DC-AC变换电路无源.ppt

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1、1,电力电子技术,第五章 DC-AC变换电路 -无源逆变部分,2,本章教学目的和要求,基本概念：逆变，变频，两者间的关系 脉宽调制（PWM）的基本原理 恒压频比控制方式 学完本章之后，应能理解变频器的基本工作原理,3,本节主要内容,变频电路基本概念 无源逆变器的基本工作原理及应用 脉宽调制（PWM）基本原理,4,一 变频电路的基本概念,变频：一种频率的交流电另外一种频率的交流电 从变频过程可分为： 交流交流变频 也称为直接变频 交直交变频 直流到交流的过程 称为逆变，是间接变频 的核心环节。,交直交电压型PWM变频电路,5,第一节 变频电路的基本概念,逆变：将直流电变换成交流电； 根据交流电的

2、用途可以分为有源逆变和无源逆变。 有源逆变：把交流电回馈电网； 产生有源逆变的条件 无源逆变：把交流电供给负载。 例如 UPS 无源逆变就是通常说到的变频。,6,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 - 如何实现直流到交流的变换？,5.3.1 逆变电路的基本工作原理,图5-6 逆变电路及其波形举例,S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,7,逆变电路基本工作原理,如何实现直流到交流的变换？ S1、S4闭合，S2、S3断开，uo输出为正；反之，uo为负 直流电 交流电,动画演示,8,5.3.1 逆变电路的基本工作原理,逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换频率，可改

3、变输出交流电频率。,图5-6 逆变电路及其波形举例,电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。,阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。,9,涉及的问题电感性负载,感性负载时，电流不能发生突变，否则会感应出大的瞬时电压，损坏开关器件 晶闸管两端反并联一续流二极管 当VT1、VT4换流关断，VT2、VT3触发导通时，负载电流由于电感的作用，依然保持原来的方向，由A向B，通过续流二极管VD3、VD2续流。能量返送电源。 直到负载电流下降到0时，VT2、VT3才能够被触发导通。此时，从电源提供给负载反向电流。,动画演示,10,涉及的问题 换流,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程

4、，也称换相，换流实质就是电流在不同桥臂之间的转移。 当电路中的开关器件采用晶闸管时，需要解决晶闸管的关断问题。 开通：承受正压时，适当的门极驱动信号就可使其开通 关断： 全控型器件可通过门极关断 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断 一般在晶闸管两端施加一定时间反压，使电流过零后关断,11,5.3.2 换流方式分类,1) 器件换流（Device Commutation） 利用全控型器件的自关断能力进行换流。 在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。 2) 电网换流（Line Commutation） 电网提供换流电压的换流方式。 将

5、负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。 3) 负载换流（Load Commutation） 4) 强迫换流（Forced Commutation）,12,换流方式,逆变电路的换流方式 全控器件组成的逆变电路：器件换流 晶闸管无源逆变电路常用的换流方式有以下两种： 1）负载换流（Load Commutation） 由负载提供换流电压称为负载换流； 这种换流，主电路不需要附加换流环节，也称为自然换流。 2）强迫换流（Forced Commutation） 附加换流电路，在换流时产生一个反向电压关断晶闸管。 也称为脉冲换流

6、，如图所示，利用电容电压使导通的晶闸管承受反压而关断。,13,5.3.2 换流方式分类-负载换流,图5-7 负载换流 电路及其工作波形,由负载提供换流电压的换流方式。 负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。 如图是基本的负载换流电路，4个桥臂均由晶闸管组成。 整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。 直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动。 负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以uo接近正弦波。 注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。,14,器件换流适用于全控型器件 其余三种方式针对晶闸管 器件换流和强迫换流属于自换流

