电工学第4章 逆变电路

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图4-8 带中心抽头变 压器的逆变电路
◆与全桥电路相比较 ☞比全桥电路少用一半开关器件。 ☞器件承受的电压为2Ud,比全桥 电路高一倍。 ☞必须有一个变压器。
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4.2.2 三相电压型逆变电路
■三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。 ■三相桥式逆变电路 ◆基本工作方式是180°导电方式。 ◆同一相(即同一半桥)上下两臂交替导电,各相开始导电的角度 差120 °,任一瞬间有三个桥臂同时导通。 ◆每次换流都是在同一相上下两臂之间进行,也称为纵向换流。
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◆阻感负载时io波形
设t1时刻前:S1、S4通,uo和io均 为正 t1时刻断开S1、S4,合上S2、S3, uo变负,但是因为负载中有电感 io不能立刻反向而仍维持原方向。 这时io从电源负极流出,经S2、负载 和S3流回正极,负载电感能量向 电源反馈,io逐渐减小,t2时刻降 为零,之后io才反向并增大。
图4-5 全桥逆变电路 17/47
4.2.1 单相电压型逆变电路
◆移相调压方式
☞ V3的基极信号比V1落后(0<< 180°)。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1 的前移180°- 。输出电压是正负各为 的 脉冲。 ☞工作过程 √t1时刻前V1和V4导通, uo=Ud。 √t1时刻V4截止,而因负载电感中的电流 io不能突变,V3不能立刻导通,VD3导通续 流,uo=0。 √t2时刻V1截止,而V2不能立刻导通, VD2导通续流,和VD3构成电流通道,uo=Ud。 √到负载电流过零并开始反向时,VD2和 VD3截止,V2和V3开始导通,uo仍为-Ud。 √t3时刻V3截止,而V4不能立刻导通, VD4导通续流,uo再次为零。 ☞改变 就可调节输出电压。
图4-3 直接耦合式 强迫换流原理图
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4.1.2 换流方式分类
◆强迫换流(Forced Commutation)
☞电感耦合式强迫换流
S VD VT S
+
C
VD VT
+
C
L
L
负载
负载
a)
b)
图4-4 电感耦合式强迫换流原理图
•图b中,接通S后,LC振 •图a中,接通S后,LC振 •图5-4a中晶闸管在 荡电流先正向流过VT并和 LC振荡第一个半周 荡电流将反向流过VT,与 VT中原有的负载电流叠加, 期内关断 VT的负载电流相减,直到 经过半个振荡周期 •图5-4b中晶闸管在 LC 振荡电流反向流 VT的合成正向电流减至零 LC振荡第二个半周 过VT,直到VT的合成正向 期内关断 后,再流过二极管VD。 电流减至零后,再流过二 极管VD。
第4章 逆变电路
4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结
引言
■逆变的概念 ◆与整流相对应,直流电变成交流电。 ◆交流侧接电网,为有源逆变。 ◆交流侧接负载,为无源逆变,本章主要讲述无源逆变。 ■逆变与变频 ◆变频电路:分为交交变频和交直交变频两种。 ◆交直交变频由交直变换(整流)和直交变换两部分组 成,后一部分就是逆变。 ■逆变电路的主要应用 ◆各种直流电源,如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 ◆交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源 等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。
uo io
uo a)
O
io i O i O uVT O iVT iVT
1 4
?t
iVT
2
iVT
3
?t ?t ?t
t1
uVT
1
uVT b)
4
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4.1.2 换流方式分类
◆强迫换流(Forced Commutation)
☞设置附加的换流电路,给欲关断的晶闸管强 迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 ☞通常利用附加电容上所储存的能量来实现, 因此也称为电容换流。 ☞分类 √直接耦合式强迫换流:由换流电路内电容 直接提供换流电压。 √电感耦合式强迫换流:通过换流电路内的 电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。 ☞直接耦合式强迫换流 √如图4-3,当晶闸管VT处于通态时,预先给 电容充电。当S合上,就可使VT被施加反压而关 断。 √这种给晶闸管加上反向电压而使其关断的 换流也叫电压换流。
◆先使晶闸管电流减为零,然后通过反并联二极管使其加
