电力电子技术_王兆安第五版_第4章

第四章逆变电路逆变——与整流相对应，直流电变成交流电交流侧接电网，为有源逆变交流侧接负载，为无源逆变本章讲述无源逆变4.1换流方式4.2电压型逆变电路（单相，三相）4.3电流型逆变电路※重在电路结构，工作原理学习内容：4.1.1逆变电路的基本工作原理负载a)b)图5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t24.1换流方式S1-S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负直流交流4.1.1逆变电路的基本工作原理改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位相同.阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同.负载a)b)图5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2t1前：S1、S4通，uo和io均为正t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大过程分析：4.1.1逆变电路的基本工作原理电流从一条支路转移到另一条支路称为换流。①器件换流（IGBT,GTO,GTR,BJT,MOSFET)②电网换流③负载换流（负载满足的条件？）④强迫换流（直接耦合式，电感耦合式）4.1.2换流的基本方式采用晶闸管.负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性.为改善负载功率因数使其略呈容性,而接入的直流侧串入大电感Ld,id基本没有脉动.※负载换流逆变电路ttttRLCOOOOiit1b)a)图5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4工作过程:4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uot1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成※强迫换流逆变电路-(电容换流）直接耦合式强迫换流（电压换流）SVT负载+-图5-3电感耦合式强迫换流（电流换流)CL+VDSCVT负载+LSVT负载VDb)a)图5-44.2电压型逆变电路4.2.1单相电压型逆变电路（1）半桥逆变电路*导电方式：V1，V2信号互补，各导通180工作原理：（1）t1—t2电源电压经V1对负载供电，电流指数规律上升。负载电压为1/2ud.（2）t2—t3电感经VD2续流，电流指数规律下降。负载电压为-1/2ud.（3）t3—t4电源经V2对负载供电，电流指数规律反向上升。负载电压为-1/2ud.（4）t4—t5电感经VD1续流，电流指数规律反向下降，负载电压为1/2ud.★因为是阻感负载，成感性，电流滞后电压，滞后角θ=arctanωL/R.单向半桥电压逆变电路优缺点总结：①优点：所用器件少。②缺点：u0幅值小，只有电源电压的一半，并且输入端接两个电容，还需保证C1=C2,不能精确满足。思考：电路中的二极管主要起什么作用？答：当负载为感性或阻感性时，二极管为负载向直流电源反馈能量提供通道（即续流过程），故这些二极管被称之为反馈二极管。※为了解决这一矛盾，在单向半桥的基础上提出了单向全桥电压型逆变电路。※单相半桥一般应用在小功率电路中。4.2电压型逆变电路4.2.1单相电压型逆变电路（2）全桥逆变电路由四个臂构成，输入端并有一个电容。负载接在上下两组臂之间。*导电方式一：V1,V4同时通断V2,V3同时通断V1,V4与V2,V3信号互补，各导电180工作原理：与单向半桥电路工作原理相同，只不过全桥中是两个臂同时工作，半桥中一个臂单独工作。全桥输出电压，电流波形与半桥完全一样，但幅值均为半桥的两倍。*思考1：在全桥中，续流过程如何完成？※VD2,VD3同时续流。※VD1,VD4同时续流。思考2：在导电方式一下工作，如果要改变输出电压的有效值（即幅值），应该采取什么样的方式？★只能靠改变输入直流电压的大小来改变输出电压的有效值。可以通过整流电路，斩波电路来实现。若不采用整流和斩波，能否直接进行调制呢？为此提出了导电方式二：移相导电方式。导电方式二（移相导电）：V1,V2信号互补；V3,V4信号互补；V3信号比V1信号落后θ（0〈θ〈180）所谓移相：即改变θ的大小。单相全桥电压型逆变电路特性总结：（1）全桥逆变是单相中应用最广泛的逆变电路。（2）全桥逆变输出电压的幅值即为电源电压，比半桥增长一倍，一般应用在较大功率的场合。（3）在移相导电方式下，通过改变移相导电方式中的ө角，可改变输出电压的有效值。4.2电压型逆变电路4.2.1单相电压型逆变电路（3）推挽式-带中心抽头变压器①变压器的变比为1：1：1，负载相同时，其输出波形和全桥逆变一样。②应用在输入与输出需要隔离的场合。4.2电压型逆变电路4.2.2三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成。其负载可以是三角形或星形，这里我们以星形负载为例进行介绍。※180°导电方式（1）每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度相差120（2）任一瞬间有三个桥臂同时导通（3）每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流工作原理：以输出电压波形为主（包括输出线电压，输出相电压）tOtOtOtOtOtOtOtO图5-10a)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3tOtOtOtOtOtOtOtO图5-10a)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3三相逆变输出波形三相桥电压型逆变电路总结：（1）输出线电压是矩形波，相电压是阶梯波。（2）各相输出电压在相位上相差1200，电流波形根据负载情况的不同而不同。（3）在导电上，为防止同一相的两个器件同时开通而导致电源短路，应遵循“先断后通”的原则，即要关断的器件在彻底关断之后再给需开通的器件开通信号，因此，要留一定的时间裕量。（实际在单相中也应如此）（4）三相桥电压型逆变电路应用在大功率场合。电压型逆变电路总结通过对单相，三相电压逆变电路的学习，对于电压型逆变电路特性可归纳如下：（1）直流侧并有电容，相当于一个电压源，提供恒定的输入电压，直流电压基本无脉动。