7、 电网换流和负载换流外部换流 当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭,换流方式小结,15,逆变电路的应用中频感应加热装置,感应加热的基本原理 法拉第电磁感应定律：当电路围绕的区域内存在交变的磁场时，电路两端就会感应出电动势，如果闭合就会产生感应电流。 电流的热效应可用来加热。 在第一个线圈中突然接通直流电流（即将图中开关S突然合上）或突然切断电流（即将图中开关S突然打开），此时在第二个线圈所接的电流表中可以看出有某一方向或反方向的摆动。 这种现象称为电磁感应现象，第二个线圈中的电流称为感应电流，第一个线圈称为感应线圈。 通断频率越高，则感生电流将会越大

8、。 感应电源通常需要输出高频大电流 。,16,17,高频电源,利用高频电源来加热通常有两种方法： 感应加热：利用高频电流 电介质加热：利用高频电压（比如微波炉加热等） 当高频电压加在两极板层上，就会在两极之间产生交变的电场。需要加热的介质处于交变的电场中，介质中的极分子或者离子就会随着电场做同频的旋转或振动，从而产生热量，达到加热效果。,18,5.4 电压型和电流型逆变器,1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同，或根据最靠近逆变桥的直流滤波方式不同,19,5.2 电压型逆变电路,2）电压型逆变电路的特点,图5-5 电压型全桥逆变电路,(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动

9、。 (2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。 (3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。,20,电压型逆变器大电容滤波，输出电压比较平直，波形为交变矩形波，逆变器输出的电流波形接近正弦波。 电流型逆变器大电感滤波，电流比较平直，电压波形接近正弦。 两者的对比可参考表74,图 电压型和电流型逆变器原理图,21,主电路结构 控制器件的导通规律,交直交电压型PWM变频电路,正弦波,22,第四节 脉宽调制技术,脉冲宽度调制技术：PWM (Pulse Width Modulation) 对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需

10、要的波形（含形状和幅值) 常用于电压型逆变器，可以通过调节脉冲宽度和周期来控制输出电压 如直流斩波电路，斩控式调压电路 最常用的是正弦脉宽调制技术SPWM，脉冲宽度按正弦规律变化，和正弦波等效的PWM波形。,23,PWM控制的基本原理,理论基础面积等效原理 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同 冲量指窄脉冲的面积 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同 如果把各输出波形用傅里叶变换分析，低频段非常接近，仅在高频段略有差异,图7-4-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,24,PWM控制的基本原理,b),图7-4-2 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形,具体的实例说明

11、“面积等效原理”,a）,u (t)电压窄脉冲，是电路的输入 。 i (t)输出电流，是电路的响应。,25,PWM控制的基本思想,用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 正弦半波N等分，可看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等 用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等 宽度按正弦规律变化,图 用PWM波代替正弦半波,SPWM波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可,26,PWM控制的基本思想,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,27,PWM控制的基本思想,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比

12、例改变各脉冲宽度即可。,SPWM波,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,28,PWM波的获取方法,1）计算法,根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。 本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。,29,2) 调制法 实际中普遍使用的是调制法。在调制法中，把所希望输出的波形称为调制波或参考波（Reference）ur，把接受调制的信号称为载波（Carrier）uc，通过对载波的调制可以得到所希望的脉冲宽度调制波形。 或用uS、uT表示。 结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制

13、法进行说明,图7-4-3 三角波调制的PWM波原理图,动画演示,30,ur正半周，V1保持通，V2保持断。 当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud 。 当uruc时使V4断，V3通，uo=0 。 ur负半周，分析方法相同。,图6-5 单极性PWM控制方式波形,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,2.1）单极性PWM控制方式,动画演示,三相电路演示,31,2.2）双极性PWM控制方式,在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有Ud两种电平。 在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。 ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。,当ur uc时

14、，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。 如io0，V1和V4通，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud 。,图7-28 双极性PWM控制方式波形,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,32,2.3） PWM主要参数 1) 调制比M 2) 载波比K,33,SPWM波生成的基本方法,1) 采用模拟电路生成SPWM波形 按照SPWM产生的原理，是用分立的模拟或数字电路来构成正弦信号发生器、三角波发生器生成调制波和载波，再通过比较器自动完成两者交点的确定，即可在比较器的输出端直接输出SPWM矩形波。 这种方法的实时性好，但其电路复杂、可靠性低，灵活性差，输出波形优化困难。 为增加该方法

