1、第6章 DC-AC變換技術(shù),1,概念,把直流電變成交流電稱為逆變，相應(yīng)的功率變換裝置被稱為逆變器。,2,分類1：有源逆變與無源逆變,如果把逆變器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變成同頻率的交流電送到電網(wǎng)去，叫有源逆變； 如果逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)連接，而是直接接到負載，即把直流電逆變成某一頻率的交流電供給負載，則叫無源逆變。,3,分類2：電壓型逆變器與電流型逆變器,輸入電壓為恒壓源稱為電壓源逆變器 輸入為恒流源稱為電流源逆變器，在實際應(yīng)用中使用較少。,4,兩圖有何區(qū)別?,分類3：,5,分類4：半橋與橋式,分類5：自然換流與強迫換流,分類6：正弦逆變與非正弦逆變,6,負載的分類,逆變器輸出在負

2、載為阻性時,逆變器輸出在負載為感性或容性負載時,能量如何流動？,7,逆變與整流,8,6.2方波逆變器,單相半橋式逆變電路,在直流側(cè)有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，使得兩個電容的聯(lián)結(jié)點為直流電壓的中點。兩個電容構(gòu)成一個橋臂，開關(guān)管和及其反并二極管和構(gòu)成另一個橋臂，兩橋臂的中點為輸出端，可以通過變壓器輸出，也可由這兩端直接輸出。,9,工作原理（阻性負載時）,輸出電壓為電角度的方波交流電，寬度等于Ton（Q1或Q2的導(dǎo)通時間）。,10,數(shù)量關(guān)系,Vab=？,其輸出電壓有效值為：,其瞬時值表達式為：,11,感性負載時如何工作？,此時負載上的電壓電流波形如何？,D1，D2有何作用？,12,2、單相全橋逆變

3、電路,四個功率管、四個反并聯(lián)二極管組成,如何工作？,13,工作原理（阻性負載時）,控制方式有雙極性控制、有限雙極性控制和移相控制三種。,B圖為雙極性控制,14,數(shù)量關(guān)系,其輸出電壓有效值為：,其瞬時值表達式為：,15,工作原理（感性負載時）,控制方式有雙極性控制、有限雙極性控制和移相控制三種。,B圖為雙極性控制,16,受限雙極性控制方式,受限雙極性控制方式的工作原理是讓一個橋臂的兩個管子(例如Q1 和Q3)以PWM方式工作，另一個橋臂的兩個管子Q2、Q4各輪流導(dǎo)通半個周期。,17,受限雙極性控制方式(感性負載）,在D3，Q4導(dǎo)通期間為何iL保持不變？,18,雙極性控制與受限雙極性控制的區(qū)別,1

4、9,移相控制方式,移相控制方式的工作過程是Q1和Q3輪流導(dǎo)通，各導(dǎo)通180度角；Q2和Q4也是這樣，但Q1和Q4不是同時導(dǎo)通。,20,單獨供電與集中供電,單獨式供電：單獨式供電方式是在單節(jié)客車上安裝一套獨立的供電裝置，有車軸式和車下懸掛柴油發(fā)電機組式(用于單節(jié)空調(diào)客車)兩種。 集中式供電：在列車中的某一輛車上一個集中電源（可以通過柴油發(fā)電機組提供也可以由接觸網(wǎng)通過電力機車主變壓器提供），通過電力連接器向整個列車供電，這種供電方式稱為集中式供電。集中式供電因其供電量大，輸出電壓穩(wěn)定已經(jīng)成為主流供電方式。,21,單獨供電,單獨供電方式，一直以車軸式作為主導(dǎo)。隨著空調(diào)客車的大量運用，客車用電量不斷增

5、加，客車供電方式正處于新舊交替時期，以柴油發(fā)電機組作為電源的車輛愈來愈多。,22,車軸式供電,軸驅(qū)式發(fā)電機的供電系統(tǒng)有許多缺點。 首先,客車發(fā)電機的機械傳動是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件,經(jīng)常損壞,特別是在高速運行時。 此外,軸驅(qū)式發(fā)電機顯著增加車輛的運行阻力。例如,在運行速度90公里/小時時,車輛的運行阻力由于有軸驅(qū)式發(fā)電機而增加28%?？蛙嚜毩⒐╇娤到y(tǒng)由于能量多次轉(zhuǎn)換(在電力機車上電能變成機械能,之后在客車上機械能變成電能),因而效率低。它由機車的平均運用效率、減速器、發(fā)電機及蓄電池的效率所決定。此時在額定功率下供電系統(tǒng)的效率大約是50%,23,DC600v集中供電系統(tǒng)工作原理,24,DC600v集

