電力電子技術(shù)課件04

1、電力電子技術(shù)課件044-1電力電子技術(shù)課件044-2逆變的概念 逆變與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變無源逆變。主要應(yīng)用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等對交流的轉(zhuǎn)換。交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。本章講述無源逆變電力電子技術(shù)課件044-3逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種： 1）直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路； 2）直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路；本章應(yīng)掌握內(nèi)容本章應(yīng)掌握內(nèi)容 4.1 換流方式 4.2 電壓型逆變電路 4.3 電流型逆變電路。電力電子技術(shù)課件

2、044-4返回電力電子技術(shù)課件044-5以單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理圖4-1 逆變電路及其波形舉例負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。返回電力電子技術(shù)課件044-6 逆變電路最基本的工作逆變電路最基本的工作原理原理 改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖4-1 逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載阻感負(fù)載時(shí)，i io o相位滯后于u uo o，波形也不同。返回電力電子技術(shù)課件044-

3、7 換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。換流的基本方式。1）器件換流（IGBT,GTO,GTR, MOSFET)2）電網(wǎng)換流3）負(fù)載換流（負(fù)載滿足的條件？）4）強(qiáng)迫換流（直接耦合式，電感耦合式）SCR 換流換流電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相換相。返回電力電子技術(shù)課件044-81) 器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。器件IGBT 、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2) 電網(wǎng)換流電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。3) 負(fù)載換流 由負(fù)載提供換流電壓，當(dāng)負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流

4、。返回電力電子技術(shù)課件044-9 t t t tRLCOOOOiit1 1b)a)EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4思考：1.此電路是電壓型逆變還是電流型逆變電路？2.如何理解負(fù)載電流波形是矩形波？3.如何理解電壓波形近似為正弦波？（負(fù)載特點(diǎn)）4. 換流過程如何實(shí)現(xiàn)？4.如何保證順利可靠換流？負(fù)載換流電路及其工作波形 返回電力電子技術(shù)課件044-10 直接耦合式直接耦合式強(qiáng)迫換流 當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時(shí)，預(yù)先給電容充電。當(dāng)S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。 也叫電壓換流電壓換流。圖4-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖圖

5、4-4 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖 電感耦合式電感耦合式強(qiáng)迫換流 先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓。 也叫電流換流電流換流。4)強(qiáng)迫換流返回電力電子技術(shù)課件044-11換流方式總結(jié)：器件換流適用于全控型器件。其余三種方式針對晶閘管。器件換流和強(qiáng)迫換流屬于自換流。電網(wǎng)換流和負(fù)載換流屬于外部換流。當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱悖瑒t稱為熄滅熄滅。返回電力電子技術(shù)課件044-12 返回l 單相半橋電壓型逆變電路；l 單相全橋電壓型逆變電路；l 帶中心抽頭變壓器逆變電路。l 三相全橋電壓型逆變電路。電力電子技術(shù)課件044-13（1） 半橋逆變

6、電路 導(dǎo)電方式：V1，V2驅(qū)動(dòng)信號互補(bǔ)，各導(dǎo)通180圖46 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形返回電力電子技術(shù)課件044-14工作原理：（1）t1t2 電源電壓經(jīng)V1對負(fù)載供電，電流指數(shù)規(guī)律 上升。負(fù)載電壓為1/2ud.（2）t2t3 電感經(jīng)VD2續(xù)流，電流指數(shù)規(guī)律下降。負(fù)載電壓為-1/2ud. （3） t3t4 電源經(jīng)V2對負(fù)載供電，電流指數(shù)規(guī)律反向上升。負(fù)載電壓為-1/2ud.（4） t4t4 電感經(jīng)VD1續(xù)流，電流指數(shù)規(guī)律反向下降，負(fù)載電壓為1/2ud.因?yàn)槭亲韪胸?fù)載，呈感性，電流滯后電壓，滯后角=arctanL/R.單向半橋電壓逆變電路優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)：優(yōu)點(diǎn)：所用器件少。缺點(diǎn)：u0幅值小，只

