电力电子技术 教学课件 作者 龙志文 电力电子技术课件---第三章

第三章逆变电路3．1电力电子器件的换流方式3．2有源逆变电路3．3无源逆变电路3．4负载换流式逆变电路3．5电压型逆变电路3．6电流型逆变电路第三章逆变电路在实际应用中除了将交流电能变换直流电能外，还需将直流电能换成交流电能，这种对应于整流的逆向过程称为逆变。完成这一变换过程的电路称为逆变电路。在一定条件下，同一晶闸管电路既可作整流又可作逆变，这种电路为变流电路或变流器。如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，直流电逆变成与电网同频率的交流电反送至电网上，称为有源逆变。如果将电路的交流侧直接与负载连接，将直流电逆变成某一频率或频率可调的交流电供给负载，称为无源逆变。第三章逆变电路3.1电力电子器件的换流方式电流从一个支路向另一个支路的转移的过程称为换流，换流又常被称为换相。一般来说，电力电子电路有四种换流方式：1.器件换流利用全控型器件自身具有的自关断能力实现换流称为器件换流。2.电网换流由电网提供换流电压称为电网换流。3.负载换流由负载提供换流电压称为负载换流。4.脉冲换流设置附加的换流电路，向导通的晶闸管施加反向电压或从导通的晶闸管控制级施加反向电流，使晶闸管强迫关断，称为脉冲换流。又称强迫换流。脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流两种。第三章逆变电路3.1电力电子器件的换流方式第三章逆变电路3.2有源逆变电路有源逆变电路主要应用于直流电机的可逆调速、绕线转子异步电动机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等领域。3.2.1有源逆变的工作原理1.直流电能的传递有两个电源，一个是电池，一个是具有电动势的直流电动机，其电路的连接方式有三种。由上述分析可知：（1）两个电源同极相接时，电流总是从电动势高处流向电动势低处，电路中电流的大小为两电动势之差与回路电阻的比值。如果回路电阻很小，很小的电动势差也可产生足够大的电流，使两个电源系统之间交换很大的功率。（2）电流从正端流出的电源输出功率，电流从正端流入的电源接受功率。（3）两个直流电源反极性相接时，如果回路电阻很小，回路中的电流将很大，这实际上相当于两个电源短路。在工作中应严防这种事故的发生。第三章逆变电路3.2有源逆变电路第三章逆变电路3.2有源逆变电路2.有源逆变的工作原理1)电动机M电动运行电路工作在整流状态，晶闸管的控制角在0～90°之间，电动机作电动运行。这时交流电源通过晶闸管输出电能，电动机则输入电能。当Ud>EM时电路的电流值为Id=（Ud—EM）/R式中，R为回路的总电阻。一般情况下，R值很小，因此电路经常工作在Ud≈EM第三章逆变电路3.2有源逆变电路2.有源逆变的工作原理电路分析第三章逆变电路3.2有源逆变电路2.有源逆变的工作原理电路分析2）电动机M发电回馈制动运行如图3-5b所示，EM＞Ud，电流反向。为了防止两电动势顺向串联形成短路，则要求Ud的极性也必须反过来，即上负下正，电流Id从直流电动机流向整流电路，这时电路的电流为Id=（EM—Ud）/R此时电动机运行于发电状态，其产生的直流电能通过变流电路逆变为交流电能返送至电网，电路进入逆变工作状态。在图3-5b波形中，ωt1-ωt2之间，Ud>EM，电路处于整流状态，由于平波电抗器L的存在，不会产生较大短路电流；ωt2-ωt3之间，EM＞Ud，电路实现有源逆变；ωt3-ωt4之间，EM+di/dt>Ud，电路继续保持逆变状态。由以上分析可知，工作过程中虽存在整流状态，但逆变状态处于主导地位，因此整个过程属于逆变。第三章逆变电路3.2有源逆变电路2.有源逆变的工作原理电路分析实现有源逆变必须同时具备两个条件：（1）一定要有直流电动势源，其极性必须与晶闸管的导通方向一致，且其值应大于变流器直流侧的平均电压Ud。（2）变流器必须工作在α＞90°的区间，使Ud＜0。为了保证变流回路中的电流连续，负载回路应串入大电感。此外，由于半控桥或有续流二极管的电路不能输出负电压，也不允许直流侧出现负极性的电动势，不能实现有源逆变。第三章逆变电路3.2有源逆变电路2.有源逆变的工作原理第三章逆变电路3.2有源逆变电路3.2.2三相半波有源逆变电路第三章逆变电路3.2有源逆变电路3.2.2三相半波有源逆变电路图3-6为三相半波电动机负载电路。电动机电动势EM的极性如图所示，当EM>Ud，控制角α＞90°，即α的移相范围在90°～180°时，可实现有源逆变。