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文檔簡介
第7章:無源逆變電路7.1
逆變器的性能指標與分類
7.2
逆變電路的工作原理7.3
電壓型逆變電路7.4
電流型逆變電路7.5
逆變器的SPWM控制技術(shù)7.6負載換流式逆變電路
7.1逆變器的性能指標與分類
1)定義:如果將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上,把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去,2)應(yīng)用:它用于直流電機的可逆調(diào)速、繞線型異步電機的串級調(diào)速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。1)定義:逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接,而是直接接到負載,即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負載,2)應(yīng)用:它在交流電機變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源等方面應(yīng)用十分廣泛,是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容。1、有源逆變:2、無源逆變:(一)逆變器的性能指標
(1)諧波系數(shù)HF(HarmonicFactor)諧波系數(shù)HF定義為諧波分量有效值同基波分量有致值之比,即
式中n=1、2、3…,表示諧波次數(shù),n=1時為基波。(7.1.1)
(2)總諧波系數(shù)THD(TotalHarmonicDistrotion)
(7.1.2)(5)電磁干擾(EMI)和電磁兼容性(EMC)(3)逆變效率
(4)單位重量的輸出功率:衡量逆變器輸出功率密度的指標??傊C波系數(shù)表征了一個實際波形同其基波的接近程度。THD定義為(二)逆變電路的分類
①
電壓型:電壓型逆變器的輸人端并接有大電容,輸入直流電源為恒壓源,逆變器將直流電壓變換成交流電壓。
②電流型:電流型逆變器的輸入端串接有大電感,輸入直流電源為恒流源,逆變器將輸入的直流電流變換為交流電流輸出。(1)、根據(jù)輸入直流電源特點分類
①半橋式逆變電路;②全橋式逆變電路;③推挽式逆變電路;④其他形式:如單管晶體管逆變電路。(2)、根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點分類① 負載換流型逆變電路;②脈沖換流型逆變電路;③器件及電網(wǎng)換流型逆變電路。(二)逆變電路的分類(3)、根據(jù)換流方式分類(4)、根據(jù)負載特點分類①非諧振式逆變電路②諧振式逆變電路(5)、根據(jù)輸出波形特點分類①正弦波①方波及其他非正弦波(三)換流方式分類換流——電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程,也稱為換相。開通:適當?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使器件開通。關(guān)斷:全控型器件可通過門極關(guān)斷。半控型器件晶閘管,必須利用外部條件才能關(guān)斷。一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反壓,才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。(三)換流方式分類1)
器件換流(DeviceCommutation)利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。在采用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(LineCommutation)電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力,但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3)
負載換流(LoadCommutation)(三)換流方式分類圖7-1
負載換流電路及其工作波形
由負載提供換流電壓的換流方式稱負載換流負載電流的相位超前于負載電壓的場合,都可實現(xiàn)負載換流。如圖是基本的負載換流電路,4個橋臂均由晶閘管組成。整個負載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。直流側(cè)串電感,工作過程可認為id
基本沒有脈動。uo接近正弦波。注意觸發(fā)VT2、VT3的時刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量,才能使換流順利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT44)強迫換流(ForcedCommutation)(三)換流方式分類由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓直接耦合式強迫換流通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流電感耦合式強迫換流設(shè)置附加的換流電路,給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流。通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn),因此也稱為電容換流。分類(三)換流方式分類直接耦合式強迫換流當晶閘管VT處于通態(tài)時,預(yù)先給電容充電。當S合上,就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。
