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书名 电力电子技术ISBN 978 7 111 16899 2作者 龙志文出版社 机械工业出版社本书配有电子课件 电力电子技术高职高专ppt课件 第三章 逆变电路 3 1电力电子器件的换流方式3 2有源逆变电路3 3无源逆变电路3 4负载换流式逆变电路3 5电压型逆变电路3 6电流型逆变电路 电力电子技术高职高专ppt课件 第三章 逆变电路 在实际应用中除了将交流电能变换直流电能外 还需将直流电能换成交流电能 这种对应于整流的逆向过程称为逆变 完成这一变换过程的电路称为逆变电路 在一定条件下 同一晶闸管电路既可作整流又可作逆变 这种电路为变流电路或变流器 如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上 直流电逆变成与电网同频率的交流电反送至电网上 称为有源逆变 如果将电路的交流侧直接与负载连接 将直流电逆变成某一频率或频率可调的交流电供给负载 称为无源逆变 电力电子技术高职高专ppt课件 第三章 逆变电路 3 1电力电子器件的换流方式 电流从一个支路向另一个支路的转移的过程称为换流 换流又常被称为换相 一般来说 电力电子电路有四种换流方式 1 器件换流利用全控型器件自身具有的自关断能力实现换流称为器件换流 2 电网换流由电网提供换流电压称为电网换流 3 负载换流由负载提供换流电压称为负载换流 电力电子技术高职高专ppt课件 4 脉冲换流设置附加的换流电路 向导通的晶闸管施加反向电压或从导通的晶闸管控制级施加反向电流 使晶闸管强迫关断 称为脉冲换流 又称强迫换流 脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流两种 第三章 逆变电路 3 1电力电子器件的换流方式 电力电子技术高职高专ppt课件 第三章 逆变电路 3 2有源逆变电路 有源逆变电路主要应用于直流电机的可逆调速 绕线转子异步电动机的串级调速 高压直流输电和太阳能发电等领域 3 2 1有源逆变的工作原理 1 直流电能的传递 有两个电源 一个是电池 一个是具有电动势的直流电动机 其电路的连接方式有三种 电力电子技术高职高专ppt课件 由上述分析可知 1 两个电源同极相接时 电流总是从电动势高处流向电动势低处 电路中电流的大小为两电动势之差与回路电阻的比值 如果回路电阻很小 很小的电动势差也可产生足够大的电流 使两个电源系统之间交换很大的功率 2 电流从正端流出的电源输出功率 电流从正端流入的电源接受功率 3 两个直流电源反极性相接时 如果回路电阻很小 回路中的电流将很大 这实际上相当于两个电源短路 在工作中应严防这种事故的发生 第三章 逆变电路 3 2有源逆变电路 电力电子技术高职高专ppt课件 第三章 逆变电路 3 2有源逆变电路 2 有源逆变的工作原理 电力电子技术高职高专ppt课件 1 电动机M电动运行电路工作在整流状态 晶闸管的控制角在0 90 之间 电动机作电动运行 这时交流电源通过晶闸管输出电能 电动机则输入电能 当Ud EM时电路的电流值为Id Ud EM R式中 R为回路的总电阻 一般情况下 R值很小 因此电路经常工作在Ud EM 第三章 逆变电路 3 2有源逆变电路 2 有源逆变的工作原理 电路分析 电力电子技术高职高专ppt课件 第三章 逆变电路 3 2有源逆变电路 2 有源逆变的工作原理 电路分析 2 电动机M发电回馈制动运行如图3 5b所示 EM Ud 电流反向 为了防止两电动势顺向串联形成短路 则要求Ud的极性也必须反过来 即上负下正 电流Id从直流电动机流向整流电路 这时电路的电流为Id EM Ud R此时电动机运行于发电状态 其产生的直流电能通过变流电路逆变为交流电能返送至电网 电路进入逆变工作状态 电力电子技术高职高专ppt课件 在图3 5b波形中 t1 t2之间 Ud EM 电路处于整流状态 由于平波电抗器L的存在 不会产生较大短路电流 t2 t3之间 EM Ud 电路实现有源逆变 t3 t4之间 EM di dt Ud 电路继续保持逆变状态 由以上分析可知 工作过程中虽存在整流状态 但逆变状态处于主导地位 因此整个过程属于逆变 