第逆变电路学习教案

1、会计学1第逆变第逆变(n bin)电路电路第一页，共23页。2/47第1页/共23页第二页，共23页。3/47以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 S1S4是桥式电路的是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助个臂，由电力电子器件及辅助(fzh)电路组成。电路组成。 负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2 当开关当开关S1、S4闭合，闭合，S2、S3断开时，负载电压断开时，负载电压uo为正；当开关为正；当开关S1、S4断开，断开，S2、S3闭合时，闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。为负，这样就把直流电变成了交流电。

2、改变改变(gibin)两组开关的切换频率，即可改变两组开关的切换频率，即可改变(gibin)输出交流电的频率。输出交流电的频率。 电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流io和和uo的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，阻感负载时，io相位滞后于相位滞后于uo，波形也不同。，波形也不同。图图4-1 逆变电路及其波形举例逆变电路及其波形举例 第2页/共23页第三页，共23页。4/47第3页/共23页第四页，共23页。5/47a)u t t t tOOOOiit1b)ouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4图图4-2 负载换流电路及其工作负载换流

3、电路及其工作(gngzu)波波形形 负载换流（负载换流（Load Commutation） 由负载提供换流电压的换流方式。由负载提供换流电压的换流方式。 负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流，如电容性负载和同步电动机。现负载换流，如电容性负载和同步电动机。 图图4-2a是基本的负载换流逆变电路，整个负载工作是基本的负载换流逆变电路，整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性，直流侧串大电感，在接近并联谐振状态而略呈容性，直流侧串大电感，工作过程可认为工作过程可认为(rnwi)id基本没有脉动。基本没有脉动。 负载对基波的阻抗大而对谐波的阻

4、抗小，所以负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以uo接近正弦波。接近正弦波。 注意触发注意触发VT2、VT3的时刻的时刻t1必须在必须在uo过零前并过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。第4页/共23页第五页，共23页。6/47强迫换流强迫换流(hun li)（Forced Commutation） 设置附加的换流设置附加的换流(hun li)电路，给欲关断的晶电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流闸管强迫施加反压或反电流的换流(hun li)方式称方式称为强迫换流为强迫换流(hun li)。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因通常利

5、用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流此也称为电容换流(hun li)。 分类分类 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流(hun li)：由换流：由换流(hun li)电路内电容直接提供换流电路内电容直接提供换流(hun li)电压。电压。 电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流(hun li)：通过换流：通过换流(hun li)电路内的电容和电感的耦合来提供换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流(hun li)电压或换流电压或换流(hun li)电流。电流。 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流(hun li) 如图如图4-3，当晶闸管，当晶闸管VT处于通态时，预先给电处于通态时，

6、预先给电容充电。当容充电。当S合上，就可使合上，就可使VT被施加反压而关断。被施加反压而关断。 也叫电压换流也叫电压换流(hun li)。 图图4-3 直接耦合式强直接耦合式强迫迫(qing p)换流原换流原理图理图 第5页/共23页第六页，共23页。7/47电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流 图图4-4a中晶闸管在中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断，图振荡第一个半周期内关断，图4-4b中晶闸管在中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断，振荡第二个半周期内关断，注意两图中电容注意两图中电容(dinrng)所充的电压极性不同。所充的电压极性不同。 在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极

7、管开始流过电流时关断，二极管上的管在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。压降就是加在晶闸管上的反向电压。 也叫电流换流。也叫电流换流。图图4-4 电感电感(din n)耦合式强迫换流原理耦合式强迫换流原理图图 换流方式总结换流方式总结 器件换流器件换流只适用于只适用于全控型器件全控型器件，其余三种方式主要是针对，其余三种方式主要是针对晶闸管晶闸管而言的。而言的。 器件换流和强迫换流属于器件换流和强迫换流属于自换流自换流，电网换流和负载换流属于，电网换流和负载换流属于外部换流外部换流。 当电流不是从一个支路向另一个支路转

