B图为双极性控制图为双极性控制受限双极性控制方式n n受限双极性控制方式的工作原理是让一个桥臂的两个管子受限双极性控制方式的工作原理是让一个桥臂的两个管子(例例如如Q1 Q1 和和Q3)Q3)以以PWMPWM方式工作，另一个桥臂的两个管子方式工作，另一个桥臂的两个管子Q2Q2、Q4Q4各各轮流导通半个周期。轮流导通半个周期。受限双极性控制方式(感性负载）在D3，Q4导通期间为何iL保持不变？双极性控制与受限双极性控制的区别双极性控制与受限双极性控制的区别移相控制方式移相控制方式的工作过程是移相控制方式的工作过程是Q1Q1和和Q3Q3轮流导通，各导轮流导通，各导通通180180度角；度角；Q2Q2和和Q4Q4也是这样，但也是这样，但Q1Q1和和Q4Q4不是同时导不是同时导通。通。单独供电与集中供电v 单独式供电：单独式供电方式是在单节客车上安装一套独立的供电装置，有车轴式和车下悬挂柴油发电机组式(用于单节空调客车)两种。v 集中式供电：在列车中的某一辆车上一个集中电源（可以通过柴油发电机组提供也可以由接触网通过电力机车主变压器提供），通过电力连接器向整个列车供电，这种供电方式称为集中式供电。集中式供电因其供电量大，输出电压稳定已经成为主流供电方式。单独供电v 单独供电方式，一直以车轴式作为主导。随着空调客车的大量运用，客车用电量不断增加，客车供电方式正处于新旧交替时期，以柴油发电机组作为电源的车辆愈来愈多。车轴式供电轴驱式发电机的供电系统有许多缺点。首先,客车发电机的机械传动是一个复杂的结构部件,经常损坏,特别是在高速运行时。此外,轴驱式发电机显著增加车辆的运行阻力。例如,在运行速度90公里/小时时,车辆的运行阻力由于有轴驱式发电机而增加28%。客车独立供电系统由于能量多次转换(在电力机车上电能变成机械能,之后在客车上机械能变成电能),因而效率低。它由机车的平均运用效率、减速器、发电机及蓄电池的效率所决定。此时在额定功率下供电系统的效率大约是50%DC600v集中供电系统工作原理DC600v集中供电系统工作原理电气化区段运行方式v25kv受电弓主变压器整流，滤波DC600vDC600v逆变器空调热水器DC110电压装置蓄电池照明等其他直流负载非电气化区段运行方式发电车DC600v逆变器空调热水器DC110电压装置蓄电池照明等其他直流负载空调蓄电池照明等其他直流负载热水器发电车ac380v整流装置DC110v电源装置具体电路v三相逆变器电路可以由三个单相逆变器组成，通常三相逆变电路采用三相桥式电路，三相桥式电路如图所示。每个桥臂（Red leg，Yellow leg，Blue leg）相互延迟1200。三相方波逆变器三相方波逆变器当G点和N点不连接时，180O导电型工作过程，负载为阻性。6个功率管的驱动信号如图所示，三个单相逆变器的激励脉冲之间彼此相差1200，每个管子都导通180O，以便获得三相平衡（基波）的输出。任何时刻都有3个管子导通，其导通顺序为5、6、1；6、1、2；1、2、3；2、3、4；3、4、5；4、5、6；5、6、1.；每组管子导通60度。6个开关的驱动信号6个状态的等效电路如图所示v可以求出6个状态时三相输出电压：v由上式画出三相输出相电压波形，如图所示，可见波形每个周期由六个阶梯组成，因此又称为六阶梯波。我们称 、为逆变器相电压；、为逆变器线电压。180O120O导电型（当G点和N点不连接）120度导电型模式时，每个开关元件导通模式时，每个开关元件导通120120度，度，S1S1S6S6依次间依次间隔隔6060度导通，逆变器中任一时刻只有两管导通，工作安全可靠，度导通，逆变器中任一时刻只有两管导通，工作安全可靠，不会发生同一桥臂直通现象。导通顺序如何？不会发生同一桥臂直通现象。导通顺序如何？时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6输出电压波形是怎样的？v3傅立叶级数、方波逆变器输出谐波 v在实际问题中，除了正弦函数外，还会遇到许多非正弦的周期函数，为了研究非正弦的周期函数，将周期函数展开成由三角函数组成的级数。将周期函数展开，它的物理意义是很明确的，即把一个比较复杂的周期运动看成是许多不同频率的简谐振动叠加。方波的各次谐波如何去除谐波？v方波逆变器输出是一交变方波电压，在某些场合可以直接应用，例如在驱动交流电机等应用中；在另一些场合，方波逆变器输出就必须进行滤波，才能满足应用的需要。由于基波和谐波频率差较小，低通滤波器设计相当困难。由于基波和谐波频率差较小，低通滤波器设计相当困难。6.3脉冲宽度调制（PWM）v背景：v方波逆变器可以方便地调整输出电压的频率，但输出电压的幅度在逆变环节中无法调节，通常需要增加调压环节完成调压功能，但这种方法使系统复杂，且输出电压谐波大。v1964年，德国学者A.Schonung 和H.Stemmler 率先提出了脉宽调制（PWM:Pulse Width Modulation）的思想，把通讯技术中的调制技术应用于交流传动中，开创了DC-AC技术研究的新领域。