電力電子技術(shù)04

1、編輯ppt4-1編輯ppt4-2逆變的概念 逆變與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。交流側(cè)接負載，為無源逆變無源逆變。主要應(yīng)用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等對交流的轉(zhuǎn)換。交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。本章講述無源逆變編輯ppt4-3逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種： 1）直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路； 2）直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路；本章應(yīng)掌握內(nèi)容本章應(yīng)掌握內(nèi)容 4.1 換流方式 4.2 電壓型逆變電路 4.3 電流型逆變電路。編輯ppt4-4返回編輯ppt4-5以單相橋式

2、逆變電路單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理圖4-1 逆變電路及其波形舉例負載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。返回編輯ppt4-6 逆變電路最基本的工作逆變電路最基本的工作原理原理 改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖4-1 逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負載電阻負載時，負載電流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感負載阻感負載時，i io o相位滯后于u uo o，波形也不同。返回編輯ppt4-7 換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。換流的基本方式。1）器件換流（I

3、GBT,GTO,GTR, MOSFET)2）電網(wǎng)換流3）負載換流（負載滿足的條件？）4）強迫換流（直接耦合式，電感耦合式）SCR 換流換流電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相換相。返回編輯ppt4-81) 器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。器件IGBT 、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2) 電網(wǎng)換流電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。3) 負載換流 由負載提供換流電壓，當負載為電容性負載時，可實現(xiàn)負載換流。返回編輯ppt4-9 t t t tRLCOOOOiit1 1b)a)EdLd

4、VT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4思考：1.此電路是電壓型逆變還是電流型逆變電路？2.如何理解負載電流波形是矩形波？3.如何理解電壓波形近似為正弦波？（負載特點）4. 換流過程如何實現(xiàn)？4.如何保證順利可靠換流？負載換流電路及其工作波形 返回編輯ppt4-10 直接耦合式直接耦合式強迫換流 當晶閘管VT處于通態(tài)時，預(yù)先給電容充電。當S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。 也叫電壓換流電壓換流。圖4-3直接耦合式強迫換流原理圖圖4-4 電感耦合式強迫換流原理圖 電感耦合式電感耦合式強迫換流 先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)

5、二極管使其加上反向電壓。 也叫電流換流電流換流。4)強迫換流返回編輯ppt4-11換流方式總結(jié)：器件換流適用于全控型器件。其余三種方式針對晶閘管。器件換流和強迫換流屬于自換流。電網(wǎng)換流和負載換流屬于外部換流。當電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅熄滅。返回編輯ppt4-12 返回l 單相半橋電壓型逆變電路；l 單相全橋電壓型逆變電路；l 帶中心抽頭變壓器逆變電路。l 三相全橋電壓型逆變電路。編輯ppt4-13（1） 半橋逆變電路 導電方式：V1，V2驅(qū)動信號互補，各導通180圖46 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形返回編輯ppt4-14工作原理：（1

6、）t1t2 電源電壓經(jīng)V1對負載供電，電流指數(shù)規(guī)律 上升。負載電壓為1/2ud.（2）t2t3 電感經(jīng)VD2續(xù)流，電流指數(shù)規(guī)律下降。負載電壓為-1/2ud. （3） t3t4 電源經(jīng)V2對負載供電，電流指數(shù)規(guī)律反向上升。負載電壓為-1/2ud.（4） t4t4 電感經(jīng)VD1續(xù)流，電流指數(shù)規(guī)律反向下降，負載電壓為1/2ud.因為是阻感負載，呈感性，電流滯后電壓，滯后角=arctanL/R.單向半橋電壓逆變電路優(yōu)缺點總結(jié)：優(yōu)點：所用器件少。缺點：u0幅值小，只有電源電壓的一半，并且輸入端接兩個電容，還需保證 C1=C2,不能精確滿足。思考：電路中的二極管主要起什么作用？答：當負載為感性或阻感性時，

7、二極管為負載向直流電源反饋能量提供通道（即續(xù)流過程），故這些二極管被稱之為反饋二極管。為了解決這一矛盾，在單向半橋的基礎(chǔ)上提出了單向全橋電壓型逆變電路。單相半橋一般應(yīng)用在小功率電路中。 功率較大時怎么辦？圖46 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形返回編輯ppt4-15（2） 全橋逆變電路+- -CRL圖5-5圖5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio由四個臂構(gòu)成，輸入端并有一個電容。負載接在上下兩組臂之間。圖4-7 單相全橋電壓型逆變電路返回編輯ppt4-16+- -CRL圖5-5圖5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio導電方式一：V1,V4同時通斷；V2

