第4章 无源逆变电路 工学硕士电力电子技术课件.ppt
《第4章 无源逆变电路 工学硕士电力电子技术课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第4章 无源逆变电路 工学硕士电力电子技术课件.ppt(77页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第4章 无源逆变电路,把直流电变换成交流电称为逆变。完成逆变功能的电路叫逆变电路,实现逆变过程的装置称为逆变器。 有源逆变 交流侧接在交流电网上 无源逆变 交流侧直接和交流用电负载相接 教学要求: (1)掌握逆变电路的基本结构、工作原理和特点,PWM控制方法的理论基础、波形生成方法,SPWM逆变电路的控制方式; (2)了解逆变电路的多电平化和多重化; (3)学会无源逆变电路的设计方法。,4.1 概 述,绝大多数逆变电路都采用全控型器件,小功率多用MOSFET,中功率多用IGBT,大功率则用GTO。 4.1.1 逆变电路的类型 (1)根据输入直流电源的类型可分为电压源型逆变电路(VSI)和电流源
2、型逆变电路(CSI) 电压源型的输入端并接有大电容,是为了保证电压稳定,形成平稳的直流电压,同时为交流侧无功电流提供通路; 电流源型的输入端串接有大电感,是为了保证电流稳定,形成平稳的直流电流。同时也为来自逆变侧的无功电压分量提供支撑,维持电路电压平衡,保证无功功率流传。,(2)根据输出交流电压的性质可分为恒频恒压正弦波逆变电路和方波逆变电路,变频变压逆变电路,高频脉冲电压(电流)逆变电路。 (3)根据逆变电路结构的不同可分为半桥式、全桥式和推挽式逆变电路。 (4)根据所用电力电子器件的换流方式不同,可分为自关断、强迫关断、电网换流(有源逆变电路)、负载谐振换流逆变电路等。 实际应用中大都是采
3、用单相或三相,单相逆变电路适用小功率,三相逆变电路适用于中、大功率。 4.1.2 逆变电路的基本工作原理 当开关S1、S4闭合,S2、S3断开时,负载电压u0为正;当开关S1、S4断开,S2、S3闭合时,负载电压u0为负。,4.1.3 逆变电路的基本构成,1逆变主电路:由开关器件等组成,是能量变换的主体。 2驱动与控制电路:按照要求产生一系列的控制信号,对主电路实现逆变控制,完成逆变电路的调压、调频或稳压、稳频等功能。 3输入、输出电路 输入电路是为了保证直流电源为恒压源或恒流源,必须设置储能元件。电容元件能保证电压稳定,电感元件可保证电流稳定。 输出电路主要是滤波电路;对于隔离式逆变电路,还
4、应包含逆变变压器;对于闭环控制的逆变电路还应包括输出量检测电路,使输出量反馈到控制电路。 4辅助电路 包括辅助电源和保护电路等。 辅助电源是为电路中各个部分提供直流工作电压。 保护电路是防止在故障或非正常情况下电路受到破坏。,4.1.4 逆变电路输出波形性能指标,逆变电路输出交流电波形除基波外总含有谐波。,1谐波系数HF(Harmonic factor),2总谐波系数THD(Total harmonic distortion factor),3畸变系数DF(Distortion factor),当 ,则谐振频率,为了表征经LC滤波后负载电压波形还存在畸变的程度引入畸变系数,对于第n次谐波的畸变
5、系数,4最低次谐波LOH(Lowest order harmonic),其它性能指标: (1)逆变效率; (2)单位重量(或体积)输出功率; (3)可靠性指标; (4)逆变电路输入电流交流分量的数值和脉动频率; (5)电磁干抗EMI及电磁兼容性EMC。,4.2 电压源单相方波逆变电路,4.2.1 半桥逆变电路 假定: (1)电力电子开关器件无损耗、无时延,开关状态的切换在瞬间完成; (2)给逆变电路供电的为理想直流电压源,直流侧电压无脉动且不受负载影响;,(3)负载为理想负载,变压器和电抗器无直流内阻、铁心不饱和。,直流侧大电容分压,且CO1=CO2 ,控制信号互 补,即ug10时,ug2=0
6、 ;ug20时, ug1=0 。,1输出电压分析,当 期间,VT2导通, VT1关断,这时,式中, 为输出电压基波 角频率; 为输出电压基 波频率。,当 期间,VT1导通, VT2关断,这时,输出电压的基波有效值,注意:先断后通,(1)电阻负载 (电流电压波形一致),2负载电流分析,(2)电感性负载,缺点:输出交流电压的幅值低,且直流侧需要两个电容器串 联,工作时还要控制两个电容器电压的均衡。,可见,当VT1或VT2通态时,负载电流和电压同方向,直流侧电源向负载提供能量。而当VD1或VD2通态时,负载电流和电压反向,负载电流也在减小,电感中储存的无功能量向直流侧反馈,并暂存在电容中,直流侧的电