6、中供電系統(tǒng)工作原理,25,電氣化區(qū)段運行方式,25kv受電弓主變壓器整流，濾波DC600v,DC600v,逆變器,空調(diào),熱水器,DC110電壓裝置,蓄電池,照明等其他直流負載,26,非電氣化區(qū)段運行方式,發(fā)電車DC600v,逆變器,空調(diào),熱水器,DC110電壓裝置,蓄電池,照明等其他直流負載,空調(diào),蓄電池,照明等其他直流負載,熱水器,發(fā)電車ac380v,整流裝置,27,DC110v電源裝置,28,29,具體電路,30,三相逆變器電路可以由三個單相逆變器組成，通常三相逆變電路采用三相橋式電路，三相橋式電路如圖所示。每個橋臂（Red leg，Yellow leg，Blue leg）相互延遲1200

7、。,三相方波逆變器,31,當(dāng)G點和N點不連接時，180O導(dǎo)電型工作過程，負載為阻性。 6個功率管的驅(qū)動信號如圖所示，三個單相逆變器的激勵脈沖之間彼此相差1200，每個管子都導(dǎo)通180O，以便獲得三相平衡（基波）的輸出。任何時刻都有3個管子導(dǎo)通，其導(dǎo)通順序為5、6、1；6、1、2；1、2、3；2、3、4；3、4、5；4、5、6；5、6、1.；每組管子導(dǎo)通60度。,6個開關(guān)的驅(qū)動信號,32,6個狀態(tài)的等效電路如圖所示,33,可以求出6個狀態(tài)時三相輸出電壓：,34,由上式畫出三相輸出相電壓波形，如圖所示，可見波形每個周期由六個階梯組成，因此又稱為六階梯波。我們稱 、 、 為逆變器相電壓； 、 、 為

8、逆變器線電壓。,180O,35,120O導(dǎo)電型（當(dāng)G點和N點不連接）,120度導(dǎo)電型模式時，每個開關(guān)元件導(dǎo)通120度，S1S6依次間隔60度導(dǎo)通，逆變器中任一時刻只有兩管導(dǎo)通，工作安全可靠，不會發(fā)生同一橋臂直通現(xiàn)象。導(dǎo)通順序如何？,36,輸出電壓波形是怎樣的？,37,3傅立葉級數(shù)、方波逆變器輸出諧波 在實際問題中，除了正弦函數(shù)外，還會遇到許多非正弦的周期函數(shù)，為了研究非正弦的周期函數(shù)，將周期函數(shù)展開成由三角函數(shù)組成的級數(shù)。,將周期函數(shù)展開，它的物理意義是很明確的，即把一個比較復(fù)雜的周期運動看成是許多不同頻率的簡諧振動疊加。,38,方波的各次諧波,39,如何去除諧波？,方波逆變器輸出是一交變方波

9、電壓，在某些場合可以直接應(yīng)用，例如在驅(qū)動交流電機等應(yīng)用中；在另一些場合，方波逆變器輸出就必須進行濾波，才能滿足應(yīng)用的需要。,由于基波和諧波頻率差較小，低通濾波器設(shè)計相當(dāng)困難。,40,6.3脈沖寬度調(diào)制（PWM）,背景： 方波逆變器可以方便地調(diào)整輸出電壓的頻率，但輸出電壓的幅度在逆變環(huán)節(jié)中無法調(diào)節(jié)，通常需要增加調(diào)壓環(huán)節(jié)完成調(diào)壓功能，但這種方法使系統(tǒng)復(fù)雜，且輸出電壓諧波大。 1964年，德國學(xué)者A. Schonung 和H. Stemmler 率先提出了脈寬調(diào)制（PWM: Pulse Width Modulation）的思想，把通訊技術(shù)中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流傳動中，開創(chuàng)了DC-AC技術(shù)研究的新領(lǐng)域