15、的灵活性和可靠性，也有利用单片机的计算与存储功能和D/A转换器参与三角波和正弦波的生成或直接生成SPWM波形。,34,2) 直接采用集成电路产生SPWM波 采用集成电路产生SPWM波的方法简单可靠，方便易行。 3) 采用微处理器的SPWM控制 近年来微处理器的发展特别迅速，许多厂商开发了专门用于电机控制的微处理器或数字信号处理器(DSP)。 这些微处理器有专用的输出端口，可在软件支持下产生SPWM波形。,35,36,第五节 交流变频调速原理,1调速原理 同步电机和异步电机转速表达式： p：电机极对数 f：定子电源频率 s：转差率 其中改变频率 f 的调速方式最为理想。,37,第五节 交流变频调

16、速原理,2调速控制方式恒压频比控制 ( U/f ) 由电机学可知，为了使电机铁磁材料得到充分利用，一般都使其磁通保持在额定磁通状态。 异步电机定子绕组感应电动势E 为： U：定子每相输入电压有效值 f：定子频率(Hz) N：定子每相绕组匝数 Kw：绕组系数 ：每极气隙磁通(Wb) 为避免电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大，引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，即恒压频比控制，以维持气隙磁通为额定值。 VVVF( Variable Voltage Variable Frequency ) 变压变频,38,第五节 交流变频调速原理,2调速控制方

17、式恒压频比控制 ( U/f ) 由电机学可知，为了使电机铁磁材料得到充分利用，一般都使其磁通保持在额定磁通状态。 异步电机 电动势的表达式为： 为避免电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大，引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，即恒压频比控制，以维持气隙磁通为额定值。 恒压频比控制是比较简单，被广泛采用的控制方式。该方式被用于转速开环的交流调速系统，适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合。 VVVF( Variable Voltage Variable Frequency ) 变压变频,39,变频器的优缺点,优点： 交流电动机的调

18、速 节能，如风机、泵类负载，负荷低时降低转速 缺点 输出波形为高频脉冲信号，基波分量为正弦波，但高次谐波会对电动机造成不良影响 变频电机 高次谐波会带来电磁干扰,40,3. 交交变频电路 本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor) 交交变频电路把电网固定频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路 广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要是三相输出交交变频电路,41,交交变频电路,1电路构成和基本工作原理 电路构成 如图7-30，由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同 变流器P和N都是相控整流电路,

19、图7-30 单相交交变频电路原理图和输出电压波形,42,交交变频电路,工作原理 P组工作时，负载电流io为正 N组工作时，io为负 两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电 改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率wo 改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值,43,交交变频电路,为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制 在半个周期内让P组a 角按正弦规律从90减到0或某个值，再增加到90，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期可对N组进行同样的控制 uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段

20、数越多，其波形就越接近正弦波,44,图7-30 单相交交变频电路输出电压和电流波形,考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段 第1段io 0，反组逆变 第2段电流过零，为无环流死区 第3段io 0， uo 0，正组整流,45,第4段io 0， uo 0，正组逆变 第5段又是无环流死区 第6段io 0， uo 0，为反组整流 uo和io的相位差小于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，电动机工作在电动状态 当二者相位差大于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态,46,小结,掌握变频相关的基本概念和PWM基本原理,47,第二节 谐振