7、有電源電壓的一半，并且輸入端接兩個(gè)電容，還需保證 C1=C2,不能精確滿足。思考：電路中的二極管主要起什么作用？答：當(dāng)負(fù)載為感性或阻感性時(shí)，二極管為負(fù)載向直流電源反饋能量提供通道（即續(xù)流過程），故這些二極管被稱之為反饋二極管。為了解決這一矛盾，在單向半橋的基礎(chǔ)上提出了單向全橋電壓型逆變電路。單相半橋一般應(yīng)用在小功率電路中。 功率較大時(shí)怎么辦？圖46 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形返回電力電子技術(shù)課件044-15（2） 全橋逆變電路+- -CRL圖5-5圖5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio由四個(gè)臂構(gòu)成，輸入端并有一個(gè)電容。負(fù)載接在上下兩組臂之間。圖4-7 單相全橋電壓

8、型逆變電路返回電力電子技術(shù)課件044-16+- -CRL圖5-5圖5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio導(dǎo)電方式一：V1,V4同時(shí)通斷；V2,V3同時(shí)通斷。V1,V4與V2,V3信號互補(bǔ)，各導(dǎo)電180（對比半橋思考） 。圖圖4-7-1單相單相全橋電壓型逆變電路波形電壓型逆變電路波形圖4-7 單相全橋電壓型逆變電路返回工作原理：與單向半橋電路工作原工作原理：與單向半橋電路工作原理相同，只不過全橋中是兩個(gè)臂同理相同，只不過全橋中是兩個(gè)臂同時(shí)工作，半橋中一個(gè)臂單獨(dú)工作。時(shí)工作，半橋中一個(gè)臂單獨(dú)工作。全橋輸出電壓，電流波形與半橋完全橋輸出電壓，電流波形與半橋完全一樣，但幅值均為半橋

9、的兩倍。全一樣，但幅值均為半橋的兩倍。電力電子技術(shù)課件044-17 單相電壓全橋輸出電壓uo定量分析 圖4-7-1對應(yīng)uo展開成傅里葉級數(shù) 基波幅值 基波有效值o411sinsin3sin535mUuttto1m41.27ddUUUdd1o9 . 022UUU返回電力電子技術(shù)課件044-18思考：如果要改變輸出電壓的有效值（或幅值），可采取哪些方案？1、可控整流調(diào)壓方案；2、斬波調(diào)壓方案；返回逆變器導(dǎo)電方式一（180導(dǎo)電方式導(dǎo)電方式）逆變器導(dǎo)電方式二移相導(dǎo)電方式（移相調(diào)壓）移相導(dǎo)電方式（移相調(diào)壓）3、逆變器自身控制方案。 答：電力電子技術(shù)課件044-19 導(dǎo)電方式二（移相導(dǎo)電）：V1,V2信號

10、互補(bǔ)；V3,V4信號互補(bǔ)；V3信號比V1信號落后（ 0180）所謂移相：即改變的大小。圖4-7-2 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式返回電力電子技術(shù)課件044-20 單相電壓全橋輸出電壓uo定量分析圖4-7-2 對應(yīng)uo展開成傅里葉級數(shù) 基波幅值 基波有效值o4131517sinsinsinsin3sinsin5sinsin72325272dUutttto1m4sin1.27sin22ddUUUdo1d2 2sin0.9sin22UUU返回電力電子技術(shù)課件044-213） 帶中心抽頭變壓器的逆變電路圖4-8 帶中心抽頭變壓器的逆變電路 在Ud和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1情況下，uo和i

11、o o波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。 與全橋電路的比較：比全橋電路少用一半開關(guān)器件。器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高 一倍。必須有一個(gè)變壓器 。交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。兩個(gè)二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。返回電力電子技術(shù)課件044-22三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路圖4-9 三相電壓型橋式逆變電路返回電力電子技術(shù)課件044-23基本工作方式（180導(dǎo)電方導(dǎo)電方式）式） 每橋臂導(dǎo)電180，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120 。 任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。 每次換流都是在同一

