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第4章 无源逆变电路 4 1逆变器的性能指标与分类4 2逆变电路的工作原理4 3电压型逆变电路4 4电流型逆变电路4 5负载换流式逆变电路 4 1逆变器的性能指标与分类 1 定义 将逆变电路的交流侧接到交流电网上 把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去 2 应用 直流电机的可逆调速 绕线型异步电机的串级调速 高压直流输电和太阳能发电等方面 1 定义 逆变器的交流侧不与电网联接 而是直接接到负载 即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载2 应用 它在交流电机变频调速 感应加热 不停电电源等方面应用十分广泛 是构成电力电子技术的重要内容 1 有源逆变 2 无源逆变 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系 n 60f 1 s p 式中n f s p分别表示转速 输入频率 电机转差率 电机磁极对数 一 高频感应加热的原理感应加热是利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流 涡流损耗 以及导体内磁场的作用 磁滞损耗引起导体自身发热而进行加热的 二 感应加热系统的构成感应加热系统由高频电源 高频发生器 导线 变压器 感应器组成 其工作步骤是 由高频电源把普通电源 220v 50hz 变成高压高频低电流输出 其频率的高低根据加热对象而定 就其包材而言 一般频率应在480khz左右 通过变压器把高压 高频低电流变成低压高频大电流 感应器通过低压高频大电流后在感应器周围形成较强的高频磁场 一般电流越大 磁场强度越高 ups uninterruptiblepowersystem uninterruptiblepowersupply 即不间断电源 是将蓄电池 多为铅酸免维护蓄电池 与主机相连接 通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备 主要用于给单台计算机 计算机网络系统或其它电力电子设备提供稳定 不间断的电力供应 当市电输入正常时 ups将市电稳压后供应给负载使用 此时的ups就是一台交流市电稳压器 同时它还向机内电池充电 当市电中断 事故停电 时 ups立即将电池的直流电能 通过逆变零切换转换的方法向负载继续供应220v交流电 使负载维持正常工作并保护负载软 硬件不受损坏 ups设备通常对电压过大和电压太低都提供保护 4 1 1逆变器的性能指标 1 谐波系数hf 谐波分量有效值同基波分量有致值之比 2 总谐波系数 总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度 5 电磁干扰 emi 和电磁兼容性 emc 3 逆变效率 4 单位重量的输出功率 衡量逆变器输出率密度的指标 4 1 2逆变电路的分类 电压型 输人端并接有大电容 输入直流电源为恒压源 逆变器将直流电压变换成交流电压 电流型 输入端串接有大电感 输入直流电源为恒流源 逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出 1 根据输入直流电源特点分类 半桥式逆变电路 全桥式逆变电路 推换式逆变电路 其他形式 如单管晶体管逆变电路 2 根据电路的结构特点分类 4 1 2逆变电路的分类 3 根据换流方式分类 4 根据负载特点分类 非谐振式逆变电路 谐振式逆变电路 负载换流型逆变电路 脉冲换流型逆变电路 自换流型逆变电路 4 1 3逆变电路用途 1 可以做成变频变压电源 vvvf 主要用于交流电动机调速 2 可以做成恒频恒压电源 cvcf 其典型代表为不间断电源 ups 航空机载电源 机车照明 通信等辅助电源也要用cvcf电源 3 可以做成感应加热电源 例如中频电源 高频电源等 逆变器的用途十分广泛 4 2逆变电路的工作原理 开关t1 t4闭合 t2 t3断开 u0 ud 开关t1 t4断开 t2 t3闭合 u0 ud 当以频率fs交替切换开关t1 t4和t2 t3时 则在电阻r上获得如图4 2 4 b 所示的交变电压波形 其周期ts 1 fs 这样 就将直流电压e变成了交流电压uo uo含有各次谐波 如果想得到正弦波电压 则可通过滤波器滤波获得 图4 2 1单相桥式逆变电路工作原理 1 主要功能 图4 2 1 a 中主电路开关t1 t4 它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型 逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管 