21、型逆变电路,一、并联谐振型逆变电路 （1）电路结构 电路原理图如图7-4所示：也称为单相电流型逆变电路，一般用于中频加热电源。 VT1VT4以1k5kHz的中频轮流导通，可以在负载得到中频交变电流。利用金属在交变磁场中产生磁滞和涡流效应，使金属熔化。 桥臂串入4个电感器，用来限制晶闸管开通时的电流上升率di/dt。,48,负载电路 负载一般是电磁感应线圈，用来加热线圈的导电材料。等效为R、L串联电路。 并联电容C，和R、L可以构成并联谐振电路，因此，这种电路叫并联谐振式逆变电路。同时，电容C可以提高功率因数。 直流侧串入大电感Ld， id基本没有脉动,49,（2）工作原理 输出的电流波形接近矩

22、形波，含有基波和高次谐波，且谐波的幅值小于基波的幅值。波形如图7-6所示。 基波频率接近负载谐振的频率，负载对基波呈高阻抗。对谐波呈低阻抗，谐波在负载的压降很小。 因此，负载的电压波形接近于正弦波。 一个周期中，有两个导通阶段和两个换流阶段。,50,（2）工作原理 t1t2阶段 VT1，VT4稳定导通阶段，io=Id； t2时刻以前在电容C建立左正右负的电压。,51,（2）工作原理 t2t4： t2时刻触发VT2，VT3，进入换流阶段。 LT使VT1，VT4不能立即关断，电流有一个减小的过程。VT2，VT3的电流有一个增大的过程。 相当于4个晶闸管全部导通。负载电容电压经过两个并联的放电回路放

23、电。LT1VT1VT3LT3C，另一条：LT2VT2VT4LT4C。,52,（2）工作原理 t=t4时刻，VT1，VT4的电流减小到零而关断，换流过程结束。t4t2称为换流时间。 由于容性负载，电流为0时，晶闸管承受反向电压，可以使晶闸管VT1、VT4顺利关断。,53,为了可靠关断晶闸管，不导致逆变失败，晶闸管需要一段时间才能恢复阻断能力，换流结束以后，还要让VT1，VT4承受一段时间的反向电压。这个时间称为t=t5-t4，t应该大于晶闸管的关断时间tq。 为了保证可靠换流。应该在电压uo过零前t=t5-t2触发VT2，VT3。t称为触发引前时间， t=t+t，电流i0超前电压U0的时间为：t

24、=t+0.5 t。,54,二、串联谐振逆变器 换流电容与负载电路串联，基于串联谐振的原理。 负载满足 时，可以产生振荡。 特点：启动和关断比较容易，但是对负载的适应性较差。 适用于负载性质变化不大，需要频繁起动和工作频率较高的场合。,55,三、全控型器件构成的谐振逆变器 硬开关： 在大电压、大电流状态下开通和关断，开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。 产生较大的开关损耗和开关噪声。 软开关： 在电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，谐振减缓了开关过程中电压、电流的变化，而且使S两端的电压在其开通前就降为零，使开关条件得以改善。 降低开关损耗和开关噪声。 软开关

25、有时也被成为谐振开关。 例如IGBT在输出功率P0=1200W，开关频率50Hz情况下，采用PWM技术关断的损耗是42W； 而采用零电压技术的关断损耗仅为10W，零电流关断的损耗仅为2W。,56,软开关分类 零电压开关：使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开关。 零电流开关：使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流开关。,工作原理 零电压开关（Zero Voltage SwitchZVS） 如图7-8a所示，由开关器件Q和电容C并联，在Q导通之前，C和L产生谐振，当C上的电压为0时，使Q导通； 关断时，由于电容的存在，使Q两端的电压缓慢的从零开始上升，波形如图所示。,57,工作原理 零电流开关（Zero Current SwitchZCS） 如图7-8b所示，由开关器件Q和感L串联； 在Q导通时，由于L的存在，开关器件Q上的电流i从零开始逐渐增加； 在Q关断之前L和C产生并联谐振，当流过L的电流为零时，使Q关断；,58,区分以下基本概念 逆变的分类及其与变频的关系：有源逆变和无源逆变 逆变器换流的方式：负载换流和强迫换流 谐振型逆变电路：并联谐振逆变与串联谐振逆变 软开关与硬开关,