也叫電壓換流。圖7-2直接耦合式強迫換流原理圖圖7-3
電感耦合式強迫換流原理圖電感耦合式強迫換流
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。(三)換流方式分類換流方式總結(jié):器件換流——適用于全控型器件。其余三種方式——針對晶閘管。器件換流和強迫換流——屬于自換流。電網(wǎng)換流和負載換流——屬于外部換流。當電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移,而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?,則稱為熄滅。(四)逆變電路用途
1、可以做成變頻變壓電源(VVVF),主要用于交流電動機調(diào)速。
2、可以做成恒頻恒壓電源(CVCF),其典型代表為不間斷電源(UPS)、航空機載電源、機車照明,通信等輔助電源也要用CVCF電源。
3、可以做成感應(yīng)加熱電源,例如中頻電源,高頻電源等。逆變器的用途十分廣泛:以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理7.2
逆變電路的工作原理圖7-4
逆變電路及其波形舉例負載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1~S4是橋式電路的4個臂,由電力電子器件及輔助電路組成。7.2
逆變電路的工作原理S1、S4閉合,S2、S3斷開時,負載電壓uo為正。S1、S4斷開,S2、S3閉合時,負載電壓uo為負。直流電交流電7.2
逆變電路的工作原理逆變電路最基本的工作原理
——改變兩組開關(guān)切換頻率,可改變輸出交流電頻率。圖7-5
逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負載時,負載電流io和uo的波形相同,相位也相同。阻感負載時,io相位滯后于uo,波形也不同。7.3電壓型逆變電路1)逆變電路的分類
—根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同電壓型逆變電路——又稱為電壓源型逆變電路VoltageSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電壓源電流型逆變電路——又稱為電流源型逆變電路CurrentSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電流源7.3
電壓型逆變電路2)電壓型逆變電路的特點圖7-6電壓型全橋逆變電路
(1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容,直流側(cè)電壓基本無脈動,直流回路呈現(xiàn)低阻抗。
(2)輸出電壓為矩形波,輸出電流因負載阻抗不同而不同。
(3)阻感負載時需提供無功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道,逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。7.3.1電壓型單相半橋逆變電路
它由兩個導電臂構(gòu)成,每個導電臂由一個全控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容C1和C2,且滿足C1=C2。設(shè)感性負載連接在A、0兩點間。
T1和T2之間存在死區(qū)時間,以避免上、下直通,在死區(qū)時間內(nèi)兩晶閘管均無驅(qū)動信號。圖7.7
電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形
1.電壓型單相半橋逆變電路結(jié)構(gòu)及波形:在一個周期內(nèi),電力晶體管T1和T2的基極信號各有半周正偏,半周反偏,且互補。若負載為阻感負載,設(shè)t2時刻以前,T1有驅(qū)動信號導通,T2截止,則u0=Ud/2。
t2時刻關(guān)斷的T1,同時給T2發(fā)出導通信號。由于感性負載中的電流i。不能立即改變方向,于是D2導通續(xù)流,u0=-Ud/2
。
t3時刻i。降至零,D2截止,T2導通,i。開始反向增大,此時仍然有u0=-Ud/2
。在t4時刻關(guān)斷T2,同時給T1發(fā)出導通信號,由于感性負載中的電流i。不能立即改變方向,D1先導通續(xù)流,此時有u0=Ud/2
;
t5時刻
i。降至零,T1導通,u0=Ud/2
;
圖7.8
電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形
2.電壓型單相半橋逆變電路工作原理7.3.1電壓型單相半橋逆變電路
緩沖電感反饋的無功能量
輸出電壓有效值為:
由傅里葉分析,輸出電壓瞬時值為:
其中,為輸出電壓角頻率。當n=1時其基波分量的有效值為:
7.3.1電壓型單相半橋逆變電路(7.3.1)(7.3.2)(7.3.3)圖7.9
電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形
7.3.1電壓型單相半橋逆變電路優(yōu)點:電路簡單,使用器件少。缺點:輸出交流電壓幅值為Ud/2,且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián),要控制兩者電壓均衡。應(yīng)用:用于幾kW以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。7.3.2電壓型單相全橋逆變電路全控型開關(guān)器件T1和T4構(gòu)成一對橋臂,T2和T3構(gòu)成一對橋臂,T1和T4同時通、斷;T2和T3同時通、斷。T1(T4)與T2(T3)的驅(qū)動信號互補,即T1和T4有驅(qū)動信號時,T2和T3無驅(qū)動信號,反之亦然,兩對橋臂各交替導通180°。圖7.10電壓型單相全橋逆變電路和電壓、電流波形圖
1、電路結(jié)構(gòu):
7.3.2電壓型單相全橋逆變電路
0≤t<Ts/2期間,T1和T4有驅(qū)動信號,T1和T4導通,T2和T3無驅(qū)動信號,T2和T3不導通,
u0=+Ud。
Ts/2≤t<Ts期間,T2和T3有驅(qū)動信號導通,T1和T4無驅(qū)動信號截止,
u0=-Ud。輸出的電壓是π弧度寬的方波電壓,幅值為Ud。1)電阻負載R時圖7.11
電壓型單相全橋逆變電路和電壓、電流波形圖
7.3.2電壓型單相全橋逆變電路
0≤t<Ts/4,T1和T4有驅(qū)動信號,由于電流i0為負值,在此期間T1、T4均不導通,D1、D4導通起負載電流續(xù)流作用,
u0=+Ud
。圖7.11電壓型單相全橋逆變電路和電壓、電流波形圖
2)電感負載L時Ts/2≤t≤3Ts/4期間,T2和T3有驅(qū)動信號,由于電流i0為正值,T2、T3不導通,D2、D3導通起負載電流續(xù)流作用,u0=-Ud
。Ts/4≤t<Ts/2期間,電流i0為正值,T1、T4才導通。3Ts/4≤t≤Ts期間,T2和T3才導通。7.3.2電壓型單相全橋逆變電路輸出方波電壓瞬時值:
輸出方波電壓有效值:基波分量的有效值:圖7.11電壓型單相全橋逆變電路和電壓、電流波形圖(7.3.6)(7.3.4)(7.3.5)同單相半橋逆變電路相比,在相同負載的情況下,其輸出電壓和輸出電流的幅值為單相半橋逆變電路的兩倍。數(shù)量關(guān)系7.3.2電壓型單相全橋逆變電路阻感負載時,還可采用移相的方式來調(diào)節(jié)輸出電壓-移相調(diào)壓。V3的基極信號比V1落后q
(0<q
<180
°)。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180°-q。輸出電壓是正負各為q的脈沖。改變q就可調(diào)節(jié)輸出電壓。7.3.3電壓型三相橋式逆變電路三個單相橋式逆變電路可組合成一個三相橋式逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路圖7.12電壓型三相橋式逆變電路7.3.3電壓型三相橋式逆變電路
電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式為180°導電型,即每個橋臂的導電角為180°,同一相上下橋臂交替導電的縱向換流方式,各相開始導電的時間依次相差120°。在一個周期內(nèi),6個開關(guān)管觸發(fā)導通的次序為T1→T2→T3→T4
→T5→T6
,依次相隔60°,任一時刻均有三個管子同時導通,導通的組合順序為①T1T2T3,②T2T3T4,③T3T4T5,④T4T5T6,⑤T5T6T1,⑥T6T1T2,每種組合工作60°。圖7.13電壓型三相橋式逆變電路
1、工作原理:7.3.3電壓型三相橋式逆變電路
將一個工作周期分成6個區(qū)域。在0<ωt≤π/3區(qū)域,設(shè)ug1>0,ug2>0,ug3>0,則有T1,T2,T3導通,
2、各相負載相電壓和線電壓波形:根據(jù)同樣的思路可得其余5個時域的值線電壓相電壓圖7.14電壓型三相橋式逆變電路及其工作波形式中Ud為逆變器輸入直流電壓。7.3.3
三相電壓型逆變電路3、數(shù)量關(guān)系:輸出線電壓有效值:基波幅值:基波有效值:負載相電壓有效值:基波幅值:基波有效值:7.3.4電壓型逆變電路的特點:1.直流側(cè)接有大電容,相當于電壓源,直流電壓基本無脈動,直流回路呈現(xiàn)低阻抗。2.由于直流電壓源的鉗位作用,交流側(cè)電壓波形為矩形波,與負載阻抗角無關(guān)。3.當交流側(cè)為電感性負載時需提供無功功率,直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。4.逆變電路從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動的。5.當用于交—直—交變頻器中且負載為電動機時,若電動機工作再生制動狀態(tài),就必須向直流電源反饋能量。電流型逆變電路主要特點:
(1)
直流側(cè)串大電感,電流基本無脈動,相當于電流源。7.4電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。圖7.15電流型三相橋式逆變電路
(2)
交流輸出電流為矩形波,與負載阻抗角無關(guān)。輸出電壓波形和相位因負載不同而不同。