可关断晶闸管 gto 功率晶体管 gtr 功率场效应晶体管 mosfet 绝缘栅晶体管 igbt 将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载 2 工作原理 它由两个导电臂构成 每个导电臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成 在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容c1和c2 且满足c1 c2 设感性负载连接在a 0两点间 t1和t2之间存在死区时间 以避免上 下直通 在死区时间内两晶闸管均无驱动信号 1 电压型逆变电路半桥逆变电路结构及波形 4 3 1电压型单相半桥逆变电路 4 3电压型逆变电路 输出电压有效值为 由傅里叶分析 输出电压瞬时值为 其中 为输出电压角频率 当n 1时其基波分量的有效值为 4 3 1 4 3 2 4 3 3 在一个周期内 电力晶体管t1和t2的基极信号各有半周正偏 半周反偏 且互补 若负载为阻感负载 设t2时刻以前 t1有驱动信号导通 t2截止 则u0 ud 2 t2时刻关断的t1 同时给t2发出导通信号 由于感性负载中的电流i 不能立即改变方向 于是d2导通续流 u0 ud 2 t3时刻i 降至零 d2截止 t2导通 i 开始反向增大 此时仍然有u0 ud 2 在t4时刻关断t2 同时给t1发出导通信号 由于感性负载中的电流i 不能立即改变方向 d1先导通续流 此时仍然有u0 ud 2 t5时刻i 降至零 t1导通 u0 ud 2 图4 3 1电压型半桥逆变电路及其电压电流波形 2 工作原理 缓冲电感反馈的无功能量 缺点 1 交流电压幅值仅为ud 2 2 直流侧需分压电容器 3 为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接lc滤波器 输出滤波器lc滤除逆变器输出电压中的高次谐波 优点 简单 使用器件少 应用 用于几kw以下的小功率逆变电源 4 3 2电压型单相全桥逆变电路 全控型开关器件t1和t4构成一对桥臂 t2和t3构成一对桥臂 t1和t4同时通 断 t2和t3同时通 断 t1 t 4与t2 t3 的驱动信号互补 即t1和t4有驱动信号时 t2和t3无驱动信号 反之亦然 两对桥臂各交替导通180 1 电路工作过程 输出方波电压瞬时值 输出方波电压有效值 基波分量的有效值 图4 3 2电压型单相全桥逆变电路和电压 电流波形图 4 3 6 4 3 4 4 3 5 同单相半桥逆变电路相比 在相同负载的情况下 其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍 1 纯电阻负载时 0 t ts 4 ts2 t 3ts 4期间 d1 d4导通起负载电流续流作用 在此期间t1 t4均不导通 图4 3 2电压型单相全桥逆变电路和电压 电流波形图 2 电感负载时 由 可得负载电流峰值为 4 3 7 0 t期间 t1和t4有驱动信号 由于电流i0为负值 t1和t4不导通 d1 d4导通起负载电流续流作用 u0 ud t 期间 i0为正值 t1和t4才导通 t 期间 t2和t3有驱动信号 由于电流i0为负值 t2 t3不导通 d2 d3导通起负载电流续流作用 u0 ud t 2 期间 t2和t3才导通 3 阻感负载rl时 图4 3 2电压型单相全桥逆变电路和电压 电流波形图 图4 3 2 e 所示是rl负载时直流电源输入电流的波形 图4 3 2 f 所示是rl负载时直流电源输入电流的波形 4 3 3电压型三相桥式逆变电路 电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为180 导电型 即每个桥臂的导电角为180 同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式 各相开始导电的时间依次相差120 在一个周期内 6个开关管触发导通的次序为t1 t2 t3 t4 t5 t6 依次相隔60 任一时刻均有三个管子同时导通 导通的组合顺序为t1t2t3 t2t3t4 t3t4t5 t4t5t6 t5t6t1 t6t1t2 每种组合工作60 图4 3 3电压型三相桥式逆变电路 1 工作过程 将一个工作周期分成6个区域 在00 ug2 0 ug3 0 则有t1 t2 t3导通 2 各相负载相电压和线电压波形 根据同样的思路可得其余5个时域的值 线电压 相电压 图4 3 4电压型三相桥式逆变电路及其工作波形 式中ud为逆变器输入直流电压 3 负载相电压和线电压幅值分析 利用博里叶分析 其相电压的瞬时值为 相电压基波幅值 4 