第三章 逆变电路 3 2有源逆变电路 2 有源逆变的工作原理 电路分析 实现有源逆变必须同时具备两个条件 1 一定要有直流电动势源 其极性必须与晶闸管的导通方向一致 且其值应大于变流器直流侧的平均电压Ud 2 变流器必须工作在 90 的区间 使Ud 0 为了保证变流回路中的电流连续 负载回路应串入大电感 此外 由于半控桥或有续流二极管的电路不能输出负电压 也不允许直流侧出现负极性的电动势 不能实现有源逆变 第三章 逆变电路 3 2有源逆变电路 2 有源逆变的工作原理 第三章 逆变电路 3 2有源逆变电路 3 2 2三相半波有源逆变电路 第三章 逆变电路 3 2有源逆变电路 3 2 2三相半波有源逆变电路 图3 6为三相半波电动机负载电路 电动机电动势EM的极性如图所示 当EM Ud 控制角 90 即 的移相范围在90 180 时 可实现有源逆变 逆变电路直流输出电压为 Ud 1 17U2cos 3 1 由于逆变时 90 所以cos 计算不方便 引入逆变角 令 则上式为Ud 1 17U2cos 3 2 第三章 逆变电路 3 2有源逆变电路 3 2 2三相半波有源逆变电路 图3 6b为 30 时 逆变电路的电压波形 在 30 时 给VT1驱动信号 VT1因承受正向电压EM而导通 电动机提供电能 逆变输出电压Ud UA 电路中开关元件按电源相序 以120 间隔依次开通和关断 得到Ud的波形 其输出电压的平均值Ud为负值 因回路中有大电感 id Id 图3 6c为 30 时 VT1两端电压波形 逆变时 当一个晶闸管导通后 另外两晶闸管承受反向电压 VT1导通120 uVT1 0 VT2导通120 VT1关断 uVT1 uAB VT3导通120 VT1关断 uVT1 uAC 晶闸管可能承受的最大反向电压为 u2 3 2 3三相桥式有源逆变电路 第三章 逆变电路 3 2有源逆变电路 三相桥式整流电路用作有源逆变时 就成为三相桥式有源逆变电路 与三相半波逆变电路一样 当 移相范围在90 180 即 移相范围在90 0 时 电路工作在逆变状态 其输出电压Ud为负值 每隔600依次触发晶闸管 使晶闸管VT1 VT6依次导通 电流连续时 每个晶闸管导通1200 触发脉冲必须是双窄脉冲或者是宽脉冲 直流侧电压为Ud 2 34U2cos 3 3 式中 U2为逆变电路输相如电压 3 2 3三相桥式有源逆变电路 第三章 逆变电路 3 2有源逆变电路 3 2 4有源逆变最小逆变角的限制 第三章 逆变电路 3 2有源逆变电路 由于变压器漏抗的影响 使电流不能瞬间完成 造成两相邻晶闸管换相时 有一小段时间两个晶闸管同时导通 这段时间所对应的电角度称为换相重叠角 如图3 8所示 如果逆变角 太小 即 时 从图3 8所示的波形中可清楚看到 在 t1时刻触发晶闸管VT2换相 由于 在到达自然换相点2后 换相还未结束 此时UA已高于UB 晶闸管VT2承受反向电压关断 而应该关断的VT1仍承受正向电压继续导通 电动势顺向串联 逆变失败 3 2 4有源逆变最小逆变角的限制 第三章 逆变电路 3 2有源逆变电路 为了防止逆变失败 逆变角 必须限制在某一允许的最小角度内 最小逆变角 min为 30 50 为了可靠防止 进入 min区内 常在触发电路中加一套保护线路 以保证控制脉冲不会进入 min区域内 防止逆变失败 第三章 逆变电路 3 3无源逆变电路 无源逆变是将直流电转换为负载所需要的不同频率和电压值的交流电 无源逆变技术在科研 国防 生产和生活中应用广泛 如感应加热 功率超声应用 电火花加工 列车照明 脉冲电镀电源 不间断电源 高频直流焊机 交流传动的变频调速 高频电子镇流器 快速充电等等 实现无源逆变的电路称为无源逆变器 第三章 逆变电路 3 3无源逆变电路 3 3 1无源逆变电路的工作原理 图3 9a为单相桥式逆变电路示意图 图中S1 S4构成桥式电路的四个桥臂 它们由电力电子器件组成 U为直流电源 R是电阻性负载 当从频率f交臂切换开关S1 S4和S2 S3时 在电阻R上可得到如图3 9b所示的交变电压波形 其周期T 1 f 这样就将直流电变换成了交流电U0 改变两组开关的切换频率 就可改变输出交流电U0的频率 改变输入直流电源电压的大小 可改变交流电的幅值 第三章 逆变电路 3 3无源逆变电路 