电力电子第五章优秀PPT.ppt
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1、电力电子第五章你现在浏览的是第一页,共40页引言引言逆变电路的应用逆变电路的应用蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时,需要逆变电路交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路本章内容本章内容5.1节换流方式5.2节电压型逆变电路5.3节电流型逆变电路5.4节逆变电路的多重化和多电平逆变电路。本章仅讲述逆变电路基本内容,第6章PWM控制技术和第8章组合变流电路中,有关逆变电路的内容会进一步展开你现在浏览的是第二页,共40页5.1 5.1 换流方式换流方式 5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理单相桥式逆变电路为例S1S4是桥
2、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为正图5-1逆变电路及其波形举例你现在浏览的是第三页,共40页5.1.1 5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理S1S4断开,S2S3闭合时,uo为负,把直流电变成交流电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,相位也相同阻感负载时,io相位滞后于uo,波形也不同(图5-1b)t1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
3、反馈,io逐渐减小,t2时刻降为零,之后io才反向并增大你现在浏览的是第四页,共40页5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类换流换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程,也称换相换相开通:适当的门极驱动信号就可使其开通关断:全控型器件可通过门极关断半控型器件晶闸管,必须利用外部条件才能关断一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压,才能关断研究换流方式主要是研究如何使器件关断本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此在本章讲述你现在浏览的是第五页,共40页5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类1.器件换流器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流(DeviceCommutatio
4、n)2.电网换流电网换流由电网提供换流电压称为电网换流电网换流(LineCommutation)可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路不需器件具有门极可关断能力,也不需要为换流附加元件3.负载换流负载换流由负载提供换流电压称为负载换流负载换流(LoadCommutation)负载电流相位超前于负载电压的场合,都可实现负载换流负载为电容性负载时,负载为同步电动机时,可实现负载换流你现在浏览的是第六页,共40页5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类基本的负载换流逆变电路:基本的负载换流逆变电路: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电
5、容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入直流侧串入大电感Ld,id基本没有脉动图5-2 负载换流电路及其工作波形 你现在浏览的是第七页,共40页5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类工作过程(工作波形图工作过程(工作波形图5-2b)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uot1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、VT2t1必须在uo过
6、零前并留有足够裕量,才能使换流顺利完成你现在浏览的是第八页,共40页5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类4.强迫换流强迫换流设置附加的换流电路,给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强强迫迫换换流流(ForcedCommutation)通常利用附加电容上储存的能量来实现,也称为电电容换流容换流直直接接耦耦合合式式强强迫迫换换流流由换流电路内电容提供换流电压VT通态时,先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断图5-3 直接耦合式强迫换流原理图你现在浏览的是第九页,共40页5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类电电感感耦耦合合式式强强迫迫换换流流:
7、通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流两种电感耦合式强迫换流:图5-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断图5-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断图5-4 电感耦合式强迫换流原理图给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流电压换流(图5-3)先使晶闸管电流减为零,然后通过反并联二极管使其加 反压的换流叫电流换流电流换流 你现在浏览的是第十页,共40页5.1.2 5.1.2 换流方式分类换流方式分类器件换流适用于全控型器件其余三种方式针对晶闸管器件换流和强迫换流属于自换流电网换流和负载换流外部换流当电流不是从一个支路向另一个支路转移,而是在支路内部终止流通而变为零,则称
