光伏發(fā)電之無源逆變電路原理教學課件優(yōu)秀課件

光伏發(fā)電之無源逆變電路原理教學課件第一頁，共三十四頁，2022年，8月28日無源逆變電路

4.1逆變器的性能指標與分類

4.2逆變電路的工作原理

4.3電壓型逆變電路

4.4電流型逆變電路

4.5負載換流式逆變電路第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日4.1逆變器的性能指標與分類

1）定義：將逆變電路的交流側接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去。2）應用：直流電機的可逆調速、繞線型異步電機的串級調速、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）應用：它在交流電機變頻調速、感應加熱、不停電電源等方面應用十分廣泛，是構成電力電子技術的重要內容。

1、有源逆變:2、無源逆變：變頻調速技術的基本原理是根據(jù)電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系：n=60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數(shù)）

第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日一、高頻感應加熱的原理

感應加熱是利用導體在高頻磁場作用下產(chǎn)生的感應電流(渦流損耗。以及導體內磁場的作用(磁滯損耗引起導體自身發(fā)熱而進行加熱的)。二、感應加熱系統(tǒng)的構成

感應加熱系統(tǒng)由高頻電源(高頻發(fā)生器)、導線、變壓器、感應器組成。其工作步驟是①由高頻電源把普通電源(220v/50hz)變成高壓高頻低電流輸出，(其頻率的高低根據(jù)加熱對象而定，就其包材而言，一般頻率應在480kHZ左右。)②通過變壓器把高壓、高頻低電流變成低壓高頻大電流。③感應器通過低壓高頻大電流后在感應器周圍形成較強的高頻磁場。一般電流越大.磁場強度越高。

第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日UPS（UninterruptiblePowerSystem/UninterruptiblePowerSupply），即不間斷電源，是將蓄電池（多為鉛酸免維護蓄電池）與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電的系統(tǒng)設備。主要用于給單臺計算機、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)或其它電力電子設備提供穩(wěn)定、不間斷的電力供應。當市電輸入正常時，UPS將市電穩(wěn)壓后供應給負載使用，此時的UPS就是一臺交流市電穩(wěn)壓器，同時它還向機內電池充電；當市電中斷（事故停電）時，UPS立即將電池的直流電能，通過逆變零切換轉換的方法向負載繼續(xù)供應220V交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。UPS設備通常對電壓過大和電壓太低都提供保護。第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日逆變器的性能指標

（1）諧波系數(shù)HF：諧波分量有效值同基波分量有致值之比。

（2）總諧波系數(shù)：總諧波系數(shù)表征了一個實際波形同其基波的接近程度。（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:衡量逆變器輸出率密度的指標。第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日4.1.2逆變電路的分類

①

電壓型：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：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推換式逆變電路；④其他形式：如單管晶體管逆變電路。（2）、根據(jù)電路的結構特點分類第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日逆變電路的分類（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①負載換流型逆變電路；②脈沖換流型逆變電路；③自換流型逆變電路。第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日4.1.3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：返回第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日4.2逆變電路的工作原理

開關T1、T4閉合，T2、T3斷開：u0=Ud；開關T1、T4斷開，T2、T3閉合：u0=－Ud;

當以頻率fS交替切換開關T1、T4和T2、T3時，則在電阻R上獲得如圖4.2.4(b)所示的交變電壓波形，其周期Ts=1/fS，這樣，就將直流電壓E變成了交流電壓uo。uo含有各次諧波，如果想得到正弦波電壓，則可通過濾波器濾波獲得。圖4.2.1單相橋式逆變電路工作原理

1、主要功能:

圖4.2.1(a)中主電路開關T1~T4，它實際是各種半導體開關器件的一種理想模型。逆變電路中常用的開關器件有快速晶閘管、可關斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（GTR）、功率場效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）。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、工作原理：返回第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日

它由兩個導電臂構成，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)時間內兩晶閘管均無驅動信號。1.電壓型逆變電路半橋逆變電路結構及波形：4.3.1電壓型單相半橋逆變電路4.3電壓型逆變電路