3 8 4 3 9 由上式可知 负载相电压中无3次谐波 只含更高阶奇次谐波 n次谐波幅值为基波幅值的1 n 其线电压的瞬时值为 线电压基波幅值 4 3 11 4 3 10 由上式可知 负载线电压中无3次谐波 只含更高阶奇次谐波 n次谐波幅值为基波幅值的1 n 表4 3 1三相桥式逆变电路的工作状态表 4 4 1电流型单相桥式逆变电路 当t1 t4导通 t2 t3关断时 i0 id 反之 i0 id 当以频率f交替切换开关管t1 t4和t2 t3时 则在负载上获得如图4 4 1 b 所示的电流波形 输出电流波形为矩形波 与电路负载性质无关 而输出电压波形由负载性质决定 主电路开关管采用自关断器件时 如果其反向不能承受高电压 则需在各开关器件支路串入二极管 图4 4 1电流型单相桥式逆变电路及电流波形 1 电路工作过程 防反相高压 恒流大电感 4 4电流型逆变电路 其中基波幅值i01m和基波有效值i01分别为 4 4 1 4 4 2 4 4 3 将图4 4 1 b 所示的电流波形i0展开成傅氏级数 有 2 电流波形参数计算 图4 4 1电流型单相桥式逆变电路及电流波形 导电方式为120 导通 横向换流方式 任意瞬间只有两个桥臂导通 导通顺序为1 t2 t3 t4 t5 t6 依次间隔60 每个桥臂导通120 这样 每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通 输出电流波形与负载性质无关 输出电压波形由负载的性质决定 图4 4 3电流型三相桥式逆变电路原理图及输出电流波形 4 4 4 1 工作方式 输出电流的基波有效值i01和直流电流id的关系式为 4 5负载换流式逆变电路 4 5 1并联谐振式逆变电路1 电路结构2 工作原理3 电路参数计算4 5 2串联谐振式逆变电路1 电路结构2 工作原理 4 5 1并联谐振式逆变电路 负载为中频电炉 实际上是一个感应线圈 图中l和r串联为其等效电路 因为负载功率因数很低 故并联补偿电容器c 电容c和电感l 电阻r构成并联谐振电路 所以称这种电路为并联谐振式逆变电路 本电路采用负载换流 即要求负载电流超前电压 因此 补偿电容应使负载过补偿 使负载电路工作在容性小失谐情况下 图4 6 1并联谐振式逆变电路的原理图 电路结构 小电感 限制晶闸管电流上升率 大滤波电感 并联谐振式逆变电路属电流型 故其交流输出电流波形接近矩形波 其中包含基波和各次谐波 工作时晶闸管交替触发的频率应接近负载电路谐振频率 故负载对基波呈现高阻抗 而对谐波呈现低阻抗 谐波在负载电路上几乎不产生压降 因此 负载电压波形为正弦波 又因基波频率稍大于负载谐振频率 负载电路呈容性 io超前电压uo一定角度 达到自动换流关断晶闸管的目的 图4 6 3并联谐振式逆变电路原理图及其工作波形 工作原理 1 4管子关断了没有电流了 为啥负载的电压在t4处还是正值呢 图4 6 2并联谐振式逆变电路换流的工作过程 逆变电路换流的工作过程 t2时刻触发t2 t3 电路开始换流 由于t2 t3导通时 负载两端电压施加到t1 t4的两端 使t1 t4承受负压关断 由于每个晶闸管都串有换相电抗器lt 故t1和t4在t2时刻不能立刻关断 t2 t3中的电流也不能立刻增大到稳定值 在换流期间 四个晶闸管都导通 由于时间短和大电感ld的恒流作用 电源不会短路 当t t4时刻 t1 t4电流减至零而关断 直流侧电流id全部从t1 t4转移到t2 t3 换流过程结束 t4 t2 tr称为换流时间 t1 t4中的电流下降到零以后 还需一段时间后才能恢复正向阻断能力 因此换流结束以后 还要使t1 t4承受一段反压时间t 才能保证可靠关断 t t5 t4应大于晶闸管关断时间tq 图4 6 3并联谐振式逆变电路原理图及其工作波形 为了保证电路可靠换流 必须在输出电压u0过零前t 时刻触发t2 t3 称t 为触发引前时间 为了安全起见 必须使式中k为大于1的安全系数 一般取为2 3 负载的功率因数角 由负载电流与电压的相位差决定 从图3 6 3可知 其中 为电路的工作频率 图4 6 3并联谐振式逆变工作波形 4 6 2 4 6 1 如果忽略换流过程 i0为矩形波 展开成傅氏级数得 4 6 4 4 6 5 4 6 7 其基波电流有效值 逆变电路的输入功率pi为 逆变电路的输出功率po为 因为po pi 于是可求得 负载电压有效值u0和直流电压ud的关系 负载电流i0和直流侧电流id的关系 4 6 3 4 6 6 其直流侧采用不可控整流电路和大电容滤波 从而构成电压型逆变电路 电路为了续流 设置了反并联二极管d1 d4 补偿电容c和负载电感线圈构成串联谐振电路 为了实现负载换流 要求补偿以后的总负载呈容性 图4 6 4串联谐振式逆变电路 1 电路结构 4 5 2串联谐振式逆变电路 图4 5 5串联谐振