逆变电路直流输出电压为：Ud=1.17U2cosα（3-1）由于逆变时α＞90°所以cosα计算不方便，引入逆变角β，令α=π—β，则上式为Ud=-1.17U2cosβ（3-2）第三章逆变电路3.2有源逆变电路3.2.2三相半波有源逆变电路图3-6b为β=30°时，逆变电路的电压波形。在β=30°时，给VT1驱动信号，VT1因承受正向电压EM而导通。电动机提供电能，逆变输出电压Ud=UA。电路中开关元件按电源相序，以120°间隔依次开通和关断，得到Ud的波形。其输出电压的平均值Ud为负值。因回路中有大电感，id=Id。图3-6c为β=30°时，VT1两端电压波形。逆变时，当一个晶闸管导通后，另外两晶闸管承受反向电压。VT1导通120°,uVT1=0；VT2导通120°，VT1关断，uVT1=uAB；VT3导通120°，VT1关断，uVT1=uAC。晶闸管可能承受的最大反向电压为u23.2.3三相桥式有源逆变电路第三章逆变电路3.2有源逆变电路三相桥式整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式有源逆变电路。与三相半波逆变电路一样，当α移相范围在90°～180°，即β移相范围在90°～0°时，电路工作在逆变状态，其输出电压Ud为负值。每隔600依次触发晶闸管，使晶闸管VT1～VT6依次导通，电流连续时，每个晶闸管导通1200，触发脉冲必须是双窄脉冲或者是宽脉冲。直流侧电压为Ud=－2.34U2cosβ（3-3）式中，U2为逆变电路输相如电压。3.2.3三相桥式有源逆变电路第三章逆变电路3.2有源逆变电路3.2.4有源逆变最小逆变角的限制第三章逆变电路3.2有源逆变电路由于变压器漏抗的影响，使电流不能瞬间完成，造成两相邻晶闸管换相时，有一小段时间两个晶闸管同时导通，这段时间所对应的电角度称为换相重叠角γ，如图3-8所示。如果逆变角β太小，即β<γ时，从图3-8所示的波形中可清楚看到，在ωt1时刻触发晶闸管VT2换相，由于β<γ，在到达自然换相点2后，换相还未结束，此时UA已高于UB，晶闸管VT2承受反向电压关断，而应该关断的VT1仍承受正向电压继续导通，电动势顺向串联，逆变失败。3.2.4有源逆变最小逆变角的限制第三章逆变电路3.2有源逆变电路为了防止逆变失败，逆变角β必须限制在某一允许的最小角度内。最小逆变角βmin为β≥δ+γ+θ≈30°-50°为了可靠防止β进入βmin区内，常在触发电路中加一套保护线路，以保证控制脉冲不会进入βmin区域内，防止逆变失败。第三章逆变电路3.3无源逆变电路无源逆变是将直流电转换为负载所需要的不同频率和电压值的交流电。无源逆变技术在科研、国防、生产和生活中应用广泛，如感应加热、功率超声应用、电火花加工、列车照明、脉冲电镀电源、不间断电源、高频直流焊机、交流传动的变频调速、高频电子镇流器、快速充电等等。实现无源逆变的电路称为无源逆变器。第三章逆变电路3.3无源逆变电路3.3.1无源逆变电路的工作原理图3-9a为单相桥式逆变电路示意图。图中S1-S4构成桥式电路的四个桥臂，它们由电力电子器件组成，U为直流电源，R是电阻性负载。当从频率f交臂切换开关S1、S4和S2、S3时，在电阻R上可得到如图3-9b所示的交变电压波形，其周期T=1/f,这样就将直流电变换成了交流电U0。改变两组开关的切换频率，就可改变输出交流电U0的频率；改变输入直流电源电压的大小，可改变交流电的幅值。第三章逆变电路3.3无源逆变电路3.3.1无源逆变电路的工作原理第三章逆变电路3.3无源逆变电路3.3.2无源逆变电路的分类逆变器基本上分为单相与三相两大类，单相逆变器适应中小功率，三相逆变器适用于中大功率。按特点进行分类。 按输入直流电源特点分类（1）电压型：输入直流电源为恒压源。（2）电流型：输入直流电源为恒流源。 按电路的结构特点分类（1）半桥式逆变电路（2）全桥式逆变电路（3）推挽式逆变电路 按所用器件的换流方式分类（1）负载换流型逆变电路（2）脉冲换流逆变电路（3）自换流型逆变电路 按输出波形特点分类（1）正弦波逆变器（2）方波及其它非正弦波逆变器第三章逆变电路3.3无源逆变电路3.3.2无源逆变电路的分类第三章逆变电路3.4负载换流式逆变电路在晶闸管逆变电路中，采用负载换流方式时，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。本节主要介绍两种负载换流式逆变电路，串联式谐振逆变电路和并联式谐振逆变电路。谐振式逆变电路是指当负载与电容构成RLC电路且满足谐振条件时的逆变电路。谐振式逆变电路有电压型串联式谐振和电流型并联式谐振两种。串联式谐振逆变电路，其输出电压为方波，负载电流波形接近正弦波；并联式谐振逆变电路输出电压接近正弦波，负载电流波形为方波。第三章逆变电路3.4负载换流式逆变电路3.4.1串联式谐振逆变电路1.电路结构第三章逆变电路3.4负载换流式逆变电路3.4.1串联式谐振逆变电路2．