第4章 DC-AC变换电路

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1、第4章DC AC变换电路 主要内容 4 1概述4 2电压型DC AC变换电路4 3电流型DC AC变换电路4 4谐振式逆变电路4 5DC AC变换的多重化技术和多电平逆变电路4 6变频器4 7软开关技术在DC AC变换中的应用4 8小结 4 1概述 DC AC变换电路是将直流电 DC 转换为交流电 AC 的电路 即通常所说的逆变电路 其应用非常广泛 在已有的直流中 向交流负载供电时 就需要逆变电路 在高压直流输电中 换流站中的高压大容量逆变器更是不可或缺的核心设备之一 由公共电网向各种交流负载供电时 往往需要采用电力电子逆变装置将电网电能转换成所需频率和电压的电能 这一过程常被称为变频 变频系

2、统的核心实际上也是逆变电路 变频的实现方式交交直接变频 传统形式为多组反并联晶闸管可逆桥式变流器组成 基于相控整流技术 采用电网自然换流实现交流到交流的直接变换 效率较高 能四象限运行 但这种电路使用晶闸管较多 输出频率低 功率因数低 矩阵式变换器是一种新型交交变频电路 它采用多个双向开关实现N相输入 M相输出的交叉连接 换流效率非常高 能实现四象限运行和任意功率因数 控制特性好 电源侧和负载侧谐波含量少 但矩阵变换器要求较高频率的双向开关 控制相对也较复杂 交直交变频 由交直变换电路和直交变换电路两部分组成 前一部分属整流电路 后一部分就是DC AC逆变电路 交直交变频形式是目前最主要的变频

3、方式 并将在今后很长一段时期内继续占据主导地位 逆变电路分类 按换流方式分类 器件换流 利用全控型器件自身的关断能力进行换流称为器件换流 在采用IGBT 功率MOSFET GTO GTR等全控型器件的电路中 其换流方式即为器件换流 负载换流 由负载提供换流电压称为负载换流 通常采用的是负载谐振换流 强迫换流 通过附加的换流装置 给欲关断的器件强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流 器件换流只适用于全控型器件 其余两种方式主要用于半控型器件如晶闸管的换流 按直流电源分类 电压型逆变器 在直流母线上并联有大电容 抑制母线电压纹波 直流测可近似看作一个理想电压源 电流型逆变器 在直流测串联

4、有大电感 可以抑制输出直流电流纹波 使得直流测可以近似看作一个理想电流源 按交流输出类型分类 当变换装置交流侧接在电网上 把直流电逆变成同频率的交流电回馈到电网上去 称为有源逆变 当变换装置交流侧和负载连接时 将由变换装置直接给电机等负载提供频率可变的交流电 这种工作模式被称为无源逆变 按输出电平分类按控制方式分类按电路拓扑结构分类按输出电压相数分类 4 2电压型DC AC变换电路 4 2 1电压型单相逆变电路4 2 2电压型三相全桥式逆变电路 4 2 1电压型单相逆变电路 1 电压型单相半桥式逆变电路电路特点 直流侧接有很大的滤波电容 从逆变器向直流侧看过去 有两个桥臂 每个桥臂由一个开关器

5、件和一个反并联二极管组成 在直流侧接有两个串联的大电容 用于直流环节的滤波 稳定直流电压相当于一个内阻很小的电压源 两个电容的连接点为直流电源中点 负载接在直流电源中点和两个桥臂中点之间 控制方式 开关器件T1和T2在一个输出电压基波周期T0内互补地施加触发驱动信号 且两管驱动信号时间都相等当T1导通T2关断时 当T2导通T1关断时 所以电压波形为占空比为50 的方波 改变T1和T2的驱动信号的频率 即可以改变输出电压的频率 输出电压的基波频率 输出电压 傅里叶级数形式 输出电压基波幅值 输出电压基波有效值 n次谐波幅值 输出电流电阻负载 感性负载 当负载中含有电感成分时 由于电感上电流不能突

6、变 因此电流波形相当于经过了一个低通滤波环节 波形更接近于正弦波瞬时负载电流 其中n次谐波阻抗相角基波电流 死区互锁时间 为防止T1和T2同时导通 在T1和T2的驱动信号切换过程中加入一定宽度的死区互锁时间 让上下桥臂的开关同时处于关断状态 加入死区时间会影响实际输出电压的幅值半桥逆变电路总结优点 原理简单 使用器件少缺点 输出交流电压的幅值较低 基波幅值仅为 且直流侧需要两个电容器串联 工作时还要控制两个电容器电压的平衡半桥电路常用于几kw以下的小功率逆变电源 2 电压型单相全桥式逆变电路电路特点 全桥电路可看作由两个半桥电路组成 有四个桥臂 包括四个可控开关器件及反并联二极管 在直流母线上

