电力电子技术04.ppt

1、4-1,第4章 逆变电路,4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路(不讲),4-2,第4章 逆变电路,逆变的概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变。 主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等对交流的转换。 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。,本章讲述无源逆变,4-3,逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种： 1）直流侧是电压源的称为电压型逆变电路； 2）直流侧是电流源的称为电流型逆变电路； 本章应掌握内容 4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路

2、,第4章 逆变电路,4-4,4.1 换流方式,4.1.1 逆变电路的基本工作原理 4.1.2 换流方式分类,返回,4-5,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理,4.1.1 逆变电路的基本工作原理,图4-1 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。,返回,4-6,4.1.1 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，可改变输出交流电频率。,图4-1 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。,返回,4-7,换流方式主要是研究如何使器件关断。

3、换流的基本方式。 1）器件换流（IGBT,GTO,GTR, MOSFET) 2）电网换流 3）负载换流（负载满足的条件？） 4）强迫换流（直接耦合式，电感耦合式）,4.1.2 换流方式分类,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。,返回,4-8,4.1.2 换流方式分类,1) 器件换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流。 器件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 电网提供换流电压的换流方式。 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。 3) 负载换流 由负载提供换流电压，当负载为电容性负载时，可实现负

4、载换流。,返回,4-9,思考： 1.此电路是电压型逆变还是电流型逆变电路？ 2.如何理解负载电流波形是矩形波？ 3.如何理解电压波形近似为正弦波？（负载特点） 4. 换流过程如何实现？ 4.如何保证顺利可靠换流？,4.1.2 换流方式分类,负载换流电路及其工作波形,返回,4-10,4.1.2 换流方式分类,直接耦合式强迫换流 当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关断。 也叫电压换流。,图4-3直接耦合式强迫换流原理图,4)强迫换流,返回,4-11,4.1.2 换流方式分类,换流方式总结： 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

5、流属于自换流。 电网换流和负载换流属于外部换流。 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。,返回,4-12,4.2 电压型逆变电路,4.2.1 单相电压型逆变电路 4.2.2 三相电压型逆变电路(不讲）,返回,单相半桥电压型逆变电路 单相全桥电压型逆变电路 带中心抽头变压器逆变电路,三相全桥电压型逆变电路,4-13,（1） 半桥逆变电路, 导电方式：V1，V2驱动信号互补，各导通180,4.2.1 单相电压型逆变电路,图46 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,返回,4-14,工作原理： （1）t1t2 电源电压经V1对负载供电，电流指数规律 上升。负

6、载电压为1/2ud. （2）t2t3 电感经VD2续流，电流指数规律下降。负载电压为-1/2ud.,（3） t3t4 电源经V2对负载供电，电流指数规律反向上升。负载电压为-1/2ud. （4） t4t4 电感经VD1续流，电流指数规律反向下降，负载电压为1/2ud.,因为是阻感负载，呈感性，电流滞后电压，滞后角=arctanL/R.,单向半桥电压逆变电路优缺点总结： 优点：所用器件少。 缺点：u0幅值小，只有电源电压的一半，并且输入端接两个电容，还需保证 C1=C2,不能精确满足。,思考：电路中的二极管主要起什么作用？ 答：当负载为感性或阻感性时，二极管为负载向直流电源反馈能量提供通道（即续

7、流过程），故这些二极管被称之为反馈二极管。,为了解决这一矛盾，在单向半桥的基础上提出了单向全桥电压型逆变电路。,单相半桥一般应用在小功率电路中。 功率较大时怎么办？,4.2.1 单相电压型逆变电路,图46 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,返回,4-15,（2） 全桥逆变电路,由四个臂构成，输入端并有一个电容。负载接在上下两组臂之间。,4.2.1 单相电压型逆变电路,图4-7 单相全桥电压型逆变电路,返回,4-16,导电方式一：V1,V4同时通断；V2,V3同时通断。V1,V4与V2,V3信号互补，各导电180（对比半桥思考） 。,图4-7-1单相全桥电压型逆变电路波形,4.2.1 单相电压

8、型逆变电路,图4-7 单相全桥电压型逆变电路,返回,工作原理：与单向半桥电路工作原理相同，只不过全桥中是两个臂同时工作，半桥中一个臂单独工作。全桥输出电压，电流波形与半桥完全一样，但幅值均为半桥的两倍。,4-17,单相电压全桥输出电压uo定量分析 图4-7-1对应uo展开成傅里叶级数 基波幅值 基波有效值,4.2.1 单相电压型逆变电路,返回,4-18,思考：如果要改变输出电压的有效值（或幅值），可采取哪些方案？,1、可控整流调压方案； 2、斩波调压方案；,4.2.1 单相电压型逆变电路,返回,逆变器导电方式一 （180导电方式）,逆变器导电方式二 移相导电方式（移相调压）,3、逆变器自身控制

9、方案。,答：,4-19, 导电方式二（移相导电）：V1,V2信号互补；V3,V4信号互补；V3信号比V1信号落后（ 0180）,所谓移相：即改变的大小。,4.2.1 单相电压型逆变电路,图4-7-2 单相全桥逆变电路的移相调压方式,返回,4-20,单相电压全桥输出电压uo定量分析 图4-7-2 对应uo展开成傅里叶级数 基波幅值 基波有效值,4.2.1 单相电压型逆变电路,返回,4-21,4.2.1 单相电压型逆变电路,3） 带中心抽头变压器的逆变电路,图4-8 带中心抽头变压器的逆变电路,在Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1情况下，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 与全桥