12、相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流縱向換流。返回電力電子技術(shù)課件044-24 波形分析負(fù)載各相到電源中點(diǎn)N的電壓：U相，V1通，uUN=Ud/2，V4通，uUN=-Ud/2負(fù)載線電壓 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu 負(fù)載相電壓)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓NN NN NUNUN VNVN WNWN N uuuuuuuuu返回三相負(fù)載三相負(fù)載對稱，對稱，值為零值為零電力電子技術(shù)課件044-25返回2 31111sinsin5sin7sin11sin13571113dUVUuttttt式（4-8）20.8163UV

13、ddUUU110.782UV mUVdUUU12 31.1dUV mdUUU輸出線電壓有效值：線電壓基波幅值：線電壓基波有效值：電力電子技術(shù)課件044-26返回 三相橋電壓型逆變電路輸出相電壓傅里葉級數(shù)表達(dá)式：21111sinsin5sin7sin11sin13571113dUNUuttttt式（4-12）0.471UNdUU110.452UN mUNdUUU120.637dUN mdUUU輸出相壓有效值：相電壓基波幅值：相電壓基波有效值：電力電子技術(shù)課件0427dUN1mUN145.02UUUddUN1m637. 02UUUddUV1m1.132UUUddUV1mUV178. 062UUUU

14、0.4520090（V） 0.637200127.4(V) 1.1200=220（V） 0.78200=156（V） VUUUUUV2211.0767dd1UV7例：三相橋式電壓型逆變電路，例：三相橋式電壓型逆變電路，180導(dǎo)電方式，導(dǎo)電方式，Ud=200V。試求輸出。試求輸出相電壓的基波幅值相電壓的基波幅值UUN1m和有效值和有效值UUN1、輸出線電壓的基波幅值、輸出線電壓的基波幅值UUV1m和有效值和有效值UUV1、輸出線電壓中、輸出線電壓中7次諧波的有效值次諧波的有效值UUV7。 解解:電力電子技術(shù)課件044-28（1）三相橋電壓型逆變電路應(yīng)用在大功率場合。（2）各相輸出電壓在相位上相差

15、1200，電流波形根據(jù)負(fù)載情況的不同而不同。（3）在導(dǎo)電上，為防止同一相的兩個(gè)器件同時(shí)開通而導(dǎo)致電源短路，應(yīng)遵循“先斷后通”的原則:即要關(guān)斷的器件在徹底關(guān)斷之后再給需開通的器件開通信號，因此，要留一定的時(shí)間裕量（實(shí)際在單相中也應(yīng)如此） 。返回電力電子技術(shù)課件044-29電流型逆變直流側(cè)輸入電源為電流源電流型逆變電路的特性：（1）直流側(cè)串大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動(dòng)。（2）因?yàn)槭呛懔?，輸出電流波形是矩形波，輸出電壓波形與負(fù)載有關(guān)系。（3）電路中不必加反饋二極管。（4）電感起到緩沖無功能量的作用。 返回電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多,換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。電

16、力電子技術(shù)課件044-30 返回電力電子技術(shù)課件044-31ABCRL圖5-12圖5-12LdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4uoio 4 4個(gè)橋臂，每橋臂晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器個(gè)橋臂，每橋臂晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器L LT T，用來，用來限制晶閘管開通時(shí)的限制晶閘管開通時(shí)的d di i/d/dt t。采用負(fù)載換相方式，要求負(fù)載電流略超前于負(fù)載電壓采用負(fù)載換相方式，要求負(fù)載電流略超前于負(fù)載電壓（呈容性），并聯(lián)電容同時(shí)有提高功率因數(shù)的作用。（呈容性），并聯(lián)電容同時(shí)有提高功率因數(shù)的作用。C C和和L L、R R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并

17、聯(lián)諧振式逆變電路（但最終負(fù)載仍略顯容性，準(zhǔn)確應(yīng)稱之為容式逆變電路（但最終負(fù)載仍略顯容性，準(zhǔn)確應(yīng)稱之為容性小失諧負(fù)載）。性小失諧負(fù)載）。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。并聯(lián)諧振回路對基波呈高阻抗，對諧波呈低阻抗，并聯(lián)諧振回路對基波呈高阻抗，對諧波呈低阻抗，諧波在負(fù)載上產(chǎn)生的壓降很小，因此負(fù)載電壓波形接諧波在負(fù)載上產(chǎn)生的壓降很小，因此負(fù)載電壓波形接近正弦波。近正弦波。圖412 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路1) 電路原理返回電力電子技術(shù)課件044-32基本導(dǎo)電方式：基本導(dǎo)電方式：1 1，4 4