8、,V3同時通斷。V1,V4與V2,V3信號互補，各導電180（對比半橋思考） 。圖圖4-7-1單相單相全橋電壓型逆變電路波形電壓型逆變電路波形圖4-7 單相全橋電壓型逆變電路返回工作原理：與單向半橋電路工作原工作原理：與單向半橋電路工作原理相同，只不過全橋中是兩個臂同理相同，只不過全橋中是兩個臂同時工作，半橋中一個臂單獨工作。時工作，半橋中一個臂單獨工作。全橋輸出電壓，電流波形與半橋完全橋輸出電壓，電流波形與半橋完全一樣，但幅值均為半橋的兩倍。全一樣，但幅值均為半橋的兩倍。編輯ppt4-17 單相電壓全橋輸出電壓uo定量分析 圖4-7-1對應(yīng)uo展開成傅里葉級數(shù) 基波幅值 基波有效值o411s

9、insin3sin535mUuttto1m41.27ddUUUdd1o9 . 022UUU返回編輯ppt4-18思考：如果要改變輸出電壓的有效值（或幅值），可采取哪些方案？1、可控整流調(diào)壓方案；2、斬波調(diào)壓方案；返回逆變器導電方式一（180導電方式導電方式）逆變器導電方式二移相導電方式（移相調(diào)壓）移相導電方式（移相調(diào)壓）3、逆變器自身控制方案。 答：編輯ppt4-19 導電方式二（移相導電）：V1,V2信號互補；V3,V4信號互補；V3信號比V1信號落后（ 0180）所謂移相：即改變的大小。圖4-7-2 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式返回編輯ppt4-20 單相電壓全橋輸出電壓uo定量分析圖4

10、-7-2 對應(yīng)uo展開成傅里葉級數(shù) 基波幅值 基波有效值o4131517sinsinsinsin3sinsin5sinsin72325272dUutttto1m4sin1.27sin22ddUUUdo1d2 2sin0.9sin22UUU返回編輯ppt4-213） 帶中心抽頭變壓器的逆變電路圖4-8 帶中心抽頭變壓器的逆變電路 在Ud和負載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1情況下，uo和io o波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。 與全橋電路的比較：比全橋電路少用一半開關(guān)器件。器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高 一倍。必須有一個變壓器 。交替驅(qū)動兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負載加上矩形波交流電壓

11、。兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。返回編輯ppt4-22三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路圖4-9 三相電壓型橋式逆變電路返回編輯ppt4-23基本工作方式（180導電方導電方式）式） 每橋臂導電180，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120 。 任一瞬間有三個橋臂同時導通。 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流縱向換流。返回編輯ppt4-24 波形分析負載各相到電源中點N的電壓：U相，V1通，uUN=Ud/2，V4通，uUN=-Ud/2負載線電壓 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu

12、負載相電壓)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu負載中點和電源中點間電壓NN NN NUNUN VNVN WNWN N uuuuuuuuu返回三相負載三相負載對稱，對稱，值為零值為零編輯ppt4-25返回2 31111sinsin5sin7sin11sin13571113dUVUuttttt式（4-8）20.8163UVddUUU110.782UV mUVdUUU12 31.1dUV mdUUU輸出線電壓有效值：線電壓基波幅值：線電壓基波有效值：編輯ppt4-26返回 三相橋電壓型逆變電路輸出相電壓傅里葉級數(shù)表達式：21111sinsin5sin7sin11sin1

13、3571113dUNUuttttt式（4-12）0.471UNdUU110.452UN mUNdUUU120.637dUN mdUUU輸出相壓有效值：相電壓基波幅值：相電壓基波有效值：編輯ppt27dUN1mUN145.02UUUddUN1m637. 02UUUddUV1m1.132UUUddUV1mUV178. 062UUUU0.4520090（V） 0.637200127.4(V) 1.1200=220（V） 0.78200=156（V） VUUUUUV2211.0767dd1UV7例：三相橋式電壓型逆變電路，例：三相橋式電壓型逆變電路，180導電方式，導電方式，Ud=200V。試求輸出。

14、試求輸出相電壓的基波幅值相電壓的基波幅值UUN1m和有效值和有效值UUN1、輸出線電壓的基波幅值、輸出線電壓的基波幅值UUV1m和有效值和有效值UUV1、輸出線電壓中、輸出線電壓中7次諧波的有效值次諧波的有效值UUV7。 解解:編輯ppt4-28（1）三相橋電壓型逆變電路應(yīng)用在大功率場合。（2）各相輸出電壓在相位上相差1200，電流波形根據(jù)負載情況的不同而不同。（3）在導電上，為防止同一相的兩個器件同時開通而導致電源短路，應(yīng)遵循“先斷后通”的原則:即要關(guān)斷的器件在徹底關(guān)斷之后再給需開通的器件開通信號，因此，要留一定的時間裕量（實際在單相中也應(yīng)如此） 。返回編輯ppt4-29電流型逆變直流側(cè)輸入