反压的换流也叫电流换流
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4.1.2 换流方式分类
■换流方式总结:
器件换流——只适用于全控型器件。 其余三种方式——针对晶闸管。 器件换流 强迫换流 电网换流 负载换流 因器件或变流器自身原因引起换流 自换流 外部换流 借助于外部手段(电网电压或负载电压)换流
io t1 t2
uo S 4
t
b)
◆当开关S1、S4闭合,S2、S3断开时,负载电压uo为正;当开关S1、S4断开, S2、S3闭合时,uo为负,这样就把直流电变成了交流电。 ◆改变两组开关的切换频率,即可改变输出交流电的频率。 ◆电阻负载时,负载电流io和uo的波形相同,相位也相同。 ◆阻感负载时,io相位滞后于uo,波形也不同。
a)
b)
图4-7 单相全桥逆变电 路的移相调压方式 18/47
4.2.1 单相电压型逆变电路
☞在纯电阻负载时,采用移相方法也可以得到同样的
结果,只是VD1~VD4不再导通,不起续流作用,uo为
零的期间,4个桥臂均不能导通,负载没有电流。
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4.2.1 单相电压型逆变电路
■带中心抽头变压器的逆变电路 ◆交替驱动两个IGBT,经变压器耦 合给负载加上矩形波交流电压。 ◆两个二极管的作用也是提供无功能 量的反馈通道。 ◆ Ud和负载参数相同,变压器匝比 为1:1:1时,uo和io波形及幅值与全桥 逆变电路完全相同。
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4.1.2 换流方式分类
◆负载换流(Load Commutation)
☞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, 都可实现负载换流,如电容性负载。 ☞图4-2a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,工作过程可认为id基本没 有脉动直流电流近似为恒值,4个臂的切换仅 使电流路径改变,负载电流基本呈矩形波。 √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。
Um O -Um io t1 t 2 t5 t6 V1 V2 V1 V2 ON VD1 VD2 VD1 VD2 b)
图4-6 单相半桥电压型逆 变电路及其工作波形 16/47
o
a)
t
t3 t4
O
t
4.2.1 单相电压型逆变电路
■全桥逆变电路 ◆共四个桥臂,可看成两个半桥电路组合而成。 ◆桥臂1和4为一对,桥臂2和3为另一对,成对桥臂同时导通,两对桥臂交替 导通180°。 ◆输出电压和电流波形与半桥电路形状相同,但幅值高出一倍,Um=Ud。 ◆Ud的矩形波uo展开成傅里叶级数得
图4-5 电压型逆变电路举例(全桥逆变电路) 14/47
4.2.1 单相电压型逆变电路
■半桥逆变电路 ◆在直流侧接有两个相互串联的足够大 的电容,两个电容的联结点便成为直流电 源的中点,负载联接在直流电源中点和两 个桥臂联结点之间。 ◆工作原理 ☞设开关器件V1和V2的栅极信号在一 个周期内各有半周正偏,半周反偏,且二 者互补。 ☞输出电压uo为矩形波,其幅值为 Um=Ud/2。 ☞电路带阻感负载,t2时刻给V1关断 信号,给V2开通信号,则V1关断,但感性 负载中的电流io不能立即改变方向,于是 VD2导通续流,当t3时刻io降零时,VD2截止, V2开通,io开始反向,由此得出如图所示 的电流波形。
动画
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Um O - Um io t1 t 2 t5 t6 V1 V2 V1 V2 ON VD 1 VD 2 VD 1 VD 2 b)
图4-6 单相半桥电压型逆 变电路及其工作波形
o
a)
t
t3 t4
O
t
4.2.1 单相电压型逆变电路
☞V1或V2通时,io和uo同方向, 直流侧向负载提供能量;VD1或 VD2通时,io和uo反向,电感中贮 能向直流侧反馈。VD1、VD2称为 反馈二极管,它又起着使负载电流 连续的作用,又称续流二极管。 ◆优点是简单,使用器件少;其缺 点是输出交流电压的幅值Um仅为 Ud/2,且直流侧需要两个电容器串 联,工作时还要控制两个电容器电 压的均衡;因此,半桥电路常用于 几kW以下的小功率逆变电源。
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4.1 换流方式
4.1.1 逆变电路的基本工作原理 4.1.2 换流方式分类
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4.1.1 逆变电路的基本工作原理
■以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 ◆ S1~S4是桥式电路的4个臂,由电力电子器件及辅助电路组成。
uo S1 Ud S2 a)
图4-1 逆变电路及其波形举例
io 负载 S3