10、。 發(fā)展現(xiàn)狀,41,PWM波形生成原理 在采樣控制理論中，有一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的脈沖，加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量，即是指窄脈沖的面積。這里所說的效果相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果將其輸出波形用傅氏變換分析，其中低頻特性基本相同，僅在高頻段略有差異。,42,如圖中所示的三個面積相等但形狀不同的窄脈沖，當(dāng)他們分別加在慣性上環(huán)節(jié)上時，輸出基本相同，并且，脈沖寬度越窄，其輸出的差異越小。,43,原理： 1）將正弦波n等分，將正弦波用寬度相同，幅度不同的一系列方波脈沖來擬合。,2）將每個脈沖方波以面積相等的原則用一系列幅度相同，寬度不同的方波來替換（根據(jù)控制理

11、論，這樣替換后輸出效果相同。）,44,把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。 通常采用等腰三角波作為載波，因為等腰三角波上下寬度與高度呈線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，在交點時刻就可以得到寬度正比于調(diào)制信號波幅度的脈沖。下圖為調(diào)制波、載波和SPWM波的關(guān)系圖形。,45,單極性PWM調(diào)制 載波（三角波）在調(diào)制波半個周期內(nèi)只在一個方向變化，所得到的PWM波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。,46,雙極性PWM調(diào)制 在雙極性控制方式中，載波（三角波）在調(diào)制波半個周期內(nèi)是在正負兩個方向變化，所得

12、到的PWM波形也正負兩個在方向變化。,47,SPWM生成方法 1）自然采樣法,2）規(guī)則采樣法,48,PWM產(chǎn)生電路及控制原理（自然采樣法） 單極性PWM調(diào)制,49,Ur：信號波（正弦波） Uc：載波（三角波）,調(diào)制電路的組成 1）比較電路 2）控制電路,50,控制方法,在信號波Ur的正半周期Q1保持導(dǎo)通，Q3保持關(guān)斷，然后： 當(dāng)UrUc時，Q4導(dǎo)通，Q2關(guān)斷則此時Vab=Vin 當(dāng)UrUc時，Q4關(guān)斷，Q2導(dǎo)通則此時Vab=0,51,在信號波Ur的負半周期Q3保持導(dǎo)通，Q1保持關(guān)斷，然后： 當(dāng)UrUc時，Q4導(dǎo)通，Q2關(guān)斷則此時Vab=0 當(dāng)UrUc時，Q4關(guān)斷，Q2導(dǎo)通則此時Vab=-Vin

13、,52,雙極性PWM調(diào)制 產(chǎn)生電路不變 該使用何種控制方式？,提示:Q1與Q4一組，Q2與Q3一組,53,控制方法 在Ur正半周期：當(dāng)UrUc時， Q1與Q4通， Q2與Q3斷 此時Vab=Vin 當(dāng)UrUc時， Q1與Q4斷， Q2與Q3同 此時Vab=-Vin 當(dāng)UrUc時， Q1與Q4通， Q2與Q3斷 此時Vab=Vin,54,三相橋逆變的PWM控制,三相的PWM控制公用三角波載波uc ； 三相的調(diào)制信號urU、urV和urW依次相差120,55,二重單相電壓型逆變電路：,兩個單相逆變電路的輸出電壓u1和u2均是180矩形波。 兩個單相逆變電路導(dǎo)通相位錯60,56,二重單相電壓型逆變電

14、路： 由兩個單相全橋逆變電路組成，輸出通過變壓器T1和T2串聯(lián)起來。 輸出波形：兩個單相的輸出電壓u1和u2均是180矩形波。,二重逆變電路的工作波形,二重單相逆變電路,兩個單相電路導(dǎo)通相位錯開j =60,則u1和u2的3次諧波就錯開了 360=180。 變壓器串聯(lián)合成后，兩者中的3次諧波相互抵消，總輸出電壓中不含3次諧波。 uo波形是120矩形波，含6k1次諧波，3k次諧波都被抵消。,57,無源逆變電路和有源逆變電路有何不同？ 電壓型逆變電路中反饋二極管的作用是什么？ 三相電壓型逆變電路基本電路的工作方式是（ ）導(dǎo)電方式，輸出的交流電壓波形為（ ），相電壓寬度為（ ），幅值(max)為（ ）。 單極性和雙極性P