10、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。,返回,4-22,4.2.2 三相电压型逆变电路,三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路 应用最广的是三相桥式逆变电路,图4-9 三相电压型桥式逆变电路,返回,4-23,4.2.2 三相电压型逆变电路,基本工作方式（180导电方式）,每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 。 任一瞬间有三个桥臂同时导通。 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称

11、为纵向换流。,返回,4-24,波形分析,负载各相到电源中点N的电压：U相，V1通，uUN=Ud/2，V4通，uUN=-Ud/2,负载线电压,负载相电压,负载中点和电源中点间电压,4.2.2 三相电压型逆变电路,返回,三相负载对称，值为零,4-25,三相桥电压型逆变电路输出线电压傅里叶级数表达式：,4.2.2 三相电压型逆变电路,返回,式（4-8）,输出线电压有效值：,线电压基波幅值：,线电压基波有效值：,4-26,4.2.2 三相电压型逆变电路,返回,三相桥电压型逆变电路输出相电压傅里叶级数表达式：,式（4-12）,输出相压有效值：,相电压基波幅值：,相电压基波有效值：,27/47,4.2.2

12、 三相电压型逆变电路,0.4520090（V）,0.637200127.4(V), 1.1200=220（V）, 0.78200=156（V）,例：三相桥式电压型逆变电路，180导电方式，Ud=200V。试求输出相电压的基波幅值UUN1m和有效值UUN1、输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值UUV1、输出线电压中7次谐波的有效值UUV7。 解:,4-28,三相桥电压型逆变电路总结：,（1）三相桥电压型逆变电路应用在大功率场合。 （2）各相输出电压在相位上相差1200，电流波形根据负载情况的不同而不同。 （3）在导电上，为防止同一相的两个器件同时开通而导致电源短路，应遵循“先断后通”的原则:即

13、要关断的器件在彻底关断之后再给需开通的器件开通信号，因此，要留一定的时间裕量（实际在单相中也应如此） 。,4.2.2 三相电压型逆变电路,返回,4-29,电流型逆变,直流侧输入电源为电流源,电流型逆变电路的特性： （1）直流侧串大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动。 （2）因为是恒流，输出电流波形是矩形波，输出电压波形与负载有关系。 （3）电路中不必加反馈二极管。 （4）电感起到缓冲无功能量的作用。,4.3 电流型逆变电路,返回,电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多,换流方式有负载换流、强迫换流。,4-30,4.3 电流型逆变电路,4.3.1 单相电流型逆变电路 4.3.2

14、三相电流型逆变电路,返回,4-31, 4个桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器LT，用来限制晶闸管开通时的di/dt。,采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负载电压（呈容性），并联电容同时有提高功率因数的作用。,C和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路（但最终负载仍略显容性，准确应称之为容性小失谐负载）。,输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。,并联谐振回路对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，谐波在负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦波。,4.3.1 单相电流型逆变电路,图412 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路,1) 电路原理,返回,4

15、-32,基本导电方式：1，4同时通断，2，3同时通断。,4.3.1 单相电流型逆变电路,2) 工作分析,返回,4-33,为保证可靠换流，应在负载电压 过零前 时间去触发VT2、 VT3， 称触发引前时间：,思考： (1)怎样确保晶闸管可靠关断？ (2）触发引前时间是指什么时间？ （3）触发引前时间考虑哪些因素？,电流减小为零，晶闸管还需一段时间才能恢复正向阻断能力，也就是说电流为零后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tb，这样晶闸管才能真正可靠关断。,如果不能满足上要求，则会导致逆变失败。,4.3.1 单相电流型逆变电路,返回,3),4-34,单相桥式电流型逆变电路输出电流io定量分析 图4

16、-13对应io近似展开成傅里叶级数 基波幅值 基波有效值,返回,4.3.1 单相电流型逆变电路,4),4-35,1）采用全控型器件GTO电路,基本工作方式是1200导电方式（每个臂一周期内导电1200）。,4.3.2 三相电流型逆变电路,图4-11 电流型三相桥式逆变电路,返回,每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，为横向换流。,4-36,4-37,三相电流型逆变输出特性（全控型器件）：,输出相电流波形和负载性质无关，为正负各120的矩形波。 输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波，因电感的作用，每次换相时会产生电压冲击。 因直流输入电感值很大才能构成一个电流源，因此电感的重量体积都很大，这是电

17、流型逆变器使用不广泛的一个重要原因。,4.3.2 三相电流型逆变电路,返回,4-38,2）串联二极管式晶闸管逆变电路,主要用于中大功率交流电动机调速系统。,电流型三相桥式逆变电路，输出波形与全控型器件时一样。,各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。, 120导电工作方式,强迫换流方式，电容C1C6为换流电容。,4.3.2 三相电流型逆变电路,图4-14 串联二极管式 晶闸管逆变电路,返回,4-39,分析流过程（强迫换流）：,电容器充电规律：对共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零 等效换流电容概念：分析从VT1向VT3换流时，C13就是C3与C4

18、串联后再与C1并联的等效电容，,4.3.2 三相电流型逆变电路,返回,4-40,以VT1向VT3换流的过程为例：,（2）t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断,（1）假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负,（1） （2） （3） （4）,Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段,（3）t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。则二极管VD3导通，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段。产生环流。此环流使VD1电流减小，使VD3电流增大。,随着C13电压增高，iV渐大，VD1电流越来越小，假设在t3时刻变为零，则VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。,（4） VT2、VT3稳定导通阶段,4.3.2 三相电流型逆变电路,返回,4-41,波形分析：,恒流放电阶段,二极管换流阶段,4.3.2 三相电流型逆变电路,图4-17 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形,返回,4-42,掌握： （1）换流方式，换流原理。 （2）电压型逆变电路、