详细逆变电路原理分析.ppt
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：,4.2 逆变电路的工作原理,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T1T4，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：,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。,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；,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。,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。,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,0tTs4，Ts2t3Ts4期间，D1、D4导通起负载电流续流作用，在此期间T1T4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),0t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。t期间，i0为正值，T1和T4才导通。t+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。+t2期间，T2和T3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T1T2 T3 T4 T5T6，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,1、工作过程：,将一个工作周期分成6个区域。在00,ug20,ug30，则有T1，T2，T3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Ud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,4.4.1 电流型单相桥式逆变电路,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。,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I01m和基波有效值I01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i0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1T2T3T4T5T6，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I01和直流电流Id的关系式为：,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,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，io超前电压uo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,t2时刻触发T2，T3，电路开始换流。由于T2，T3导通时，负载两端电压施加到T1，T4的两端，使T1，T4承受负压关断。由于每个晶闸管都串有换相电抗器LT，故T1和T4在t2时刻不能立刻关断，T2，T3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Ld的恒流作用，电源不会短路。当t=t4时刻，T1、T4电流减至零而关断，直流侧电流Id全部从T1、T4转移到T2、T3，换流过程结束。t4-t2=tr称为换流时间。T1、T4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T1、T4承受一段反压时间t才能保证可靠关断。t=t5t4应大于晶闸管关断时间tq。,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u0过零前t时刻触发T2、T3，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，i0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Pi为,逆变电路的输出功率Po为,因为Po=Pi，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i0和直流侧电流Id的关系：,(4.6.3),(4.6.6),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D1D4。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T1、T4导通，电流从A流向B，uo左正右负。由于电流超前电压，当t=t1时，电流为零。当tt1时，电流反向。由于T2、T3未导通，反向电流通过二极管D1、D4续流，T1、T4承受反压关断。当t=t2时，触发T2、T3，负载两端电压极性反向，即左负右正，D1、D4截止，电流从T2、T3中流过。当tt3时，电流再次反向，电流通过D2、D3续流，T2、T3承受反压关断。当t=t4时，再触发T2、T3。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tq。,图4.5.5 串联谐振式逆变 电路的工作波形图,2、工作原理,
