无源逆变电路.ppt
第四章 无源逆变电路,第四章 无源逆变电路,无源逆变电路 将直流电转变为频率、幅值固定或可变的交流电并直接供给负载。变频电路 改变交流电频率的电路。分为交-交变频电路和交-直-交变频电路交-直-交变频电路由交-直变换电路和直-交变换电路两部分组成，后一部分属于无源逆变电路，是交-直-交变频电路的核心。应用 交流传动的变频调速 感应加热 功率超声应用 列车照明 脉冲电镀电源 高频直流焊机 高频电子镇流器 快速充电机,4.1 概述,4.1.1 逆变器的分类按相数分：单相逆变器：适用于小功率领域 三相逆变器：适用于中大功率领域根据输入直流电源分：电压型逆变器：输入电源为恒压源，即直流电源端有大容量滤波 电容器，在逆变过程中，直流侧电压基本不变。电流型逆变器：输入电源为恒流源，即直流电源端有大容量滤波 电抗器，在逆变过程中，直流侧电流基本不变。根据电路结构特点分：半桥式、全桥式、推挽式。,4.1.1 逆变器的分类,根据使用器件的换流方式分：负载谐振式换流逆变器：利用负载回路中电阻、电感和电容所形成的谐振电路特性来保证电力开关器件的可靠关断，主要有并联谐振式和串联谐振式换流方式逆变器。强迫换流逆变器：采用专门的换流回路使半控型器件可靠换流。全控开关器件换流逆变器：利用开关器件换流可以省去复杂的换流电路，从而使电路简化，装置的体积小、重量轻。逆变器的输出电压或电一般为方波或矩形波，只有经过PWM控制，才能输出等效于正弦波的PWM脉冲波形。,4.1.2 换流方式,换流 电路从一个支路向另一个支路转移的过程。也称换相。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。换流方式（1）器件换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流。IGBT、MOSFET、GTO、GTR。硬开关换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流 软开关换流：利用电容或电抗器造成电压或电流的谐振条件，在 电压或电流过零时关断器件，减少器件的开关换流。（2）电网换流：由电网提供换流电压。不需要器件具有门极可关断能力，只要对欲关断的元件施加一定时间的负极性电网电压即可。相控整流电路和变频器中的交-交变频属于电网换流方式。,4.1.2 换流方式,（3）负载换流：由负载谐振提供换流电压。当负载电流的相位超前于负载电压，即负载为容性负载时，可以实现半控器件的负载换流。基本的负载换流逆变电路：四个桥臂均由晶闸管组成；负载为电阻电感串联后再和电容并联，附加电容的目的是使整个负载电路工作在接近并联谐振而略呈容性的状态，并改变负载功率因素。直流侧串联一个很大的电感Ld，因此认为id基本没有脉动，四个桥臂开关的切换仅使电流流通路径改变，所以负载电流基本呈矩形波。因为负载工作在对基波电流接近并联谐振状态，故对基波阻抗很大而对谐波阻抗很小，因此负载电压波形接近于正弦波,4.1.2 换流方式,（4）强迫换流：设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或电流。常利用附加电容上所储存的能量来实现，又称为电容换流。强迫换流分类 直接耦合式：由换流电路内电容直接提供换流电压 电感耦合式：通过换流电路内电容和电感的耦合来提供换流电压。,直接耦合式强迫换流 电感耦合式强迫换流,4.1.2 换流方式,直接耦合强迫换流（a）：（a）（b）（c）在晶闸管VT处于通态时预先给电容器按图所示的极性充电，当闭合开关S时，就可使晶闸管施加反压而关断，这种给晶闸管施加反压而使其关断的方式又称为电压换流。电感耦合式强迫换流（b）晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断。接通开关S后，LC振荡电流将反向流过晶闸管VT，与VT的负载电流相抵减，直到流过VT的合成正向电流减至零后，再经过二极管VD导通，二极管的压降给晶闸管加上反压，使其关断。（c）晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断。