工作原理串联式谐振逆变电路电流、电压的主要波形如图3-11所示。因为是电压型逆变电路，其输出电压为方波，其中包含基波和各次谐波。工作时，将逆变频率调谐在负载谐振频率附近，负载对基波电压呈现低阻抗，对谐波分量呈现高阻抗，负载流过较大的基波电流，而高次谐波电流可忽略不计，即负载端可获得正弦的输出电流。第三章逆变电路3.4负载换流式逆变电路3.4.2并联谐振式逆变电路图3-12为并联谐振式逆变电路的原理图。其直流电源Vc由工频交流电源经三相可控整流获得，经过大电感Ld滤波，通过并联逆变电路将直流电逆变为中频交流供给负载，属于电流型逆变电路。逆变电路有四个桥臂，桥臂分别由一个快速晶闸管和换流电抗器串联组成。1．电路结构第三章逆变电路3.4负载换流式逆变电路3.4.2并联谐振式逆变电路2．工作原理第三章逆变电路3.4负载换流式逆变电路3.4.2并联谐振式逆变电路2．工作原理因并联谐振式逆变电路属电流型，当逆变桥中上下臂。晶闸管以一定频率交替触发导通时，在负载上产生交变矩形波电流，其中包含基波和各奇次谐波。工作时，晶闸管交替触发的频率与负载回路的谐振频率相接近，负载电路工作在谐振状态，故负载对基波呈现高阻抗，而对各奇次谐波呈现低阻抗。第三章逆变电路3.4负载换流式逆变电路3.4.2并联谐振式逆变电路2．工作原理为了保证电路可靠换流，必须在输出电压u0过零前tf时刻触发VT2、VT3，称Tf为触发引前时间。tf=tr+Ktq式中，K为大于1的安全系数，一般取2-3。负载的功率因数角Q由负载电流i0与负载电压u0来决定φ=ω（tr/2+tβ）式中，ω为电路的工作频率。第三章逆变电路3.5电压型逆变电路3.5.1单相半桥逆变电路直流侧电源是电压源的逆变电路为电压型逆变电路。电压型逆变电路在交流传动、不间断电源、有源无功补偿等领域占主导地位。半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。直流侧两个相互串联大电容的中点作为直流电源的中点，负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。第三章逆变电路3.5电压型逆变电路3.5.1单相半桥逆变电路当VT1或VT2导通时,负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供电能；当VD1或VD2导通时，负载电流和电压反方向，负载中电感的能量向直流侧反馈，反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，电容器起缓冲这种无功能量的作用。为了防止上、下桥臂的可控器件同时导通引起直流侧电源的短路，要先给应关断的器件关断信号，然后再给应导通的器件发出开通信号，就是在两者之间留一个死区时间。第三章逆变电路3.5电压型逆变电路3.5.1单相半桥逆变电路第三章逆变电路3.5电压型逆变电路3.5.2单相全桥逆变电路电路共有四个桥臂，桥臂VT1和VT4作为一组，桥臂VT2和VT3作为另一组，同一组的两桥臂同时导通与关断，两组桥臂交替各导通180°。U01=2√2Ud/π=0.9Ud（3-8）第三章逆变电路3.5电压型逆变电路3.5.2单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路输出电压基波分量的幅值U01m和有效值U1分别为U01m=4Ud/π=1.27Ud　　（3-7）第三章逆变电路3.5电压型逆变电路3.5.3三相桥式逆变电路电路由三个半桥电路组成。电容器在实际中可用一个，但为了分析方便画成两个，并有一个假想的中性点N’。由于输入端施加的是直流电压源，电力晶体管VT1-VT6始终保持正向偏置，VD1-VD6是与VT1-VT6反并联的二极管，其作用是为感性负载提供续流回路。同一半桥，上下两个桥臂以180°间隔交替开通和关断，VT1-VT6以60°的相位差依次开通和关断，所在任一瞬间将有三个桥臂同时导通，在逆变器输出端形成A、B、C三相电压。第三章逆变电路3.5电压型逆变电路3.5.3三相桥式逆变电路第三章逆变电路3.5电压型逆变电路3.5.3三相桥式逆变电路设N与N’连接，负载为星形连接。在0<ωt≤π/3之间，VT1、VT5和VT6导通。负载电流经VT1和VT5被送到A相和C相绕组，经b相负载和VT6流回电源。在ωt=π/3时刻，VT5的触发脉冲下降到零，VT5迅速关断，由于感性负载电流不能立即改变方向，VD2导通续流，C相负载失压为零电位。其他两相电流通路不变。当VD2中续流结束时，C相电流反向经VT2流回电源。UAN1=UAN1m/=0.45Ud（3-12）第三章逆变电路3.5电压型逆变电路3.5.3三相桥式逆变电路假设负载为阻性负载且三相负载对称，在0<ωt≤π/3之间，VT1、VT5和VT6导通，逆变桥的等效电路如图3-20所示。