逆变电路原理分析

2,无源逆变:
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.
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. (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.
3)阻感负载RL时
0≤θ≤ωt期间,T1和T4有驱动信号, 由于电流i0 为负值,T1 和T4不导通,D1 , D4 导通起负载电流续流作用, u0=+Ud . θ≤ωt≤π期间, i0为正值,T1和T4 才导通. π≤ωt≤π+θ 期 间 , T2 和 T3 有 驱 动 信号,由于电流i0 为负值,T2 ,T3 不导 通,D2,D3导通起负载电流续流作用, u0=-Ud . π+θ≤ωt≤2π期间,T2 和T3 才导通.
动 画
输出电压有效值为:U
O
1 TS
TS / 2
0
U Ud dt d 2 2
2
(4.3.1)
由傅里叶分析,输出电压瞬时值为:
uo 2U d 5, n sin nt n 1, 3 ,
(4.3.2)
其中, 2f s 为输出电压角频率.
当 n=1时其基波分量的有效值为:
2U d U O1 0.45U d 2
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.
图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压,电流波形图
4.3.3 电压型三相桥式逆变电路
1,工作过程:
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T1→T2 →T3 →T4 →T5→T6 ,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T1T2T3,T2T3T4,T3T4T5, T4T5T6,T5T6T1,T6T1T2,每种组合 工作60°.
图4.3.3 电压型三相桥式逆变电路
2,各相负载相电压和线电压波形:
将一个工作周期分成6个区域.
在0<ω t≤π/3区域,设ug1>0, ug2>0, ug3>0,则有T1,T2,T3导通,
线 电 压
u ab 0 相 u bc U d 电 u U 压 d ca
1 u aN U d 3 1 u bN U d 3 u 2 U d cN 3
4.3 电压型逆变电路
4.3.1 电压型单相半桥逆变电路
1.电压型逆变电路半桥逆变电路结构及波形: 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C1和C2,且满足C1=C2.设感性负载连接在A, 0两点间. T1和T2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.
4I d 1.27 I d
4I d 0.9 I d
(4.4.2)
2
(4.4.3)
图4.4.1 电流型单相桥式 逆变电路及电流波形
1,工作方式:
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→T2→T3→T4→T5→T6,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.
逆变电路的工作原理
1,主要功能: 将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载. 开关T1,T4闭合,T2,T3断开:u0=Ud; 开关T1 ,T4 断开,T2 ,T3 闭合:u0=- Ud ; 当以频率fS 交替切换开关T1 ,T4 和 T2 , T3 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 Ts=1/fS ,这样,就将直流电压E变成了 交流电压uo.uo含有各次谐波,如果想 图4.2.1 单相桥式逆变电路工作原理 得到正弦波电压,则可通过滤波器滤波 获得. 图4.2.1(a)中主电路开关T1~T4,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 返 回 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).
图4.6.3 并联谐振式逆变电路原理图及其工作波形
逆变电路换流的工作过程
图4.6.2 并联谐振式逆变电路换流的工作过程
(5)电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)
4.1.2 逆变电路的分类
(1),根据输入直流电源特点分类
① 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. ② 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.
(2),根据电路的结构特点分类
① 半桥式逆变电路; ② 全桥式逆变电路; ③ 推换式逆变电路; ④ 其他形式:如单管晶体管逆变电路.
4.1.2逆变电路的分类
(3),根据换流方式分类
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① 负载换流型逆变电路;
② 脉冲换流型逆变电路; ③ 自换流型逆变电路. (4),根据负载特点分类 ① 非谐振式逆变电路 ② 谐振式逆变电路
4.1.3 逆变电路用途
2,工作原理:
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, io超前电压uo一定角度,达到自动换流 关断晶闸管的目的.
(4.3.8) (4.3.9)
相电压基波幅值
U BN 1m
2U d
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:
u BC 2 3U d 1 1 1 1 sin t sin 5t sin 7t sin 11t sin 13t 5 7 11 13
(4.3.3)
2,工作原理:
在一个周期内,电力晶体管T1和T2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t2时刻以前,T1有驱动信 号导通,T2截止,则 u0=Ud/2. t2时刻关断的T1,同时给T2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D2导 通续流,u0=-Ud /2 . t3时刻i.降至零,D2截止,T2导通,i.开始反 向增大,此时仍然有u0=-Ud /2 . 在t4时刻关断T2,同时给T1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,D1先导通 续流,此时仍然有u0=Ud /2 ; t5时刻 i.降至零, T1导通,u0=Ud /2 ;
输出电流的基波有效值I01和直 流电流Id的关系式为: 返 回
I 01 6 I d 0.78 I d
(4.4.4)
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
4.5
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
1)纯电阻负载时
输出方波电压瞬时值:
uo 4U d 5, n sin nt n 1, 3 ,
(4.3.4)
输出方波电压有效值:
1 UO Ts
Ts / 2
0
U d dt U d
2
(4.3.5)
基波分量的有效值:
U O1 4U d 2 0.9U d
(4.3.6)
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. 图4.3.2 电压型单相全桥逆变电路和电压,电流波形图
4.3.2 电压型单相全桥逆变电路
1,电路工作过程:
全控型开关器件T1 和T4 构成一对桥臂, T2和T3构成一对桥臂, T1和T4同时通,断; T2和T3同时通,断.T1(T)4与T2(T3)的驱动信 号互补,即T1和T4有驱动信号时,T2和T3无 驱动信号,反之亦然,两对桥臂各交替导通 180°.
(4.3.10)
线电压基波幅值
U BC 1m
2U d
(4.3.11)
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
电流型逆变电路
恒流大电感
4.4.1 电流型单相桥式逆变电路
1,电路工作过程:
当T1 , T4 导 通 , T2 , T3 关 断 时 , I0=Id ;反之,I0=-Id . 当以频率f交替切换开关管T1 ,T4 和 T2,T3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.
防反相高压
图4.4.1 电流型单相桥式 逆变电路及电流波形
2,电流波形参数计算:
将图4.4.1(b)所示的电流波形i0展开成傅氏级数,有
io
4I d 1 1 (sin t sin 3t sin 5t ) 3 5
(4.4.1)
其中基波幅值I01m和基波有效值I01 分别为
I 01m
I 01
2)电感负载时 0≤t<Ts/4,Ts2≤t≤3Ts/ 4期间,D1,D4导通起负载电流续 流作用,在此期间T1T4均不导通.
由
di o 2 I om Ud L L Ts dt 2
可得负载电流峰值为:
I om
Ts Ud 4L
(4.3.7)
图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压,电流波形图
逆变器的用途十分广泛:
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.
返 回
4.2
2,工作原理:
式中Ud为逆变器输入直流电压. 根据同样的思路可得其余5个时域的值
图4.3.4 电压型三相桥式逆变电路及其工作波形
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:
u BN 2U d 1 1 1 1 sin t sin 5t sin 7t sin 11t sin 13t 5 7 11 13
返 回
4.5.1 并联谐振式逆变电路 1,电路结构:
大滤波电感 小电感,限制晶闸 管电流上升率
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 图4.6.1 并联谐振式逆变电路的原理图 谐情况下.
图4.3.1 电压型半桥逆变电路及其电压电流波形
缓 冲 电 感 反 馈 的 无 功 能 量
优点: 简单,使用器件少; 缺点: 1)交流电压幅值仅为Ud/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.
应用:用于几kW以下的小功率逆变电源;
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,有源逆变:
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.