接通开关S后，LC振荡电流将正向流过晶闸管VT，与VT原有的负载电流相叠加，经过半个振荡周期后，振荡电流反向流过晶闸管VT，直到VT的合成正向电流减至零后再流过二极管VD导通，二极管的压降给晶闸管加上反压，使其关断。这种先使晶闸管电流减至零，再通过并联二极管施加反压的方式又称为电流换流。,4.2 电压型逆变电路,电压型逆变电路主要特点（1）直流侧为电压源，一般并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。（2）由于直流电压源的嵌位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。（3）由于生产实践中大多数负载为阻感负载，因而需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各桥臂都并联了反馈二极管。电压型逆变电路类型：单相半桥型、单向全桥型、三相半桥型、三相全桥型。,4.2.1 单相半桥型逆变电路,电路原理 开关器件V1、V2与两个足够大的输入电容C构成半桥式逆变电路，负载连接在相互串联大电容的中点和两个桥臂连接点之间。电容C相对于逆变频率足够大，所以电容上的电压基本维持不变。V1、V2的栅极控制信号在一个周期内各有半周期正偏和半周期反偏，且两者互补。输出电压为矩形波，其幅值为Um=Ud/2，输出电流波形随负载的变化而变化。,4.2.1 单相半桥型逆变电路,工作原理 t2时刻以前V1为通态，V2为断态。t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，此时V1关断，但V2中并不会立即有电流流过。由于io不能立即改变方向，所以只能通过L-R-C（下）-VD2所组成的回路续流。在t3时刻，io降为零，此时VD2截止，V2导通，io改变方向。t3至t4段io反方向逐渐增加，并在t4时刻达到最大值。在t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号后，V2关断并形成R-L-VD1-C（上）所组成的回路续流，至t5时刻V1开通。,4.2.1 单相半桥型逆变电路,二极管的作用 二极管VD1、VD2称为续流二极管或反馈二极管，有两个作用：（1）为感性负载滞后的负载电流提供反馈到直流电源的通路（2）防止电感产生的反压损坏开关器件半桥逆变电路的特点 电路简单，使用器件少。输出电压小，需要控制两个电容电压的均衡。适用于小功率的逆变电路。,4.2.2 单相全桥型逆变电路,电路原理 桥臂V1和V4一对，桥臂V2和V3一对，成对的两个桥臂同时导通两对交替导通180。VD1、VD2、VD3、VD4均为续流二极管，作用与半桥逆变电路中续流二极管相同。工作原理 开关对V1、V4导通时，a点电位Ua=Ud，b点电位Ub=0，输出电压为Ud，负载电流io由a流向b；开关对V2、V3导通时，a点电位Ua=0，b点电位Ub=Ud，输出电压为-Ud，负载电流io由b流向a；电路的输出波形和半桥的输出波形相同，也是矩形波，其幅值比半桥情况下高一倍。电路负载和半桥相同，io波形也和半桥时相同，其幅值也比半桥情况下高一倍。,a b,4.2.2 单相全桥型逆变电路,基本数量关系 将输出的矩形波电压展开成傅里叶级数得：其中基波分量的幅值和有效值分别为：上述公式同样适用于半桥逆变电路，但式中的Ud换成Ud/2。上述输出的交流电压uo为正负电压各为180的脉冲波形，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。,4.2.2 单相全桥型逆变电路,移相调压 当负载为阻感负载时，可以通过移相调压的方法来调节逆变电路的输出电压。移相调压的实质是调节输出电压脉冲的宽度。如图所示，各IGBT的栅极信号仍然为正负半波各为180的方波，并且V1、V2栅极信号互补，V3、V4栅极信号互补，但V3的信号比V1落后（0 180）。,a b,4.2.2 单相全桥型逆变电路,工作原理 设在t1时刻前V1和V4导通，输出电压为Ud，t1时刻V3和V4栅极控制信号相反，V4截止，由于io不能突变，V3不能立即导通，所以通过VD3导通续流。