8、移，而是在支路内部终止流通而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，则称为变为零，则称为熄灭熄灭。 第6页/共23页第七页，共23页。8/47第7页/共23页第八页，共23页。9/47图图4-11 电流型三相电流型三相(sn xin)桥式逆变电路桥式逆变电路 第8页/共23页第九页，共23页。10/47电路分析电路分析 由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个管各串联一个(y )电抗器，用来限制晶电抗器，用来限制晶闸管开通时的闸管开通时的di/dt。 采用负载换相方式工作的，要求负采用负载换相方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压

9、，即负载略呈载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。容性。 电容电容C和和L 、R构成并联谐振电路。构成并联谐振电路。 输出电流波形接近矩形波，含基波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。和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。图图4-12 单相桥式电流型（并联谐振单相桥式电流型（并联谐振(xizhn)式）逆变电路式）逆变电路 第9页/共23页第十页，共23页。11/47工作波形分析工作波形分析 在交流电流的一个周期在交流电流的一个周期(zhuq)内，有两个稳定导通阶段和两个换内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。流阶段。 t1t2：VT1和和VT4稳定导通阶稳定导通阶

10、段，段，io=Id，t2时刻前在时刻前在C上建立了上建立了左正右负的电压。左正右负的电压。 在在t2时刻触发时刻触发VT2和和VT3开通，开通，开始进入换流阶段。开始进入换流阶段。 由于换流电抗器由于换流电抗器LT的作用，的作用， VT1 和和VT4不能立刻关断，其电流不能立刻关断，其电流有一个减小过程，有一个减小过程，VT2和和VT3的电的电流也有一个增大过程。流也有一个增大过程。 图图4-13 并联谐振并联谐振(xizhn)式逆变电路工作式逆变电路工作波形波形 第10页/共23页第十一页，共23页。12/47图图4-13 并联谐振式逆变电路工作并联谐振式逆变电路工作(gngzu)波形波形

11、第11页/共23页第十二页，共23页。13/47t图图4-13 并联谐振并联谐振(xizhn)式逆变电路工作波形式逆变电路工作波形 晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，t4时刻时刻(shk)换流结束后还要使换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间承受一段反压时间t，t= t5- t4应大于晶闸应大于晶闸管的关断时间管的关断时间tq。为保证可靠换流应在为保证可靠换流应在uo过零前过零前t = t5- t2时刻时刻(shk)触发触发VT2、VT3，t为触发引前为触发引前时间时间 tttio超前于超前于uo的时间的时间 （负载的功率因数角负载的功率因数角

12、） ttt2把把t 表示为电角度表示为电角度 （弧度）可得（弧度）可得22tt(4-16)(4-17)(4-18)第12页/共23页第十三页，共23页。14/47基本的数量基本的数量(shling)关系关系 io展开成傅里叶级数可得展开成傅里叶级数可得 tttIi5sin513sin31sin4do负载负载(fzi)电压有效值电压有效值Uo和直流电压和直流电压Ud的关系的关系 其基波电流有效值其基波电流有效值Io1为为 dd1o9 .024III2cos)2cos(22cos)cos(2dsin21d1oo)(o)(dUUttUtuUAB(4-19)(4-20)第13页/共23页第十四页，共2

13、3页。15/47一般一般(ybn)情况下情况下值较小，可近似认为值较小，可近似认为cos(/2)1，再考虑到式，再考虑到式(4-18)可得可得 cos22odUU或或cos11. 1cos22ddoUUU实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式动调整，这种控制方式(fngsh)称为自励方式称为自励方式(fngsh)。 固定工作频率的控制方式固定工作频率的控制方式(fngsh)称为他励方式称为他励方式(fngsh)。 自励方式自励方式(fngsh)存在起动问题，解决方法：存