(3)直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用,不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中,采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。換流方式有負載換流、強迫換流(脈沖換流)。7.4.1
電流型單相橋式逆變電路
當T1、T4導通,T2、T3關(guān)斷時,I0=Id;反之,I0=-Id。當以頻率f交替切換開關(guān)管T1、T4和T2、T3時,則在負載上獲得如圖
7.15(b)所示的電流波形。輸出電流波形為矩形波,與電路負載性質(zhì)無關(guān),而輸出電壓波形由負載性質(zhì)決定。主電路開關(guān)管采用自關(guān)斷器件時,如果其反向不能承受高電壓,則需在各開關(guān)器件支路串入二極管。圖7.15電流型單相橋式逆變電路及電流波形
1、電路工作原理:防反相高壓恒流大電感其中基波幅值I01m和基波有效值I01分別為
(7.4.1)
(7.4.2)
(7.4.3)
7.4.1電流型單相橋式逆變電路將圖7.15(b)所示的電流波形i0展開成傅氏級數(shù),有2、電流波形參數(shù)計算:
圖7.16電流型單相橋式逆變電路及電流波形
7.4.2電流型三相橋式逆變電路
導電方式為120°導通、橫向換流方式,任意瞬間只有兩個橋臂導通。
導通順序為T1→T2→T3→T4→T5→T6,依次間隔60°,每個橋臂導通120°。這樣,每個時刻上橋臂組和下橋臂組中都各有一個臂導通。
輸出電流波形與負載性質(zhì)無關(guān)。
輸出電壓波形由負載的性質(zhì)決定。圖7.17電流型三相橋式逆變電路原理圖及輸出電流波形
(7.4.4)
1、工作原理:
2、輸出電流的基波有效值I01和直流電流Id的關(guān)系式為:
7.4.3電流型逆變電路的特點:1.直流側(cè)接有大電感,相當于電流源,直流電源基本無脈動,直流回路呈現(xiàn)高阻抗2.各開關(guān)器件主要起改變直流電流流通路徑的作用,故交流側(cè)為矩形波,與負載性質(zhì)無關(guān)。3.當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率,直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。4.當用于交–直–交變頻器且負載為電動機時,若交–直變換為相控整流,則可很方便地實現(xiàn)再生制動。7.5.1SPWM控制的基本原理
將一個正弦波半波電壓分成N等份,并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替,且矩形脈沖的中點與相應(yīng)正弦等份的中點重合,得到如圖7.5.1(b)所示的脈沖列。這就是PWM波形。正弦波的另外一個半波可以用相同的辦法來等效。
PWM被形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化,稱為SPWM(SinusoidalPulseWidthModulation)波形。圖7.5.1SPWM電壓等效正弦電壓
是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或者其它所需要的波形。
1、PWM產(chǎn)生原理:2、SPWM控制方式:7.5逆變器的SPWM控制技術(shù)(一)單極性SPWM控制方式
在ur的正半周期,T1保持導通,T4交替通斷。當ur>uc時,使T4導通,負載電壓u0=Ud;當ur≤uc時,使T4關(guān)斷,由于電感負載中電流不能突變,負載電流將通過D3續(xù)流,負載電壓u0=0。在ur的負半周,保持T2導通,使T3交替通斷。當ur<uc時,使T3導通,u0=-Ud;當ur≥uc時,使T3關(guān)斷,負載電流將通過D4續(xù)流,負載電壓u0=0。圖4.5.2電壓型單相橋式PWM逆變電路原理圖圖4.5.3單極性PWM控制方式1、定義:三角載波只在一個方向變化得到的PWM波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性SPWM控制方式。2、原理:載波信號uc在信號波正半周為正極性的三角波,在負半周為負極性的三角波,調(diào)制信號ur和載波uc的交點時刻控制逆變器晶體管T3、T4的通斷。3、晶體管的控制規(guī)律:7.5.2SPWM逆變電路的控制方法
調(diào)節(jié)調(diào)制信號ur的幅值可以使輸出調(diào)制脈沖寬度作相應(yīng)的變化,這能改變逆變器輸出電壓的基波幅值,從而可實現(xiàn)對輸出電壓的平滑調(diào)節(jié);改變調(diào)制信號ur的頻率則可以改變輸出電壓的頻率。所以,從調(diào)節(jié)的角度來看,SPWM逆變器非常適用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。圖4.5.3單極性PWM控制方式
(一)單極性SPWM控制方式(二)雙極性SPWM控制方式
在ur的正負半周內(nèi),在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制各開關(guān)器件的通斷。當ur>uc時,使晶體管T1
、T4導通,使T2
、T3關(guān)斷
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