◆因为使器件关断,主要是使晶闸管关断要比其开通复杂的多,因此 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
◆本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在本章集中讲述
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4.1.2 换流方式分类
■换流方式分为以下几种 ◆器件换流(Device Commutation) ☞利用全控型器件的自关断能力进行换流。 ☞在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、 GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件 换流。 ◆电网换流(Line Commutation) ☞电网提供换流电压的换流方式。 ☞将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即 可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力, 但不适用于没有交流电网的无源逆变电 sin 3t sin 5t 3 5
(4-1)
其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为
U o1m
U o1
4U d

1.27U d
0.9U d
(4-2) (4-3)
2 2U d

◆在这种情况下,要改变输出交流电压的 有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。
uo a)
io
t1 t2
t b)
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• S2、S3断开,S1、S4闭合时的情况类似。
4.1.2 换流方式分类
■换流
◆电流从一个支路向另一个支路转移的过程,也称为换相。 ◆开通: 无论支路是有全控型还是半控型电力电子器件组成, 只要有适当的门极驱动信号,就可使其开通。
◆关断: 全控型器件可通过控制门极使其关断。 半控型器件晶闸管,必须利用采取其他措施才能关断。 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压,才能关断。
uo io O
uo a)
ωt
io i O i iVT iVT
1 4
iVT
2
iVT
3
ωt ωt
4
O uVT
O
t1
u VT
1
uVT
ωt
b) 图4-2 负载换流电路及其工作波形
√注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过 零前并留有足够的裕量,才能使换流顺利完 成。
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☞工作过程
√t1时刻前:VT1、VT4为通态,VT2、VT3为 断态,uo、io均为正,VT2、VT3上施加的电 压即为uo √t1时刻触发VT2、VT3使其开通,uo通过VT2、 VT3分别加到VT4、VT1上使其承受反向电压 而关断,电流从VT1、VT4换到VT3、VT2 √触发VT2、VT3时刻t1必须在uo过零前并留 有足够裕量,才能使换流顺利完成
假想中点
图4-9 三相电压型桥式逆变电路
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4.2.2 三相电压型逆变电路
■工作波形 ◆对于U相输出来说,当桥臂1导通时, uUN’=Ud/2,当桥臂4导通时,uUN’=-Ud/2, uUN’的波形是幅值为Ud/2的矩形波,V、 W两相的情况和U相相同,只是依次相 差120°。
◆负载线电压uUV、uVW、uWU可由下 式求出
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,则称为熄灭。
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4.2 电压型逆变电路
4.2.1 单相电压型逆变电路 4.2.2 三相电压型逆变电路
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4.2 电压型逆变电路·引言
■根据直流侧电源性质的不同,可以分为两类 ◆电压型逆变电路:直流侧是电压源。 ◆电流型逆变电路:直流侧是电流源。 ■电压型逆变电路的特点 ◆直流侧为电压源或并联大电容,直流侧电压基本无脉动。 ◆由于直流电压源的钳位作用,输出电压为矩形波,输出电流因负 载阻抗不同而不同。 ◆阻感负载时需提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量作用, 为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂并联反 馈二极管。
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