14、在起动问题，解决方法： 先用他励方式先用他励方式(fngsh)，系统开始工作后再转入自励方式，系统开始工作后再转入自励方式(fngsh)。 附加预充电起动电路。附加预充电起动电路。(4-21)第14页/共23页第十五页，共23页。16/47tOtOtOtOIdiViWuUVU图5-14 电流型三相桥式逆变电路的输出波形 图5-11 电流型三相桥式逆变电路电路分析电路分析 基本工作方式是基本工作方式是120导电方式，每个臂一周期导电方式，每个臂一周期内导电内导电120，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通。通。 换流换流(hun li)方式为横向换流方式为横向换流(h

15、un li)。波形分析波形分析 输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各120的矩形波。的矩形波。 输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。电流波形相同，谐波分析表达式也相同。 输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波，但叠加了一些脉冲。波，但叠加了一些脉冲。 输出交流电流的基波有效值输出交流电流的基波有效值IU1和直流电流和直流电流Id的的关系为关系为 dd1U78. 06III(4-22)第15页/共23页第十六页，共23页。17/47图

16、图4-15 串联串联(chunlin)二极管式二极管式晶闸管逆变电路晶闸管逆变电路 串联二极管式晶闸管逆变电路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。主要用于中大功率交流电动机调速系统。 电路分析电路分析 是电流型三相桥式逆变电路，各桥臂是电流型三相桥式逆变电路，各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。的晶闸管和二极管串联使用。 120导电工作方式导电工作方式(fngsh)，输出波，输出波形和图形和图4-14的波形大体相同。的波形大体相同。 采用强迫换流方式采用强迫换流方式(fngsh)，电容，电容C1C6为换流电容。为换流电容。 换流过程分析换流过程分析 电容器所充电压的规律

17、：对于共阳极电容器所充电压的规律：对于共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，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另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零，共阴极的情况与此类似，只是电电压为零，共阴极的情况与此类似，只是电压极性相反。压极性相反。第16页/共23页第十七页，共23页。18/47- +UVW+ -UVWa)+ -UVWb)- +UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiV

18、iViU=Id-iV等效换流等效换流(hun li)电容概念：图电容概念：图4-16中的换流中的换流(hun li)电容电容C13就是图就是图4-14中的中的C3与与C5串联后再与串联后再与C1并联的等效电容。并联的等效电容。分析从分析从VT1向向VT3换流换流(hun li)的过程的过程 假设换流假设换流(hun li)前前VT1和和VT2通，通，C13电压电压UC0左正右负。左正右负。 换流换流(hun li)阶段分为恒流放电和二极管换流阶段分为恒流放电和二极管换流(hun li)两个阶段。两个阶段。 t1时刻触发时刻触发VT3导通，导通，VT1被施以反压而关断，被施以反压而关断，Id从从

19、VT1换到换到VT3，C13通过通过VD1、U相负载、相负载、W相负载、相负载、VD2、VT2、直流电源和、直流电源和VT3放电，放电放电，放电电流恒为电流恒为Id，故称恒流放电阶段，如图，故称恒流放电阶段，如图416b。图图4-16 换流换流(hun li)过程各阶段的电流路过程各阶段的电流路径径 第17页/共23页第十八页，共23页。19/47- +UVW+ -UVWa)+ -UVWb)- +UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Idi

20、ViViU=Id-iV图图4-16 换流过程换流过程(guchng)各阶段的电流路径各阶段的电流路径 uC13下降下降(xijing)到零之前，到零之前，VT1承受反压，反压时间大于承受反压，反压时间大于tq就能保证可靠关断。就能保证可靠关断。t2时刻时刻uC13降到零，之后降到零，之后C13反向充电，忽略负载电阻压降，则二极管反向充电，忽略负载电阻压降，则二极管VD3导通，导通，电流为电流为iV，VD1电流为电流为iU=Id-iV，VD1和和VD3同时导通，进入二极管换流阶段。同时导通，进入二极管换流阶段。随着随着C13电压增高，充电电流渐小，电压增高，充电电流渐小，iV渐大，渐大，t3时刻时刻iU减到零，减到零，iV=Id，VD1承受承受反压而关断，二极管换流阶段结束。反压而