7、通常还并联有滤波电容 控制方式 T1和T4同时开通和关断 T2和T3同时开通和关断 存在一定的死区 当T1和T4开通时 负载端电压为 当T2和T3同时开通时 输出电压 傅里叶级数形式 输出电压基波有效值 输出电流电阻负载 感性负载 时 开关管T1 T4被触发 当负载电流由a流向b时 电流流经开关管T1 T4 当负载电流由b流向a时 经过D1 D4续流时 开关管T2 T3被触发 当负载电流由b流向a时 电流流经开关管T2 T3 当负载电流由a流向b时 电流经过D2 D3续流瞬时负载电流 其中n次谐波阻抗相角基波电流 3 带中心抽头变压器的电压型逆变器电路特点 交替驱动两个开关T1和T2 将直流电

8、压交替地加到变压器的两个原边 在副边就可以合成一个与负载性质无关的方波电压 两个与开关管反并联的二极管D1和D2的提供续流通道 完成无功能量的回馈 变压器匝比为1 1 1时 输出电压电流 波形及幅值与电压型单相全桥逆变电路完全相同 带中心抽头变压器的电压型逆变电路总结优点 所用的开关器件少输入直流侧和交流侧由于变压器的隔离而没有电的联系变压器可以将输出电压变换到需要的数值 降低了对输入直流电压的要求缺点 变压器必须紧密耦合原边每个绕组只在半个周期内工作 需要有较大的容量变压器体积较大且笨重 仅适用于功率较小的场合 4 2 2电压型三相全桥式逆变电路 电路结构控制方式上下开关管互补导通 形成一个

9、宽度为1800 对应于 的矩形电压波 而三相桥臂之间的控制起始信号相位互差1200开关管T1 T6依次导通 触发脉冲间隔为600 在任何时刻都有三只管子同时导通 每只开关管在一个周期内 3600 的导通时间为1800 开关管驱动状态及各相端点输出电压各个开关管的导通状态与顺序分别为 T1 T2 T3 T2 T3 T4 T3 T4 T5 T4 T5 T6 T5 T6 T1 T6 T1 T2 逆变器输出线电压为各端点电压之差 且考虑负载为三相对称负载 O点为负载的中点负载中点电压与端点电压之间关系 当时 T1 T2 T3导通负载线电压 负载相电压 当时 T2 T3 T4导通负载线电压 负载相电压

10、根据求得的表达式可画出各区间的负载线电压 相电压及中点电压波形 负载线电压为宽度1200的矩形波 各相电压波形为六阶梯波 中点电压为3倍输出频率的方波 改变开关管触发脉冲的频率就可以改变逆变器输出电压的频率 输出线电压 傅里叶级数形式 基波幅值 基波有效值 将时间坐标起点移至阶梯波的起点基波幅值 n次谐波幅值为 相电压不含3次谐波 只含5 7 11 13等高阶奇次谐波 电压源型逆变电路总结由于电容的嵌位作用 在开关管的控制下 输出给负载的电压为一系列矩形波 波形仅与控制脉冲相关而与负载性质无关 但输出的电流波形与负载的阻抗角相关 不管是半桥还是全桥电路 采用方波控制时 在直流母线电压一定时输出

11、电压的基波大小不可控 且输出电压中谐波频率低 幅值大 对负载性能影响较大 因此 上述逆变电路的输出通常要接LC滤波器 滤波器LC滤除逆变电路输出电压中的高次谐波而使负载电压 电流接近正弦波 改善逆变器技术特性的更佳途径是采用PWM控制模式 通过提高开关控制频率和占空比的调节 直接输出谐波含量更少的交流电压 4 3电流型DC AC变换电路 4 3 1电流型单相桥式逆变电路4 3 2电流型三相桥式逆变电路 4 3 1电流型单相桥式逆变电路 电路特点 输入侧直流电源串接有大电感L 因为电感中电流脉动较小 开关器件上无反并联二极管 电流方向无法反向 当带纯电阻负载时 开关T1 T4导通 T2 T3关断

