电力电子技术第4章 逆变电路.ppt
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1、第4章 逆变电路DC to AC Converters( Inverters ),换流方式types of commutation电压型逆变电路Voltage source inverter (VSI)电流型逆变电路Current source inverter (CSI) 多重逆变电路和多电平逆变电路Multiple-inverter connections and multi-level inverters,本章主要内容,逆变电路,Applications of Inverters,Conversion of electric power from DC type energy sourc
2、es to AC type load Battery Photovoltaic cell (Solar cell) Fuel cellAs a part of composite converter AC-DC-AC frequency converter (for AC motor drive) AC-DC-AC constant-voltage constant- frequency converter (for uninterruptable power supplies-UPS) AC-DC-AC Converters for induction heating AC-DC-AC-DC
3、 switching power supplies,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理,图5-1 逆变电路及其波形举例,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,Basic operation principle of inverters,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,Basic operation principle of inverters,逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换频率,可改变输出交流电频率,图5-1 逆变电路及其波形举例,a),u,电阻负载时,负载电流io和uo的波形相同,
4、相位也相同,阻感负载时,io相位滞后于uo,波形也不同,Basic operation principle of inverters,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程,也称为换相,器件开通:适当的门极驱动信号就可使器件开通器件关断: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,Concept of commutation 换流的概念,器件换流(Device Commutation)利用全控型器件的自关断能力进行换流在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器
5、件的电路中的换流方式是器件换流电网换流(Line Commutation)电网提供换流电压的换流方式将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力,但不适用于没有交流电网的无源逆变电路负载换流(Load Commutation)强迫换流(Forced Commutation),Types of commutation 换流方式分类,图5-2 负载换流电路及其工作波形,由负载提供换流电压的换流方式负载电流的相位超前于负载电压的场合,都可实现负载换流,负载为电容性或同步电机(可控制励磁电流使其呈容性)时可实现负载换流基本负载换流电路:4个桥臂均由晶闸管组成直流侧串大
6、电感,可认为id 基本无脉动整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性,电容的接入是为改善负载的功率因数,负载换流(Load Commutation),图5-2 负载换流电路及其工作波形,负载电流波形为矩形波负载对基波电流接近并联谐振,所以对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小,负载电压波形接近正弦波t1时刻前,管子1,4导通,2,3截止,输出电压和电流均为正t1时刻,触发2,3,则管子1,4承受反压关断注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量,才能使换流顺利完成,负载换流(Load Commutation),设置附加的换流电路,给欲关断的晶闸管强迫施 加反压或反电流的换流方式称
7、为强迫换流 通常利用附加电容上所储存的能量来实现,因此 也称为电容换流 分类,强迫换流(Forced Commutation),直接耦合式强迫换流 当晶闸管VT处于通态时,预先给电容充电。当S合上,就可使VT被施加反压而关断,也叫电压换流,图5-3直接耦合式强迫换流原理图,图5-4 电感耦合式强迫换流原理图,电感耦合式强迫换流 先使晶闸管电流减为零,然后通过反并联二极管使其加上反向电压,也叫电流换流,强迫换流(Forced Commutation),图5-4 电感耦合式强迫换流原理图,电感耦合式强迫换流图a):合上开关S,LC振荡电流反向流过晶闸管,与其上的正向负载电流相减,直到合成电流降为零
8、,二极管开始流过电流,晶闸管在振荡第一个半周期关断,强迫换流(Forced Commutation),图b):合上开关S, LC振荡电流正向流过晶闸管,与其上的正向负载电流相加,半周期后,振荡电流才反向流过晶闸管,使其上合成电流减小,直到为零,晶闸管关断,二极管开始导通。所以关断时间是在振荡的第二个半周期,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属于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,则称为熄灭,换流方式总结,根据直流侧电源性质的不同,Classes of inverters,特点,图5-5 电压型全
9、桥逆变电路,直流侧为电压源或并联 大电容,直流侧电压基 本无脉动输出电压为矩形波,输 出电流因负载阻抗不同 而不同,Voltage Source Inverter-VSI,阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧 反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂并联反馈二 极管。因为输出电压极性不可改变,交流侧要向直 流侧反馈无功,只能通过改变电流的方向实现,所 以需并联反馈二极管以提供反向电流通路。,单相电压型逆变电路Single-phase VSI三相电压型逆变电路Three-phase VSI,Voltage Source Inverter-VSI,u,图56 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形
10、,a),b),电路结构特点由两个桥臂组成,每个桥臂为一个可控器件和一个反并联二极管并联直流侧有两个串联的大电容,两个电容的联结点为直流电源的中点负载连接在直流电源中点和两个桥臂的联结点之间,Single-phase half bridge VSI,u,图56 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,a),b),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,两者互补,输出电压uo为矩形波,幅值为Um=Ud/2t2时刻前,V1为通态,V2为断态t2时刻给V1关断信号,给V2开通信号,V1关断。但感性负载中电流iO不能立即改变方向,此时VD2续流到t3时刻,负载电流减小为零,VD2截止,V2
11、导通,负载电流改变方向,Single-phase half bridge VSI,u,图56 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,a),b),工作原理V1或V2通时,io和uo同方向,直流侧向负载提供能量;VD1或VD2通时,io和uo反向,电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用,又称续流二极管V1,V2不能同时导通,Single-phase half bridge VSI,优点:电路简单,使用器件少缺点:输出交流电压幅值为Ud/2,且直流侧需两电容器串联,要控制两者电压均衡应用:用于几kW以下的小功率逆变电源单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变
12、电路的组合,Single-phase half bridge VSI,共四个桥臂,可看成两个半桥电路组合而成,直流侧只有一个电容两对桥臂交替导通180输出电压和电流波形与半桥电路形状相同,幅值高出一倍改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现,Single-phase full bridge VSI,阻感负载时,还可采用移相的方式来调节输出电压移相调压,Single-phase full bridge VSI,移相调压是调节输出电压脉冲的宽度,无移相调压全桥电路中,V1和V2,V3和V4栅极信号互补,V3比V1落后180,Single-phase full bridge VSI,移
13、相调压电路中,V3的基极信号比V1落后(0180),而非180,V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180。输出电压是正负各为的脉冲t1时刻前,V1,V4同时导通,输出电压为Udt1时刻,V3,V4驱动信号反向,V4关断,由于电感储能作用,V3不能立即开通,VD3续流,输出电压为0,Single-phase full bridge VSI,t2时刻,V1,V2栅极信号反向,V1截止,V2不导通,VD2续流,VD2,VD3为导电通路,输出电压为-Ud负载电流过零并开始反向时,VD2,VD3截止,V2,V3导通,输出电压仍为-Udt3时刻,V3,V4驱动信号再次反向,V3关断,V4不能立即开
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