（2）输出电压波形均为矩形波，与负载无关，而电流波形和相位因负载阻抗角不同而不同。（矩形波，或近似为正弦波）（3）负载为感性时，需要提供无功功率，直流侧电容起到缓冲无功能量的作用，为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各臂都要并联一个反馈二极管。（4）直流侧向交流侧传送的功率是脉动的（输出电压无脉动，但电流有脉动），且其脉动与负载电流脉动一致。（5）一般在负载端会接上滤波器，滤去电压波形中的谐波分量，保留基波分量，使输出电压的波形接近标准的正弦波。4.3电流型逆变电路*电流型逆变直流侧输入电源为电流源电流型逆变电路的特性：（1）直流侧串大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动。（2）因为是恒流，输出电流波形是矩形波，输出电压波形与负载有关系。（3）电路中不必加反馈二极管。（为什么？）（4）电感起到缓冲无功能量的作用。4.3.1单相电流型逆变电路（1）电路结构①4个桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器LT，用来限制晶闸管开通时的di/dt②采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负载电压（呈容性）。③C和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路（但最终负载仍略显容性，准确应称之为容性小失谐负载）④并联谐振回路对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，谐波在负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦波。（2）工作原理：基本导电方式：1，4同时通断，2，3同时通断。t1-t2：VT1和VT4稳定导通阶段，iｏ=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。t2~t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段。LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程VT2、VT3电流有一个增大过程t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束t4－t2=tγ称为换流时间4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C电压波形近似为正弦波，且滞后电流一个角度，与负载系数有关。思考：如何保证晶闸管的可靠关断？？※电流减小为零，晶闸管不能立刻关断，还需一段时间才能恢复正向阻断能力，也就是说电流为零后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tb，这样晶闸管才能真正可靠关断。※所以为使晶闸管可靠关断，tb=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq※并且为保证可靠换流应在uo过零前td=t5-t2时刻触发VT2、VT3※两个重要参数：触发引前时间:t=t+tbio超前于uo的时间:t=t/2+tb即为功率因数角。4.3.2三相电流型逆变电路（桥式）（1）采用全控型器件GTO基本工作方式是1200导电方式：每个臂一周期内导电1200，每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，为横向换流。三相电流型逆变输出特性（全控型器件）：输出相电流波形和负载性质无关，为正负各120°的矩形波，线电流为阶梯波。输出线电压波形和负载性质有关，若有电感，因电感的作用，每次换相时会产生电压冲击。（2）串联二极管式晶闸管逆变电路①主要用于中大功率交流电动机调速系统。②电流型三相桥式逆变电路，输出波形与全控型器件时一样。③各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。④120°导电工作方式⑤强迫换流方式，电容C1~C6为换流电容。（串联二极管式晶闸管逆变电路）重点分析：换流过程（因电容C，强迫换流）电容器充电规律：对共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零等效换流电容概念：分析从VT1向VT3换流时，C13就是C3与C5串联后再与C1并联的等效电容.*以VT1向VT3换流的过程为例：（2）t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断（1）假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0左正右负（1）（2）（3）（4）Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段（3）t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。则二极管VD3导通，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段。产生环流。此环流使VD1电流减小，使VD3电流增大。随着C13电压增高，iV渐大，VD1电流越来越小，假设在t3时刻变为零，则VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。（4）VT2、VT3稳定导通阶段波形分析：恒流放电阶段二极管换流阶段（1）（2）（3）（4）第4章逆变电路小结（1）换流方式，换流原理。（2）电压型逆变电路：单相：工作原理，波形分析，重点掌握单相全桥,尤其移相导电方式。三相：重点掌握输出电压波形。（3）电流型逆变电路：单相：重点掌握工作原理及如何防止逆变失败问题。三相：SCR带二极管换流过程的理解。课外思考•针对P144图5-16，不采用等效电容的方式，分析C1,C3,C5的电压变化曲线，并解释变化过程。1.把直流电变成交流电的电路称为________，当交流侧有电源时称为________，当交流侧无电源时称为________。2.电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，从大的方面，换流可以分为两类，即外部换流和________，进一步划分，前者又包括________和________两种换流方式，后者包括________和___