由图可知，A相和C相负载上电压为Ud/3，B相负载上电压为2Ud/3。同理，在π/3<ωt≤2/3π之间，A相负载上电压为2/3Ud，B相和C相负载上电压为1/3Ud。在2/3π<ωt≤π之间，A相和B相负载电压为1/3Ud，C相负载上电压为2/3Ud。A相电压UAN波形如图3-21所示。B相和C相电压波形与UAN相似，只是相位依次相差120°。第三章逆变电路3.5电压型逆变电路3.5.3三相桥式逆变电路第三章逆变电路3.5电压型逆变电路3.5.3三相桥式逆变电路为了防止同一相上下桥臂同时导通造成直流侧电源短路，在换流时，必须采取“先断后通”的方法。第三章逆变电路3.5电压型逆变电路3.5.3三相桥式逆变电路第三章逆变电路3.5电压型逆变电路3.5.4电压型逆变电路的特点电压型逆变电路主要有以下特点：（1）由于直流电压源的恒压作用，交流侧电压为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出的电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。（2）当交流侧为电感性负载时，逆变桥臂都并联有反馈二极管，为电感向直流侧反馈能量提供通路。（3）直流侧为电压源，直流回路呈现低阻抗。第三章逆变电路3.6电流型逆变电路直流侧为电流源的逆变电路为电流型逆变电路。3.6.1电流型单相桥式逆变电路第三章逆变电路3.6电流型逆变电路3.6.1电流型单相桥式逆变电路当V1、V4导通，V2、V3关断时，I0=Id；当V2、V3导通时，V1、V4关断时，I0=-Id。当图中V1、V4和V2、V3以频率f轮流导通时，在负载即可得到如图3-22（b）所示的电流波形。因是电流型逆变电路，所以输出电流的波形不变，接近于矩形波，而输出电压波形由负载性质决定。电路中串接二极管，防止电流反向流动。负载电流i0为矩形波，展开成傅里叶级数，有i0=4Id/π（sinωt+1/3sin3ωt+1/5sin5ωt+…）其中基波分量（的有效值为）的幅值为：I01m=4Id/π=1.27Id（3-13）基波分量的有效值为：I01=4Id/π=0.9Id（3-14）第三章逆变电路3.6电流型逆变电路3.6.1电流型单相桥式逆变电路第三章逆变电路3.6电流型逆变电路3.6.2电流型三相桥式逆变电路电流型三相桥式逆变电路的基本工作方式是120°导通方式，每个开关元件导通为120°，V1-V6依次以间隔60°导通。任何时候只有两个桥臂导通，不会发生同一桥臂两元件直通现象，换流时，是在上桥臂组或下桥臂组内依次换流。第三章逆变电路3.6电流型逆变电路3.6.2电流型三相桥式逆变电路第三章逆变电路3.6.3电流型逆变电路的特点3.6电流型逆变电路（1）电路中开关器件起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关。交流侧输出电压波形及相位与负载阻抗有关。（2）直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，因此开关器件不需并联二极管。第三章逆变电路本章小结逆变电路在电力电子电路中占有十分突出的位置，在实际应用中除了将交流电能变换成直流电能外，还需将直流电能变换成交流电能，这种对应于整流的逆向过程称为逆变。在本章中首先介绍了换流方式。在逆变电路中换流的概念体现的最为集中。换流方式分为外部换流和自然换流两大类。外部换流包括电网换流和负载换流两种，自然换流包括器件换流和强迫换流两种。换流是电力电子电路的一个重要的基本概念。3-1什么是逆变？它与整流有何区别？3-2无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？3-3换流方式有哪几种？各有什么特点？3-4什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有何特点？第三章思考 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 与习题第三章思考题与习题3-5电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？3-6三相桥式电压型逆变电路采用180°导电方式，Ud=100V。试求输出相电压和线电压基波幅值和有效值。3-7并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相，为保证换相应满足什么条件？3-8串联二极管式电流型逆变电路中，二极管的作用是什么？试分析换相过程。