在回路R-L-VD3-V1中由基尔霍夫电压定理可知输出电压为零。t2时刻，V1和V2栅极控制信号相反，V1截止，V2不能立即导通，VD2和VD3一起构成电流通道，输出电压为-Ud。到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，同时V2和V3开通，输出电压仍为-Ud。t3时刻，V3和V4栅极控制信号再次反向，V3截止，V4不能立即导通，电路通过VD4导通续流。同理输出电压为零，以后的过程和前面类似。所以，改变就可以调节输出电压。,4.2.3 三相电压型逆变电路,电路原理 电路的直流侧有一个大电容，为理解方便画作串联的两个电容器，并标出了假想的中点N。开关元件每隔60按标号1，2，3，4，5，6的次序赋予导通信号，导电角度为180。工作原理 当桥臂1导通（V1或VD1导通）时，当桥臂4导通（V4或VD4导通）时，。所以，的波形是幅值为Ud/2的矩形波。同理可知、的波形也是幅值为Ud/2的矩形波，相位依次相差120。,4.2.3 三相电压型逆变电路,、的波形如图所示：负载的线电压为：d图。负载的相电压：设负载中点N与直流电源假想中点N之间的电压为，则负载各相的相电压分别为：设负载为三相对称负载，有得（e）图,4.2.3 三相电压型逆变电路,的波形也是矩形波，其频率为的三倍。幅值为其1/3，即Ud/6。利用式：求得负载相电压的波形，图（f），uVN、Uwn的波形和uUN相同，相位相差120。负载参数已知，可以由uUN的波形求出U相电流iu。负载的阻抗角 不同，iu波形的形状和相位都不同，（g）图为 时的波形。叠加iU、iV、iw波形可以得到直流侧电流id的波形图（h）。可以看出，电流id每隔60脉动一次，由于直流电压基本没有脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，且脉动情况和id脉动情况基本一致。,4.2.3 三相电压型逆变电路,基本数量关系 uAB展开成傅里叶级数得：式中：为自然数。输出线电压的有效值为：其中，输出线电压基波分量的幅值为：输出线电压基波分量有效值为：将相电压uAN展开成傅里叶级数可得：为自然数。负载相电压有效值为：其中基波幅值和有效值分别为：,4.3 电流型逆变电路,电流型逆变电路 直流侧电源为电流源的电路。主要特点：（1）直流侧为电流源，一般串联有大电感，相当于电压源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻态。（2）电路中开关器件的作用是改变直流电流的流通路径，交流侧输出电流波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。（3）当交流侧负载为阻感负载，需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。有由于反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样给开关器件反并联一个续流二极管。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路较多应用在晶闸管中频逆变电源中，采用负载换流方式，要求负载电流略超前于负载电压即负载略呈容性。由于实际负载一般为感性负载，因此需要并联一个补偿电容器C，,4.3.1 三相电流型逆变电路,电路原理 采用反向阻断型GTO。交流侧电容是为了吸收换流时负载电感中存储的能量而设置的。三相电流型桥式逆变电路采用120导电方式，即每个臂一周期内导电120，按16的顺序每隔60依次导通，这样每个时刻上下桥臂各有一个臂导通，换流时，在上桥臂组或下桥臂组的组内依次换流，称为横向换流工作波形 电流波形和负载性质无关，是正负脉冲宽度各为120的矩形波。,4.3.1 三相电流型逆变电路,如图所示，给出逆变电路的三相交流电流波波形和线电压uUV的波形。由图看出，输出电流波形和三相桥式可控整流电路在阻感负载下交流输入电流波波形形状相同。因此，他们的谐波分析表达式也相同。输出线电压波形和负载性质有关，图给出的波形大体为正弦波，但叠加了一些脉冲，这是由于逆变器换流过程而引起的。