第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日

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:

(4.3.1)(4.3.2)(4.3.3)第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日

在一個周期內，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t2時刻以前，T1有驅動信號導通，T2截止，則u0=Ud/2。

t2時刻關斷的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，此時仍然有u0=Ud/2；

t5時刻

i。降至零，T1導通，u0=Ud/2；

圖4.3.1電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形2、工作原理：緩沖電感反饋的無功能量第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日缺點：1）交流電壓幅值僅為Ud/2；2）直流側需分壓電容器；3）為了使負載電壓接近正弦波通常在輸出端要接LC濾波器，輸出濾波器LC濾除逆變器輸出電壓中的高次諧波。

優(yōu)點：簡單，使用器件少；應用：用于幾kW以下的小功率逆變電源；第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日4.3.2電壓型單相全橋逆變電路

全控型開關器件T1和T4構成一對橋臂，T2和T3構成一對橋臂,T1和T4同時通、斷；T2和T3同時通、斷。T1(T)4與T2(T3)的驅動信號互補，即T1和T4有驅動信號時，T2和T3無驅動信號，反之亦然，兩對橋臂各交替導通180°。1、電路工作過程：第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日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4.3.2電壓型單相全橋逆變電路和電壓、電流波形圖(4.3.6)(4.3.4)(4.3.5)

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。1）純電阻負載時第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日0≤t＜Ts／4，Ts2≤t≤3Ts／4期間，D1、D4導通起負載電流續(xù)流作用，在此期間T1～T4均不導通。圖4.3.2電壓型單相全橋逆變電路和電壓、電流波形圖

2）電感負載時由可得負載電流峰值為：(4.3.7)第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日0≤θ≤ωt期間，T1和T4有驅動信號，由于電流i0為負值，T1和T4不導通，D1、D4導通起負載電流續(xù)流作用，u0=+Ud。

θ≤ωt≤π期間，i0為正值，T1和T4才導通。

π≤ωt≤π+θ期間，T2和T3有驅動信號，由于電流i0為負值，T2、T3不導通，D2、D3導通起負載電流續(xù)流作用，u0=－Ud

。

π+θ≤ωt≤2π期間，T2和T3才導通。3）阻感負載RL時圖4.3.2電壓型單相全橋逆變電路和電壓、電流波形圖

圖4.3.2(e)所示是RL負載時直流電源輸入電流的波形。圖4.3.2(f)所示是RL負載時直流電源輸入電流的波形。第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日4.3.3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，6個開關管觸發(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T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每種組合工作60°。圖4.3.3電壓型三相橋式逆變電路

1、工作過程：第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日

將一個工作周期分成6個區(qū)域。在0<ωt≤π/3區(qū)域，設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4.3.4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。第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日

3、負載相電壓和線電壓幅值分析：利用博里葉分析，其相電壓的瞬時值為：相電壓基波幅值(4.3.8)(4.3.9)由上式可知，負載相電壓中無3次諧波，只含更高階奇次諧波，n次諧波幅值為基波幅值的1/n。其線電壓的瞬時值為：線電壓基波幅值

(4.3.11)(4.3.10)由上式可知，負載線電壓中無3次諧波，只含更高階奇次諧波，n次諧波幅值為基波幅值的1/n。第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日表三相橋式逆變電路的工作狀態(tài)表返回第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日4.4.1電流型單相橋式逆變電路

當T1、T4導通，T2、T3關斷時，I0=Id；反之，I0=-Id。當以頻率f交替切換開關管T1、T4和T2、T3時，則在負載上獲得如圖

（b）所示的電流波形。輸出電流波形為矩形波，與電路負載性質無關，而輸出電壓波形由負載性質決定。主電路開關管采用自關斷器件時，如果其反向不能承受高電壓，則需在各開關器件支路串入二極管。圖4.4.1電流型單相橋式逆變電路及電流波形

