电力电子技术课件04.ppt

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 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4 3电流型逆变电路 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 S1 S4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 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 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4 6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 t1 t2电源电压经V1对负载供电 电流指数规律上升 负载电压为1 2ud 2 t2 t3电感经VD2续流 电流指数规律下降 负载电压为 1 2ud 3 t3 t4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 t4 t4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 arctan L 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4 6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 0 180 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 2三相电压型逆变电路 0 45 200 90 V 0 637 200 127 4 V 1 1 200 220 V 0 78 200 156 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4 12单相桥式电流型 并联谐振式 逆变电路 1 电路原理 返回 4 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 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C1 C6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 电