详细逆变电路原理分析.pptx

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,