15、電源為電流源電流型逆變電路的特性：（1）直流側(cè)串大電感，相當于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動。（2）因為是恒流，輸出電流波形是矩形波，輸出電壓波形與負載有關(guān)系。（3）電路中不必加反饋二極管。（4）電感起到緩沖無功能量的作用。 返回電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多,換流方式有負載換流、強迫換流。編輯ppt4-30 返回編輯ppt4-31ABCRL圖5-12圖5-12LdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4uoio 4 4個橋臂，每橋臂晶閘管各串聯(lián)一個電抗器個橋臂，每橋臂晶閘管各串聯(lián)一個電抗器L LT T，用來，用來限制晶閘管開通時的限制晶閘管開通時的d di i/d

16、/dt t。采用負載換相方式，要求負載電流略超前于負載電壓采用負載換相方式，要求負載電流略超前于負載電壓（呈容性），并聯(lián)電容同時有提高功率因數(shù)的作用。（呈容性），并聯(lián)電容同時有提高功率因數(shù)的作用。C C和和L L、R R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振式逆變電路（但最終負載仍略顯容性，準確應(yīng)稱之為容式逆變電路（但最終負載仍略顯容性，準確應(yīng)稱之為容性小失諧負載）。性小失諧負載）。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。諧波幅值遠小于基波。并聯(lián)諧振回路對基波呈高阻抗，對諧波呈低阻抗，

17、并聯(lián)諧振回路對基波呈高阻抗，對諧波呈低阻抗，諧波在負載上產(chǎn)生的壓降很小，因此負載電壓波形接諧波在負載上產(chǎn)生的壓降很小，因此負載電壓波形接近正弦波。近正弦波。圖412 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路1) 電路原理返回編輯ppt4-32基本導電方式：基本導電方式：1 1，4 4同時同時通斷，通斷，2 2，3 3同時通斷。同時通斷。ABCRL圖5-12圖5-12LdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4uoiotOtO圖5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4

18、2) 工作分析返回編輯ppt4-33為保證可靠換流，應(yīng)在負載電壓 過零前 時間去觸發(fā)VT2、 VT3， 稱觸發(fā)引前時間：思考：思考： (1)(1)怎樣確保晶閘管可靠關(guān)斷？怎樣確保晶閘管可靠關(guān)斷？ (2(2）觸發(fā)引前時間是指什么時間？）觸發(fā)引前時間是指什么時間？ （3 3）觸發(fā)引前時間考慮哪些因素？）觸發(fā)引前時間考慮哪些因素？電流減小為零，晶閘管還需一段時間才能恢復(fù)正向阻斷能力，也就是說電流為零后還要使VT1、VT4承受一段反壓時間tb，這樣晶閘管才能真正可靠關(guān)斷。如果不能滿足上要求，則會導致逆變失敗。返回0uttttt3)編輯ppt4-34 單相橋式電流型逆變電路輸出電流io定量分析 圖4-1

19、3對應(yīng)io近似展開成傅里葉級數(shù) 基波幅值 基波有效值o411sinsin3sin535dIittto1m41.27ddIIIdo1d2 20.9III返回4)編輯ppt4-351）采用全控型器件GTO電路基本工作方式是基本工作方式是1201200 0導電方式導電方式（每個臂一周期內(nèi)導電（每個臂一周期內(nèi)導電1201200 0）。）。圖4-11 電流型三相橋式逆變電路返回每時刻上下橋臂組各有一個臂導通，每時刻上下橋臂組各有一個臂導通，為為橫向換流。橫向換流。編輯ppt4-36編輯ppt4-37 輸出相電流波形和負載性質(zhì)無關(guān)，為正負各120的矩形波。 輸出線電壓波形和負載性質(zhì)有關(guān)，大體為正弦波，因電

20、感的作用，每次換相時會產(chǎn)生電壓沖擊。 因直流輸入電感值很大才能構(gòu)成一個電流源，因此電感的重量體積都很大，這是電流型逆變器使用不廣泛的一個重要原因。返回編輯ppt4-382）串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路主要用于中大功率交流電動機調(diào)速系統(tǒng)。M3UVW+- -圖5-15圖5-15LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6電流型三相橋式逆變電路，輸出波形與全控型器件時一樣。各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用。 120導電工作方式強迫換流方式，電容C1C6為換流電容。圖4-14 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 返回編輯ppt4-39分析流過程（強迫換流）：電容器充電規(guī)律：對共陽極晶閘管，它與導通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負，不與導通晶閘管相連的電容器電壓為零等效換流電容概念：分析從VT1向VT3換流時，C13就是C3與C4串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容，返回編輯ppt4-40（2）t1時刻觸發(fā)VT3導通，VT1被施以反壓而關(guān)斷（1）假設(shè)換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負- - +UVW+ - -UVWa)+ - -UVWb)- - +UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id