v发展现状PWMPWM波形生成原理波形生成原理 在采样控制理论中，有一个重要结论：冲量相等而形状不同的脉冲，加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量，即是指窄脉冲的面积。这里所说的效果相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果将其输出波形用傅氏变换分析，其中低频特性基本相同，仅在高频段略有差异。如图中所示的三个面积相等但形状不同的窄脉冲，当他们分别加在惯性上环节上时，输出基本相同，并且，脉冲宽度越窄，其输出的差异越小。原理：1）将正弦波n等分，将正弦波用宽度相同，幅度不同的一系列方波脉冲来拟合。2）将每个脉冲方波以面积相等的原则用一系列幅度相同，宽度不同的方波来替换（根据控制理论，这样替换后输出效果相同。）v把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。v通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度呈线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，在交点时刻就可以得到宽度正比于调制信号波幅度的脉冲。下图为调制波、载波和SPWM波的关系图形。单极性单极性PWMPWM调制调制v载波（三角波）在调制波半个周期内只在一个方向变化，所得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。双极性双极性PWMPWM调制调制 在双极性控制方式中，载波（三角波）在调制波半个周期内是在正负两个方向变化，所得到的PWM波形也正负两个在方向变化。SPWMSPWM生成方法生成方法1 1）自然采样法）自然采样法2 2）规则采样法）规则采样法PWMPWM产生电路及控制原理（自然采样法）产生电路及控制原理（自然采样法）单极性单极性PWMPWM调制调制Ur：信号波（正弦波）Uc：载波（三角波）调制电路的组成1）比较电路2）控制电路控制方法在信号波Ur的正半周期Q1保持导通，Q3保持关断，然后：当UrUc时，Q4导通，Q2关断则此时Vab=Vin当UrUc时，Q4导通，Q2关断则此时Vab=0当UrUcUrUc时，时，Q1 Q1与与Q4Q4通，通，Q2 Q2与与Q3Q3断断 此时此时Vab=VinVab=Vin 当当UrUcUrUcUrUc时，时，Q1 Q1与与Q4Q4断，断，Q2 Q2与与Q3Q3同同 此时此时Vab=-VinVab=-Vin 当当UrUcUrUc时，时，Q1 Q1与与Q4Q4通，通，Q2 Q2与与Q3Q3断断 此时此时Vab=VinVab=Vin三相桥逆变的三相桥逆变的PWMPWM控制控制三相的PWM控制公用三角波载波u uc c；三相的调制信号u urUrU、u urVrV和u urWrW依次相差120二重单相电压型逆变电路：二重单相电压型逆变电路：两个单相逆变电路的输出电压两个单相逆变电路的输出电压u u1 1和和u u2 2均是均是180180矩形波。矩形波。两个单相逆变电路导通相位错两个单相逆变电路导通相位错60606060二重单相电压型逆变电路：二重单相电压型逆变电路：由两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器T1和T2串联起来。输出波形：两个单相的输出电压u1和u2均是180矩形波。二重逆变电路的工作波形二重单相逆变电路两个单相电路导通相位错开两个单相电路导通相位错开j j j j=60=60=60=60,则则则则u u1 1和和u u2 2的的3 3次谐波就错开次谐波就错开了了 3 36060=180=180。变压器串联合成后，两者中的变压器串联合成后，两者中的3 3次次谐波相互抵消，总输出电压中不含谐波相互抵消，总输出电压中不含3 3次谐波。次谐波。u u u uo o o o波形是波形是120120矩形波，含矩形波，含6 6k k1 1次次谐波，谐波，3 3k k次谐波都被抵消。次谐波都被抵消。v无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？v电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？v三相电压型逆变电路基本电路的工作方式是（）导电方式，输出的交流电压波形为（），相电压宽度为（），幅值(max)为（）。v单极性和双极性PWM调制有什么区别？v试解释下图电路的作用及工作原理。带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：时，uo和io o波 形及幅值与全桥逆变电路完全相同。与全桥电路的比较：比全桥电路少用一半开关器件。器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍。必须有一个变压器。交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。