1、電路工作過程：防反相高壓恒流大電感4.4電流型逆變電路第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日其中基波幅值I01m和基波有效值I01分別為

(4.4.1)

(4.4.2)

(4.4.3)

將圖（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4.4.1電流型單相橋式逆變電路及電流波形

第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日

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1→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無關。輸出電壓波形由負載的性質決定。圖4.4.3電流型三相橋式逆變電路原理圖及輸出電流波形

(4.4.4)

1、工作方式:

輸出電流的基波有效值I01和直流電流Id的關系式為：

返回第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日4.5負載換流式逆變電路

并聯(lián)諧振式逆變電路

1、電路結構

2、工作原理

3、電路參數(shù)計算

4.5.2

串聯(lián)諧振式逆變電路

1、電路結構

2、工作原理

返回第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日4.5.1并聯(lián)諧振式逆變電路

負載為中頻電爐，實際上是一個感應線圈，圖中L和R串聯(lián)為其等效電路。因為負載功率因數(shù)很低，故并聯(lián)補償電容器C。電容C和電感L、電阻R構成并聯(lián)諧振電路，所以稱這種電路為并聯(lián)諧振式逆變電路。本電路采用負載換流，即要求負載電流超前電壓，因此，補償電容應使負載過補償，使負載電路工作在容性小失諧情況下。圖4.6.1并聯(lián)諧振式逆變電路的原理圖

１、電路結構:小電感，限制晶閘管電流上升率大濾波電感第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日并聯(lián)諧振式逆變電路屬電流型，故其交流輸出電流波形接近矩形波，其中包含基波和各次諧波。

工作時晶閘管交替觸發(fā)的頻率應接近負載電路諧振頻率，故負載對基波呈現(xiàn)高阻抗，而對諧波呈現(xiàn)低阻抗，諧波在負載電路上幾乎不產(chǎn)生壓降，因此，負載電壓波形為正弦波。又因基波頻率稍大于負載諧振頻率，負載電路呈容性，io超前電壓uo一定角度，達到自動換流關斷晶閘管的目的。

圖4.6.3并聯(lián)諧振式逆變電路原理圖及其工作波形

２、工作原理：1、4管子關斷了沒有電流了，為啥負載的電壓在t4處還是正值呢？第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日圖4.6.2并聯(lián)諧振式逆變電路換流的工作過程

逆變電路換流的工作過程第二十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日

t2時刻觸發(fā)T2，T3

，電路開始換流。由于T2，T3導通時，負載兩端電壓施加到T1，T4的兩端，使T1，T4承受負壓關斷。由于每個晶閘管都串有換相電抗器LT

，故T1和T4在t2時刻不能立刻關斷，T2，T3中的電流也不能立刻增大到穩(wěn)定值。在換流期間，四個晶閘管都導通，由于時間短和大電感Ld的恒流作用，電源不會短路。當t=t4時刻，T1、T4電流減至零而關斷，直流側電流Id全部從T1、T4轉移到T2、T3

，換流過程結束。t4-t2=tr稱為換流時間。T1、T4中的電流下降到零以后，還需一段時間后才能恢復正向阻斷能力，因此換流結束以后，還要使T1、T4承受一段反壓時間tβ才能保證可靠關斷。tβ=t5－t4應大于晶閘管關斷時間tq。

圖4.6.3并聯(lián)諧振式逆變電路原理圖及其工作波形

第三十頁，共三十四頁，2022年，8月28日為了保證電路可靠換流，必須在輸出電壓u0過零前t?時刻觸發(fā)T2、T3，稱t?為觸發(fā)引前時間。為了安全起見，必須使

式中k為大于1的安全系數(shù)，一般取為2~3。 負載的功率因數(shù)角φ由負載電流與電壓的相位差決定，從圖可知：

其中ω為電路的工作頻率。圖4.6.3并聯(lián)諧振式逆變工作波形

（）（）第三十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日

如果忽略換流過程，i0為矩形波。展開成傅氏級數(shù)得