18、同時(shí)同時(shí)通斷，通斷，2 2，3 3同時(shí)通斷。同時(shí)通斷。ABCRL圖5-12圖5-12LdIdVT1VT2VT3VT4LT1LT2LT3LT4uoiotOtO圖5-13tOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tuotuABttIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,42) 工作分析返回電力電子技術(shù)課件044-33為保證可靠換流，應(yīng)在負(fù)載電壓 過零前 時(shí)間去觸發(fā)VT2、 VT3， 稱觸發(fā)引前時(shí)間：思考：思考： (1)(1)怎樣確保晶閘管可靠關(guān)斷？怎樣確保晶閘管可靠關(guān)斷？ (2(2）觸發(fā)引前時(shí)間是指什么時(shí)間？）觸發(fā)引前時(shí)間是指什么時(shí)間？ （3 3

19、）觸發(fā)引前時(shí)間考慮哪些因素？）觸發(fā)引前時(shí)間考慮哪些因素？電流減小為零，晶閘管還需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力，也就是說電流為零后還要使VT1、VT4承受一段反壓時(shí)間tb，這樣晶閘管才能真正可靠關(guān)斷。如果不能滿足上要求，則會導(dǎo)致逆變失敗。返回0uttttt3)電力電子技術(shù)課件044-34 單相橋式電流型逆變電路輸出電流io定量分析 圖4-13對應(yīng)io近似展開成傅里葉級數(shù) 基波幅值 基波有效值o411sinsin3sin535dIittto1m41.27ddIIIdo1d2 20.9III返回4)電力電子技術(shù)課件044-351）采用全控型器件GTO電路基本工作方式是基本工作方式是1201200 0

20、導(dǎo)電方式導(dǎo)電方式（每個(gè)臂一周期內(nèi)導(dǎo)電（每個(gè)臂一周期內(nèi)導(dǎo)電1201200 0）。）。圖4-11 電流型三相橋式逆變電路返回每時(shí)刻上下橋臂組各有一個(gè)臂導(dǎo)通，每時(shí)刻上下橋臂組各有一個(gè)臂導(dǎo)通，為為橫向換流。橫向換流。電力電子技術(shù)課件044-36電力電子技術(shù)課件044-37 輸出相電流波形和負(fù)載性質(zhì)無關(guān)，為正負(fù)各120的矩形波。 輸出線電壓波形和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，大體為正弦波，因電感的作用，每次換相時(shí)會產(chǎn)生電壓沖擊。 因直流輸入電感值很大才能構(gòu)成一個(gè)電流源，因此電感的重量體積都很大，這是電流型逆變器使用不廣泛的一個(gè)重要原因。返回電力電子技術(shù)課件044-382）串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路主要用于中大功率交流電

21、動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。M3UVW+- -圖5-15圖5-15LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6電流型三相橋式逆變電路，輸出波形與全控型器件時(shí)一樣。各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用。 120導(dǎo)電工作方式強(qiáng)迫換流方式，電容C1C6為換流電容。圖4-14 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路 返回電力電子技術(shù)課件044-39分析流過程（強(qiáng)迫換流）：電容器充電規(guī)律：對共陽極晶閘管，它與導(dǎo)通晶閘管相連一端極性為正，另一端為負(fù)，不與導(dǎo)通晶閘管相連的電容器電壓為零等效換流電容概念：分析從VT1向VT3換流時(shí)，C13就是C3與C4串聯(lián)后再與C1并聯(lián)的等效電容，返回電力電子技術(shù)課件044-40（2）t1時(shí)刻觸發(fā)VT3導(dǎo)通，VT1被施以反壓而關(guān)斷（1）假設(shè)換流前VT1和VT2通，C13電壓UC0左正右負(fù)- - +UVW+ - -UVWa)+ - -UVWb)- - +UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV（1） （2） （3） （4）Id