8、为熄灭熄灭你现在浏览的是第十一页,共40页 逆变电路逆变电路概述概述1按换流方式分类:按换流方式分类:a.有源逆变电路:利用电网电压作为换流电压,以强制逆变电有源逆变电路:利用电网电压作为换流电压,以强制逆变电路导电臂间电流的转移,且关断退出工作的开关器件路导电臂间电流的转移,且关断退出工作的开关器件(MOSFET,GTR,IGBT)。)。b.负载换流逆变电路:适用于能够提供超前电流的负载,利用负负载换流逆变电路:适用于能够提供超前电流的负载,利用负载端压作为换流电压。载端压作为换流电压。c.自换流逆变电路自换流逆变电路:利用自关断元件构成逆变电路,或在晶体管利用自关断元件构成逆变电路,或在晶
9、体管逆变电路中设置独立的换流电路。逆变电路中设置独立的换流电路。你现在浏览的是第十二页,共40页2按逆变电按逆变电 的结构分类:的结构分类:a.桥式电路桥式电路 与整流电路对比,电源与负载的位置正好倒置与整流电路对比,电源与负载的位置正好倒置 电源负载电源负载 整流中:交流电网整流中:交流电网 滤波器及其直流负载滤波器及其直流负载 逆变中:直流电源逆变中:直流电源 交流负载交流负载(阻性、感性或反电动势等)(阻性、感性或反电动势等)你现在浏览的是第十三页,共40页b.零式电路:零式电路:负载中带有电感负载中带有电感L,T1和和T2交替导通和截交替导通和截 止,负载电路得到交替变化的电压和电流。
10、止,负载电路得到交替变化的电压和电流。NN+-UVW图图5-95-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2你现在浏览的是第十四页,共40页 单相电路:主要应用于不间断电单相电路:主要应用于不间断电 源(源(UPS)。)。恒压恒频电源中等。恒压恒频电源中等。三相电路:应用于交流电机变频调速等。三相电路:应用于交流电机变频调速等。4按输出电压的调压方式分:按输出电压的调压方式分:a.对逆变电路入端直流电压进行调节,图对逆变电路入端直流电压进行调节,图5-2.a,b b.在逆变电路出端对交流电压在逆变电路出端对交流电压 进行调节。进行调节。5-2.d c.在逆变电路
11、内部进行调压,兼有变频和调压的功能。在逆变电路内部进行调压,兼有变频和调压的功能。图图5-2.c,这种方式具有调节速度快,结构简单,转,这种方式具有调节速度快,结构简单,转 换效率和入端功率因数高等优点。换效率和入端功率因数高等优点。3按逆变电路输出交流相数分:按逆变电路输出交流相数分:你现在浏览的是第十五页,共40页图图5-2:1.可控整流电路。可控整流电路。2不控整流。不控整流。3变频逆变。变频逆变。4变频变压逆变。变频变压逆变。5交流电动机。交流电动机。6变压器。变压器。7斩波器斩波器你现在浏览的是第十六页,共40页5按输入能量储存方式划分:按输入能量储存方式划分:逆变电路在感性或容性负
12、载下除输出有功功率之外,电路中尚有逆变电路在感性或容性负载下除输出有功功率之外,电路中尚有无功功率,后者在逆变电路和直流侧储能元件间来回流传。无功功率,后者在逆变电路和直流侧储能元件间来回流传。a.电压型逆变电路电压型逆变电路 -直流侧并联大电容直流侧并联大电容Cd,使,使ud=Ud.-Cd不仅起滤波作用,而且起着维持电能平衡的作用,不仅起滤波作用,而且起着维持电能平衡的作用,当逆变器开关轮番以不同的工作状态工作时,当逆变器开关轮番以不同的工作状态工作时,Cd轮番轮番 贮存和释放电能,使无功功率在电路中来回流传。贮存和释放电能,使无功功率在电路中来回流传。-电压型逆变电路输出负载一般为感性。若
13、接容性负载,电压型逆变电路输出负载一般为感性。若接容性负载,则须在输出端串入电感。以避免电压源则须在输出端串入电感。以避免电压源_电容回路在逆电容回路在逆 变器开关元件开关瞬间出现过电流。变器开关元件开关瞬间出现过电流。-桥式电路中,采用纵向换流,换流在每相上、下桥臂间进行。桥式电路中,采用纵向换流,换流在每相上、下桥臂间进行。-每相上、下桥臂不能同时导通,否则将直通短路。每相上、下桥臂不能同时导通,否则将直通短路。你现在浏览的是第十七页,共40页b.电流型逆变器电流型逆变器,图5-3.-直流侧串联大电感,直流侧串联大电感,id=Id。-Ld不仅起平滑电流,而且起维持电不仅起平滑电流,而且起维
14、持电能平衡的作用。(即提供无功能量)能平衡的作用。(即提供无功能量)-输出负载一般为容性。若需接输出负载一般为容性。若需接感性负载,则输出端需并联电感性负载,则输出端需并联电容。以避免电流源容。以避免电流源电感割集。电感割集。防止开关瞬间过电压。防止开关瞬间过电压。-桥式电路中,采用横向换流,换流桥式电路中,采用横向换流,换流在上或下桥臂组各元件之间进行。在上或下桥臂组各元件之间进行。-上桥臂组或下桥臂组各元件不上桥臂组或下桥臂组各元件不能同时关断,否则能同时关断,否则Ld中能量无处中能量无处释放,逆变器将过压损坏。释放,逆变器将过压损坏。你现在浏览的是第十八页,共40页 5.2 5.2 电压
15、型逆变电路电压型逆变电路电压型逆变电路的特点电压型逆变电路的特点(1)直流侧为电压源或并联大电容,直流侧电压基本无脉动(2)输出电压为矩形波,输出电流因负载阻抗不同而不同(3)阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道,逆变桥各臂并联反馈二极管理想条件:(假设)理想条件:(假设)a.逆变器开关元件由逆变器开关元件由IGBT组成,组成,IGBT具有理想门极控制具有理想门极控制特性。特性。b.负载可等效为负载可等效为RL串联电路,且均为线性定常元件。串联电路,且均为线性定常元件。c.直流电源内阻极小,端压恒定直流电源内阻极小,端压恒定ud=Ud.d.忽略电路中的分布电感。忽略电路
16、中的分布电感。e.逆变电路已达稳态。逆变电路已达稳态。图5-5 电压型逆变电路举例(全桥逆变电路)图5-1电路的具体实现你现在浏览的是第十九页,共40页5.2.1 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路1半桥逆变电路半桥逆变电路电路结构工作原理工作原理V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏,互补uo为矩形波,幅值为Um=Ud/2图5-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形你现在浏览的是第二十页,共40页设开关元件设开关元件V1和和V2的栅极信号在一个周期内各有半周正偏。且二的栅极信号在一个周期内各有半周正偏。且二者互补,当负载为阻感性时,其波形如图者互补,当负载为阻感性时,
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