基于能量流向法判定整流工作状态和逆变工作状态

教案编写：肖强晖廖无限

授课教师：廖无限电气工程系电气工程教研室

现代电力电子技术ModernPowerElectronics基于能量流向法判定整流工作状态和逆变工作状态

重点和难点1、能量流向法基本原理2、用能量流向法判定——单相PWM整流和逆变的工作过程

3、用能量流向法判定——相控整流和逆变的工作过程基于能量流向法

判定整流工作状态和逆变工作状态

1、基本原理2、单相PWM整流和逆变的工作过程

3、相控整流和逆变的工作过程基本原理交流电源发出和吸收能量的判定原则

交流电源发出能量(p=ui>0)分两种情况

交流电源吸收能量(p=ui<0)分两种情况

能量流向与整流和逆变工作状态的关系

1.交流电源发出和吸收能量的判定原则1.p=ui>0交流电源发出能量2.p=ui<0交流电源吸收能量

1.交流电源发出和吸收能量的判定原则为了便于说明，讲述内容做以下假设：一个电力电子变换装置，如果假设交流电源侧等效为UA，直流电源侧为UB，其负载等效为Z，在这里忽略了电源内阻。基本原理交流电源发出和吸收能量的判定原则

交流电源发出能量(p=ui>0)分两种情况

交流电源吸收能量(p=ui<0)分两种情况

能量流向与整流和逆变工作状态的关系

2.交流电源发出能量(p=ui>0)分两种情况A)u>0,i>0

B)u<0,i<0基本原理交流电源发出和吸收能量的判定原则

交流电源发出能量(p=ui>0)分两种情况

交流电源吸收能量(p=ui<0)分两种情况

能量流向与整流和逆变工作状态的关系

3.交流电源吸收能量(p=ui<0)分两种情况A)u>0,i<0B)u<0,i>0基本原理交流电源发出和吸收能量的判定原则

交流电源发出能量(p=ui>0)分两种情况

交流电源吸收能量(p=ui<0)分两种情况

能量流向与整流和逆变工作状态的关系

能量流向与整流和逆变工作状态的关系A）p=ui>0→

交流电源发出能量→工作在→

整流状态

能量流向与整流和逆变工作状态的关系B）p=ui<0→

交流电源吸收能量→工作在

→

逆变状态

基于能量流向法

判定整流工作状态和逆变工作状态

1、基本原理2、单相PWM整流和逆变的工作过程3、相控整流和逆变的工作过程PWM控制的基本原理PWM控制的基本原理2.单相PWM整流和逆变的工作过程

2.1单相PWM整流的工作过程2.2单相PWM逆变的工作过程

2.1单相PWM整流的工作过程

单相PWM整流电路图

2.1单相PWM整流的工作过程1、首先进行能量流向法基本分析：

整流状态→交流电源侧发出能量到直流侧→

p=ui>0

分两种情况：

A)u>0,i>0→

p=ui>0→交流电源工作在正半轴

B)u<0,i<0→

p=ui>0→交流电源工作在负半轴

（参见下图所示两种情形）

2.1单相PWM整流的工作过程2.1单相PWM整流的工作过程2、u>0,i>0时整流工作过程分析

交流电源工作在正半轴

T1、T4不工作：截止状态

T2、T3工作：导通或截止状态

所以这时可分两种情形：

2.1单相PWM整流的工作过程1）当T2、T3闭合时，参见下图的所示的能量流方向：

它们有两条导通路径，如红虚线和蓝虚线如示。2.1单相PWM整流的工作过程第一条路径如下图所示：2.1单相PWM整流的工作过程第二条路径如下图所示：

2.1单相PWM整流的工作过程2）当T2、T3断开时，参见下图所示的能量流方向：

注意：此时电感两端极性发生了突变！

2.1单相PWM整流的工作过程如果忽略二极管D上的压降，则等效图是：可以看出，此时的能量还是向直流侧流，不过是一个升压斩波过程。只有在T2和T3管关闭时才有能量输出到负载。2.1单相PWM整流的工作过程小结：由T2、D1、Ls和T3、D4、Ls分别组成两个升压斩波（Boost）电路。以第一个Boost电路为例，当T2导通时，电源us通过T2、D4向Ls中储能，当T2关断时，Ls中储存的能量通过D1、D4向直流侧电容充电。2.1单相PWM整流的工作过程

3、u<0,i<0时整流工作过程分析

交流电源工作在负半轴

T2、T3不工作：截止状态

T1、T4工作：导通或截止状态

所以这时也可分两种情形：

2.1单相PWM整流的工作过程

1）当T1、T4闭合时，参见下图的所示的能量流方向：

它们有两条导通路径，如红虚线和蓝虚线如示

2.1单相PWM整流的工作过程第一条路径如下图所示：

2.1单相PWM整流的工作过程第二条路径如下图所示：2.1单相PWM整流的工作过程2）当T1、T4断开时，参见下图所示的能量流方向：

注意：此时电感两端极性发生了突变！

2.1单相PWM整流的工作过程如果忽略二极管D上的压降，则等效图是：可以看出，能量还是交流向直流侧流，不过是一个升压斩波过程。只有在T1和T4管关闭时才有能量输出到负载。