3 3 1无源逆变电路的工作原理 第三章 逆变电路 3 3无源逆变电路 3 3 2无源逆变电路的分类 逆变器基本上分为单相与三相两大类 单相逆变器适应中小功率 三相逆变器适用于中大功率 按特点进行分类 按输入直流电源特点分类 1 电压型 输入直流电源为恒压源 2 电流型 输入直流电源为恒流源 按电路的结构特点分类 1 半桥式逆变电路 2 全桥式逆变电路 3 推挽式逆变电路按所用器件的换流方式分类 1 负载换流型逆变电路 2 脉冲换流逆变电路 3 自换流型逆变电路按输出波形特点分类 1 正弦波逆变器 2 方波及其它非正弦波逆变器 第三章 逆变电路 3 3无源逆变电路 3 3 2无源逆变电路的分类 第三章 逆变电路 3 4负载换流式逆变电路 在晶闸管逆变电路中 采用负载换流方式时 要求负载电流略超前于负载电压 即负载略呈容性 本节主要介绍两种负载换流式逆变电路 串联式谐振逆变电路和并联式谐振逆变电路 谐振式逆变电路是指当负载与电容构成RLC电路且满足谐振条件时的逆变电路 谐振式逆变电路有电压型串联式谐振和电流型并联式谐振两种 串联式谐振逆变电路 其输出电压为方波 负载电流波形接近正弦波 并联式谐振逆变电路输出电压接近正弦波 负载电流波形为方波 第三章 逆变电路 3 4负载换流式逆变电路 3 4 1串联式谐振逆变电路 1 电路结构 第三章 逆变电路 3 4负载换流式逆变电路 3 4 1串联式谐振逆变电路 2 工作原理 串联式谐振逆变电路电流 电压的主要波形如图3 11所示 因为是电压型逆变电路 其输出电压为方波 其中包含基波和各次谐波 工作时 将逆变频率调谐在负载谐振频率附近 负载对基波电压呈现低阻抗 对谐波分量呈现高阻抗 负载流过较大的基波电流 而高次谐波电流可忽略不计 即负载端可获得正弦的输出电流 第三章 逆变电路 3 4负载换流式逆变电路 3 4 2并联谐振式逆变电路 图3 12为并联谐振式逆变电路的原理图 其直流电源Vc由工频交流电源经三相可控整流获得 经过大电感Ld滤波 通过并联逆变电路将直流电逆变为中频交流供给负载 属于电流型逆变电路 逆变电路有四个桥臂 桥臂分别由一个快速晶闸管和换流电抗器串联组成 1 电路结构 第三章 逆变电路 3 4负载换流式逆变电路 3 4 2并联谐振式逆变电路 2 工作原理 第三章 逆变电路 3 4负载换流式逆变电路 3 4 2并联谐振式逆变电路 2 工作原理 因并联谐振式逆变电路属电流型 当逆变桥中上下臂 晶闸管以一定频率交替触发导通时 在负载上产生交变矩形波电流 其中包含基波和各奇次谐波 工作时 晶闸管交替触发的频率与负载回路的谐振频率相接近 负载电路工作在谐振状态 故负载对基波呈现高阻抗 而对各奇次谐波呈现低阻抗 第三章 逆变电路 3 4负载换流式逆变电路 3 4 2并联谐振式逆变电路 2 工作原理 为了保证电路可靠换流 必须在输出电压u0过零前tf时刻触发VT2 VT3 称Tf为触发引前时间 tf tr Ktq式中 K为大于1的安全系数 一般取2 3 负载的功率因数角Q由负载电流i0与负载电压u0来决定 tr 2 t 式中 为电路的工作频率 第三章 逆变电路 3 5电压型逆变电路 3 5 1单相半桥逆变电路 直流侧电源是电压源的逆变电路为电压型逆变电路 电压型逆变电路在交流传动 不间断电源 有源无功补偿等领域占主导地位 半桥逆变电路有两个桥臂 每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成 直流侧两个相互串联大电容的中点作为直流电源的中点 负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间 第三章 逆变电路 3 5电压型逆变电路 3 5 1单相半桥逆变电路 当VT1或VT2导通时 负载电流和电压同方向 直流侧向负载提供电能 当VD1或VD2导通时 负载电流和电压反方向 负载中电感的能量向直流侧反馈 反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中 电容器起缓冲这种无功能量的作用 为了防止上 下桥臂的可控器件同时导通引起直流侧电源的短路 要先给应关断的器件关断信号 然后再给应导通的器件发出开通信号 就是在两者之间留一个死区时间 