12、时 负载电流方向为正 当开关T2 T3导通 T1 T4关断时 负载电流方向为负 负载电流波形为方波当负载包含电感时 由于电感上的电流不能突变 必须给负载电流提供一个换流路径 并提供储能元件以吸收负载电感中储存的能量 因此必须在感性负载两端并联一个电容C 电容作为储能元件提供无功功率 是电流型逆变器不可缺少的一部分 负载电流波形为一系列方波 并与负载性质无关负载电流的傅里叶分析电流基波有效值电流源型逆变器输出的电流波形含有很丰富的谐波成分 如果负载为电阻性负载 则负载上的电压波形与电流波形一致 但实际应用中大部分负载都包含有电感成分 由于这种混合性负载的滤波作用 负载上的电压一般接近于正弦波 4

13、 3 2电流型三相桥式逆变电路 电路特点 在直流侧串联有一个大电感L 当电感足够大时直流侧电流基本无脉动 直流回路呈现高阻抗 相当于一个电流源 电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径 所以交流侧输出电流波形为矩形波 并且与负载的阻抗角无关 控制方式 方波控制模式开关管T1 T6依次导通 触发脉冲间隔为600 在任何时刻保证以有且仅有两只管子同时导通 这样每只开关管在一个周期内 3600 的导通时间就是12006个时间区间各个开关管的导通状态与顺序分别为 T6 T1 T1 T2 T2 T3 T3 T4 T4 T5 T5 T6 T6 T1 三相星型对称负载 各相电流等于端点输出电流 相电流

14、与线电流相等 各相负载电流波形均为正负脉宽为1200的矩形波相 线电流进行傅立叶级数 相电流基波有效值 相 线电流中不含3次谐波 只含5 7 11 13等高阶奇次谐波 n次谐波幅值为基波幅值的 三相三角形对称负载 当开关状态处于I区间时 此时T1 T6导通 各相电流 当开关状态处于II区间时 此时T1 T2导通 各相电流 当开关状态处于III区间时 此时T2 T3导通 各相电流 三相三角形对称负载 当开关状态处于IV区间时 此时T3 T4导通 各相电流 当开关状态处于V区间时 此时T4 T5导通 各相电流 当开关状态处于VI区间时 此时T5 T6导通 各相电流 三相三角形对称负载 接三角型负载

15、时线电流波形与星型负载时完全相同 相电流傅立叶级数展开 相电流基波有效值 相 线电流中不含3次谐波 只含5 7 11 13等高阶奇次谐波 n次谐波幅值为基波幅值的 电流型三相桥式逆变电路总结 三相电流型逆变器输出的电流波形含有很丰富的谐波成分 如果负载为电阻性负载 则负载上的电压波形与电流波形一致 对于实际应用中的大部分包含电感的负载 负载上的电压更接近于正弦波 电流型逆变器直流输入侧串入的电感一般都较大才能维持输入电流基本恒定 因此系统的重量 体积一般远比电压型逆变器大 这一缺点限制了电流型逆变器的应用 总体来说其应用不如电压型逆变器广泛 尤其在中小容量领域 4 4谐振式逆变电路 4 4 1

16、电压型串联谐振逆变电路4 4 2电流型并联谐振逆变电路 一般工业负载大多数情况下都是含电感的阻感混合型负载 为了使系统产生谐振 一般在负载中还要加入电容 这样负载就变成了一个电阻 电感和电容的混合性负载 可等效为一个RLC负载 谐振式逆变电路主要特点有 逆变电路输出电压或电流波形为方波 当逆变频率在负载谐振频率附近时 可获得正弦的电压或电流输出 不需要额外的低通滤波器来消除低次谐波 减小了系统体积和成本 由于利用了负载的谐振特点 电路中的元器件尤其是开关器件要承受较大的电压或电流 对器件的可靠性要求较高 4 4 1电压型串联谐振逆变电路 电路特点 换流电容C与负载阻感电路串联 换流是基于串联谐振的原理 输入端采用不可控整流 电路简单 功率因数高 选择系统开关频率接近谐振频率电路工作频率略低于电路的谐振频率 工作原理分析 在时刻 触发晶闸管T1 T4 负载电路产生振荡 负载电流方向为从A流向B 上述过程持续到时刻电容电压充电至最大值 此时负载电流结束正半波而降为零 当时 电路继续振荡 电流反向 由于T2 T3还未导通 电容通过负载经反并联二极管D1 D4向电源放电 T1 T4承受反压关断