2.1单相PWM整流的工作过程小结：由T1、D2、Ls和T4、D3、Ls分别组成两个Boost电路，其工作过程同us>0相类似。2.1单相PWM整流和逆变的工作过程

2.1单相PWM整流的工作过程2.2单相PWM逆变的工作过程

2.2单相PWM逆变的工作过程单相PWM逆变图2.2单相PWM逆变的工作过程1、首先进行能量流向法基本分析：逆流状态

→

直流电源侧发出能量到交流侧→

p=ui<0也分两种情况：

A)u>0,i<0→p=ui<0→交流电源工作在正半轴

B)u<0,i>0→

p=ui<0→交流电源工作在负半轴（参见下图所示两种情形）2.2单相PWM逆变的工作过程2、u>0,i<0时逆变工作过程分析交流电源工作在正半轴T2、T3不工作：截止状态T1、T4工作：导通或截止状态所以这时可分两种情形：2.2单相PWM逆变的工作过程1）当T1、T4闭合时，参见下图的所示的能量流方向：

注意：它们只有一条导通路径，如红虚线如示2.2单相PWM逆变的工作过程2）当T1、T4断开时，参见下图所示的能量流方向：注意：电感两端极性发生突变2.2单相PWM逆变的工作过程小结：

由T1、T4、D2、D3共同组成一个降压斩波Buck电路，当T1、T4导通时，直流侧通过T1、T4向电感Ls和电源Us提供电能，当T1、T4关断时，电感Ls中的能量通过D2、D3向电源释放。

2.2单相PWM逆变的工作过程3、u<0,i>0时整流工作过程分析交流电源工作在负半轴T1、T4不工作：截止状态T2、T3工作：导通或截止状态

所以这时也可分两种情形：2.2单相PWM逆变的工作过程1)当T2、T3闭合（导通）时，参见下图所示的能量流方向：

2.2单相PWM逆变的工作过程2)当T2、T3断开（截止）时，参见下图所示的能量流方向：电感两端极性发生突变2.2单相PWM逆变的工作过程小结：由T2、T3、D1、D4共同组成一个降压斩波（Buck）电路，其工作过程同Us>0时相类似。因为电路按Buck电路工作，因此，工作时其直流侧电压也必须大于交流输入电压的峰值。

基于能量流向法

判定整流工作状态和逆变工作状态

1、基本原理2、单相PWM整流和逆变的工作过程3、相控整流和逆变的工作过程

3.相控整流和逆变的工作过程基本分析相控型电路等效图

其中，Ua表示交流侧电等效电源，Ub表示直流侧电源，为了说明简便，在这里还忽略了所有电源的内阻。

3.相控整流和逆变的工作过程经以上等效后可以看出，因为二极管的单向导通性，所以实现能量流动和传递，相控型电路只能按下图所示的方式进行。

相控型电路等效图其中的虚线和箭头表示了能量流动和传递的方向3.相控整流和逆变的工作过程3.1相控整流的工作过程和条件3.2相控逆变的工作过程和条件3.1相控整流的工作过程和条件整流状态→交流电源发出能量到直流侧→工作在p=ui>0状态。

故整流状态能量传递只能按如下图所示的两种方式进行。

3.1相控整流的工作过程和条件可以看出懑足交流电源发出p=ui>0，只能是u>0，i>0,这种情况，这一点与PWM整流不同。即Ua的控制角在0－90度的范围。

3.相控整流和逆变的工作过程3.1相控整流的工作过程和条件3.2相控逆变的工作过程和条件3.2相控逆变的工作过程和条件逆变状态→交流电源吸收能量→工作在→即p=ui<0的状态故相控型变换器的逆变状态能量传递只能按如下图所示的方式进行。

3.2相控逆变的工作过程和条件即满足以下三个条件（1）直流侧Ub必须有一个直流电源，其电动势极性必须和变换器所允许的电流流动方向一致.。（2）相控型变换器应是可输出负压的全控整流桥，且控制角a>90度。因为只有这时，才能得到负电压。（3）Ub>Ua

才能实现有源逆变工作状态。

举例

三相半波有源逆变电路

三相半波有源逆变电路及其波形

图5.7.3（a）为三相半波整流器带电动机负载时的电路,并假设负载电流连续。

当α在范围内变化时，变流器输出电压的瞬时值在整个周期内虽然有正有负或者全部为负，但负的面积总是大于正的面积，故输出电压的平均值Ud为负值。电机E的极性具备有源逆变的条件。当α在