第三章 逆变电路 3 5电压型逆变电路 3 5 1单相半桥逆变电路 第三章 逆变电路 3 5电压型逆变电路 3 5 2单相全桥逆变电路 电路共有四个桥臂 桥臂VT1和VT4作为一组 桥臂VT2和VT3作为另一组 同一组的两桥臂同时导通与关断 两组桥臂交替各导通180 U01 2 2Ud 0 9Ud 3 8 第三章 逆变电路 3 5电压型逆变电路 3 5 2单相全桥逆变电路 单相全桥逆变电路输出电压基波分量的幅值U01m和有效值U1分别为 U01m 4Ud 1 27Ud 3 7 第三章 逆变电路 3 5电压型逆变电路 3 5 3三相桥式逆变电路 电路由三个半桥电路组成 电容器在实际中可用一个 但为了分析方便画成两个 并有一个假想的中性点N 由于输入端施加的是直流电压源 电力晶体管VT1 VT6始终保持正向偏置 VD1 VD6是与VT1 VT6反并联的二极管 其作用是为感性负载提供续流回路 同一半桥 上下两个桥臂以180 间隔交替开通和关断 VT1 VT6以60 的相位差依次开通和关断 所在任一瞬间将有三个桥臂同时导通 在逆变器输出端形成A B C三相电压 第三章 逆变电路 3 5电压型逆变电路 3 5 3三相桥式逆变电路 第三章 逆变电路 3 5电压型逆变电路 3 5 3三相桥式逆变电路 设N与N 连接 负载为星形连接 在0 t 3之间 VT1 VT5和VT6导通 负载电流经VT1和VT5被送到A相和C相绕组 经b相负载和VT6流回电源 在 t 3时刻 VT5的触发脉冲下降到零 VT5迅速关断 由于感性负载电流不能立即改变方向 VD2导通续流 C相负载失压为零电位 其他两相电流通路不变 当VD2中续流结束时 C相电流反向经VT2流回电源 UAN1 UAN1m 0 45Ud 3 12 第三章 逆变电路 3 5电压型逆变电路 3 5 3三相桥式逆变电路 假设负载为阻性负载且三相负载对称 在0 t 3之间 VT1 VT5和VT6导通 逆变桥的等效电路如图3 20所示 由图可知 A相和C相负载上电压为Ud 3 B相负载上电压为2Ud 3 同理 在 3 t 2 3 之间 A相负载上电压为2 3Ud B相和C相负载上电压为1 3Ud 在2 3 t 之间 A相和B相负载电压为1 3Ud C相负载上电压为2 3Ud A相电压UAN波形如图3 21所示 B相和C相电压波形与UAN相似 只是相位依次相差120 第三章 逆变电路 3 5电压型逆变电路 3 5 3三相桥式逆变电路 第三章 逆变电路 3 5电压型逆变电路 3 5 3三相桥式逆变电路 为了防止同一相上下桥臂同时导通造成直流侧电源短路 在换流时 必须采取 先断后通 的方法 第三章 逆变电路 3 5电压型逆变电路 3 5 3三相桥式逆变电路 第三章 逆变电路 3 5电压型逆变电路 3 5 4电压型逆变电路的特点 电压型逆变电路主要有以下特点 1 由于直流电压源的恒压作用 交流侧电压为矩形波 并且与负载阻抗角无关 而交流侧输出的电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同 2 当交流侧为电感性负载时 逆变桥臂都并联有反馈二极管 为电感向直流侧反馈能量提供通路 3 直流侧为电压源 直流回路呈现低阻抗 第三章 逆变电路 3 6电流型逆变电路 直流侧为电流源的逆变电路为电流型逆变电路 3 6 1电流型单相桥式逆变电路 第三章 逆变电路 3 6电流型逆变电路 3 6 1电流型单相桥式逆变电路 当V1 V4导通 V2 V3关断时 I0 Id 当V2 V3导通时 V1 V4关断时 I0 Id 当图中V1 V4和V2 V3以频率f轮流导通时 在负载即可得到如图3 22 b 所示的电流波形 因是电流型逆变电路 所以输出电流的波形不变 接近于矩形波 而输出电压波形由负载性质决定 电路中串接二极管 防止电流反向流动 负载电流i0为矩形波 展开成傅里叶级数 有i0 4Id sin t 1 3sin3 t 1 5sin5 t 其中基波分量 的有效值为 的幅值为 I01m 4Id 1 27Id 3 13 基波分量的有效值为 I01 4Id 0 9Id 3 14 第三章 逆变电路 3 6电流型逆变电路 3 6 1电流型单相桥式逆变电路 第三章 逆变电路 3 6电流型逆变电路 3