输出交流电流的基波有效值IU1和直流电流Id的关系为：,4.3.2 电压型变换器和电流型变换器的比较,滤波环节：大电容、电源阻抗小和大电感。输出波形：电压为矩形波或阶梯波，电流波形含有高次谐波并对负载变化反映迅速；电流为矩形波或阶梯波，电压波形取决于负载，对于电动机负载，其波形接近于正弦波。四象限运行：电压型不易进行四象限运行，电流型可以。负载：电压型适于带多台电机齐速运行；电流型适于单机拖动。尤其适于加减速频繁、需经常反转的场合。功率因素：电压型如采用可控整流，其功率因素与电流型差不多；如采用不可控整流，其功率因素比电流型好。由于采用不可靠整流会失去四象限运行功能，电流型一般采用可控整流。动态性能及稳定性：电压型并有大电容，电流控制和保护较难；电流型可用电流内环控制，快速响应，动态性能好，低频时有转矩脉动现象。,4.4 谐振型逆变电路,谐振型逆变电路 负载与换流电容器构成RLC电路且满足谐振条件。根据结构分类：串联式谐振逆变 并联式谐振逆变主要特点：（1）逆变电路输出波形为方波电压或方波电流。（2）将逆变频率调谐在负载谐振频率附近，可获得正弦的输出电流或电压，无需通过低通滤波器来消除低次谐波。（3）因为利用负载的谐振特点，电路中的元件要承受较大的峰值电流或电压。由于可以利用负载谐振特性换流，可以实现软开关换流。,4.4.1 电压型串联谐振式逆变电路,负载换流串联式逆变器 对功率因素较低的感性负载都采用串联电容的方式进行功率因素补偿。电路原理：（单相桥式电路）R、L为负载等效电阻与电感，C为补偿电容，VD1VD4为续流二极管。工作原理 谐振时，电流谐振角频率，电感和电容阻抗互相抵消，即电路阻抗为纯阻性质。根据逆变器的触发频率 与谐振频率 的关系，负载电路可以有断续、临界和连续三种情况。（1），此时谐振过程电流断续，各管的导通情况和电路内电流、电压的主要波形如下图。,4.4.1 电压型串联谐振式逆变电路,当t=0时，触发VT1、VT2，电流从电源的正端VT1RLCVT2电源的负端流通。负载电路由于，总是工作在振荡状态，因此负载电流io按正弦规律变化，到t1时刻电流降到零，但在电容上已经充有极性为左正右负的电压，而且由于电感L足够大，因而电容器上的电压uc必定高于电源电压Ud。从而致使电流在t1t2区间经电容C的左端LRVD1电源正端Cd电源负端VD2电容C的右端流通，形成io的负半波。t2t3区间，VT1VT4都不导通，负载电流断续；在t3时刻触发VT3VT4，重复另一个周期的振荡过程，电流方向与上述相反。,4.4.1 电压型串联谐振式逆变电路,晶闸管及负载两端的电压：t0t1区间，VT1、VT2流通，其上仅为管压降，负载两端电压uo为直流端电压与两个管压降之差；t1t2区间，VD1、VD2流通，其上仅为管压降，负载两端电压uo为直流端电压与两个管压降之和；t2t3区间，所有晶闸管和二极管都截止，VT1VT4上的电压由各元件的漏电流及装置的绝缘电阻决定。t3t4区间，VT3、VT4流通，其上电压为管压降，VT1、VT2 两端电压略低于直流端电压。t4t5区间，VD3、VD4流通，VT3、VT4 承受反压，VT1、VT2 两端电压略高于直流端电压，两者之差为VD3、VD4的正向管压降；t5t6区间，所有两端的电压又变为一个浮动值。,4.4.1 电压型串联谐振式逆变电路,逆变器的传输功率：由图可以看出：只有在t0t1和t3t4两段时间内，负载电流和负载电压同相，能量从电源送至负载；在t1t2和t4t5两段时间内，负载电流和负载电压反相，负载将能量返回电源；在t2t3和t5t6两段时间内，负载电流为零，电源和负载间无能量传输；在一个周期内，电源向负载传输的能量为三部分的代数和，其值不太大。负载功率小的原因是这种工作状态是断续工作，就像时钟摆动，向左推动一下，停下来，在向右推一下，又停下来，振幅是很小的。要想增大功率输出，必须提高频率，使电流连续。,4.4.1 电压型串联谐振式逆变电路,（2），为了提高输出功率，必须充分利用电力半导体器件的能力，消灭电流断续区间，尽量缩减能量回馈电源的时间，换言之，提高晶闸管的触发频率，使它的触发频率高于负载电路的固有振荡频率，即，这种情况下，前一振荡周期还未结束，后一振荡周期就已经开始。,
