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详细逆变电路原理分析.pptx

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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,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,:,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:,返回,4.2,逆变电路的工作原理,开关,T,1,、,T,4,闭合,,T,2,、,T,3,断开:,u,0,=U,d,;,开关,T,1,、,T,4,断开,,T,2,、,T,3,闭合:,u,0,=,U,d,;,当以频率,f,S,交替切换开关,T,1,、,T,4,和,T,2,、,T,3,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,T,s,=1/,f,S,,这样,就将直流电压,E,变成了交流电压,u,o,。,u,o,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,T,1,T,4,,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,:,返回,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,C,1,和,C,2,,且满足,C,1,=C,2,。设感性负载连接在,A,、,0,两点间。,T,1,和,T,2,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,动画,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,T,1,和,T,2,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,t,2,时刻以前,,T,1,有驱动信号导通,,T,2,截止,则,u,0,=U,d,/2,。,t,2,时刻关断的,T,1,,同时给,T,2,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,D,2,导通续流,,u,0,=,U,d,/2,。,t,3,时刻,i,。降至零,,D,2,截止,,T,2,导通,,i,。开始反向增大,此时仍然有,u,0,=,U,d,/2,。,在,t,4,时刻关断,T,2,,同时给,T,1,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,,D,1,先导通续流,此时仍然有,u,0,=U,d,/2,;,t,5,时刻,i,。降至零,,T,1,导通,,u,0,=U,d,/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,U,d,/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,T,1,和,T,4,构成一对桥臂,,T,2,和,T,3,构成一对桥臂,T,1,和,T,4,同时通、断;,T,2,和,T,3,同时通、断。,T,1,(T),4,与,T,2,(T,3,),的驱动信号互补,即,T,1,和,T,4,有驱动信号时,,T,2,和,T,3,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,T,s,4,,,T,s,2t3T,s,4,期间,,D,1,、,D,4,导通起负载电流续流作用,在此期间,T,1,T,4,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,,T,1,和,T,4,有驱动信号,由于电流,i,0,为负值,,T,1,和,T,4,不导通,,D,1,、,D,4,导通起负载电流续流作用,,u,0,=+U,d,。,t,期间,,i,0,为正值,,T,1,和,T,4,才导通。,t,+,期间,,T,2,和,T,3,有驱动信号,由于电流,i,0,为负值,,T,2,、,T,3,不导通,,D,2,、,D,3,导通起负载电流续流作用,,u,0,=,U,d,。,+,t,2,期间,,T,2,和,T,3,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,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,6,,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,T,1,T,2,T,3,,,T,2,T,3,T,4,,,T,3,T,4,T,5,,,T,4,T,5,T,6,,,T,5,T,6,T,1,,,T,6,T,1,T,2,,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,u,g2,0,u,g3,0,,则有,T,1,,,T,2,,,T,3,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,U,d,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,返回,4.4.1,电流型单相桥式逆变电路,当,T,1,、,T,4,导通,,T,2,、,T,3,关断时,,I,0,=,I,d,;反之,,I,0,=-,I,d,。,当以频率,f,交替切换开关管,T,1,、,T,4,和,T,2,、,T,3,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,I,01m,和基波有效值,I,01,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,i,0,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,T,2,T,3,T,4,T,5,T,6,,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,I,01,和直流电流,I,d,的关系式为:,返回,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,返回,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,,i,o,超前电压,u,o,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:,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,t,2,时刻触发,T,2,,,T,3,,电路开始换流。由于,T,2,,,T,3,导通时,负载两端电压施加到,T,1,,,T,4,的两端,使,T,1,,,T,4,承受负压关断。由于每个晶闸管都串有换相电抗器,L,T,,,故,T,1,和,T,4,在,t,2,时刻不能立刻关断,,T,2,,,T,3,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,L,d,的恒流作用,电源不会短路。,当,t=t,4,时刻,,T,1,、,T,4,电流减至零而关断,直流侧电流,I,d,全部从,T,1,、,T,4,转移到,T,2,、,T,3,,换流过程结束。,t,4,-,t,2,=,t,r,称为换流时间。,T,1,、,T,4,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,T,1,、,T,4,承受一段反压时间,t,才能保证可靠关断。,t,=,t,5,t,4,应大于晶闸管关断时间,t,q,。,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,u,0,过零前,t,时刻触发,T,2,、,T,3,,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,23,。,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,,i,0,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,P,i,为,逆变电路的输出功率,P,o,为,因为,P,o,=P,i,,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,i,0,和直流侧电流,I,d,的关系:,(4.6.3),(4.6.6),返回,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,D,1,D,4,。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,设晶闸管,T,1,、,T,4,导通,电流从,A,流向,B,,,u,o,左正右负。由于电流超前电压,,当,t,=,t,1,时,电流为零。,当,t,t,1,时,电流反向。由于,T,2,、,T,3,未导通,反向电流通过二极管,D,1,、,D,4,续流,,T,1,、,T,4,承受反压关断。,当,t,=,t,2,时,触发,T,2,、,T,3,,负载两端电压极性反向,即左负右正,,D,1,、,D,4,截止,电流从,T,2,、,T,3,中流过。,当,t,t,3,时,电流再次反向,电流通过,D,2,、,D,3,续流,,T,2,、,T,3,承受反压关断。,当,t,=,t,4,时,再触发,T,2,、,T,3,。二极管导通时间,t,即为晶闸管反压时间,要使晶闸管可靠关断,,t,应大于晶闸管关断时间,t,q,。,图,4.5.5,串联谐振式逆变,电路的工作波形图,2,、工作原理,返回,
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