7、容器起着缓冲无功能量的作用。,二极管称为反馈二极管或续流二极管。,优点:简单、使用器件少;,半桥逆变电路只适用于小功率逆变电路。,4.2.2 全桥逆变电路,当 期间,VT1、4导通,VT2、3关断,这时,当 期间,VT2、3导通,VT1、4关断,这时,基波电压有效值,特点:变换的容量较大,在实际中得到了广泛的应用。,4.2.3 推挽式逆变电路,VT1导通,VT2关断, ,uo为正值方波; VT2导通,VT1关断, ,uo为负值方波。,若输出变压器的变比为K,则输出方波电压的幅值为Ud/K。,特点:开关器件的数量较少,但是当开关器件关断时承受的电压比全桥逆变电路高一倍;而且还必须有一个带中心抽头
8、的变压器。 这种逆变电路只适用于低压、小功率,且必须要求负载与电源有电气隔离的场合。,1工作过程分析 第一模式:全桥电路的对角开关器件导通,输出电压和电流同相位,表示直流电源向负载输送能量; 第二模式:全桥电路的对角二极管导通,输出电压和电流相位相反,表示负载通过逆变电路向直流电源反馈能量; 第三模式:上侧(或下侧)一个桥臂的开关器件和另一个桥臂二极管短接,使输出电压为零,直流电源与负载无能量的传递。,4.2.4 相移式逆变电路,2输出电压分析,傅立叶级数展开式,式中,为输出电压基波角频率。,基波有效值:,其中:,若以 为基准值,各次谐波的相对幅值与脉宽的关系,3相移逆变电路的特点 (1)在不
9、改变电路结构的条件下,利用控制信号相位的变化实现了输出电压的调节。 (2)输出电压的谐波含量随脉宽的变化而变化。,方波逆变电路的特点,(1)受直流电压源的钳位作用,交流侧输出的方波电压与负载性质无关。在电路、参数确定的情况下,输出电压的形状和幅值都不可调。而交流侧输出电流的波形和相位与负载的性质有关。若要对输出电压在不同范围内进行调节,可采取措施:,(3)直流电压利用率较高。,调节直流电压,逆变桥间移相调压,相移式方波逆变电路,(2)输出电压的谐波含量大;,4.3 三相方波逆变电路,4.3.1 电压源三相方波逆变电路 180导电方式:每个桥臂导通角为180,同一相(即同一半桥)上下两个桥臂交替
10、导通,各相开始导通的角度依次相差120。这样在任何时刻将有三个桥臂同时导通,导通的顺序为123234345456561612。 纵向换流:每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行。 1输出电压分析 uAO、uBO、Uco的波形是幅值为Ud/2的方波,相位依次相差120。输出的线电压为,负载为三角形联接时,负载为星形联接时,VT5、6、1导通,VT6、1、2导通,基波幅值,输出相电压,基波有效值,负载相电压的有效值,VT1、2、3导通,线电压基波幅值,线电压基波有效值,负载线电压有效值,2输出和输入电流分析 直流侧电流为脉动,说明逆变桥除了从直流电源吸取直流电流外,还要与直流电源交换无功电流。,
11、4.3.2 电流源三相方波逆变电路,直流侧串联大电感实现近似直流电流源。 反馈无功能量时,直流电流并不反向,不必给开关器件并联二极管。 三相负载按星形联接,按图示开关器件的标号,控制信号彼此相隔60,各桥臂导通120,则任何时刻只有两个桥臂导通,导通的顺序为122334455661。,负载为三角形联接时,横向换流 换流时在上桥臂组或下桥臂组的组内进行。,VT6、1导通,VT1、2导通,电流源逆变电路交流侧输出电流的波形与负载的性质无关,但交流侧输出电压的波形和相位与负载性质有关。,VT2、3导通,4.4 脉宽调制型(PWM)逆变电路,PWM控制技术:对脉冲宽度进行调制的技术,用一系列等幅不等宽
12、的脉冲,等效代替所需的输出电压或电流波形 。 特点:电路结构简单、动态响应快、控制灵活、调节性能好、成本低。 4.4.1 正弦脉宽调制(SPWM)的基本原理 采样控制理论:冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性环节上时,其输出的响应基本相同。脉冲越窄,输出响应的差异越小。,SPWM(Sinusoidal PWM)波形:各脉冲的幅值相等,而宽度按正弦规律变化,且和正弦波等效的PWM波形。,可见,电路响应大致相同,仅在高频段略有差异。,改变正弦波的幅值时,可按同一比例改变脉冲的宽度。,4.4.2 单相SPWM逆变电路,计算法:根据正弦波的频率、幅值和半个周期内的脉冲数,可以准确计算出PWM波形中各脉
13、冲的宽度和间隔。,1单极性正弦脉宽调制,调制法:把希望输出的波形作为调制信号(调制波);把接受调制的信号作为载波(通常采用等腰三角波);通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形。,在半个周期内具有单一极性SPWM波形的控制方式。,调制比(亦称调制度或调制系数),(Urm正弦调制波幅值,Ucm三角载波的幅值),载波比(亦称频率调制比),(fc三角载波频率,fr正弦调制波频率),(1)输出电压调节原理 输出电压的基波频率等于正弦调制波的频率。,基波有效值,n次谐波有效值,114次为脉冲的起始角和终止角。,由上述表达式可计算出输出电压基波和各次谐波的
14、有效值。但载波比K很大,调制比M变动时,计算量很大。 工程上常用平均值模型法。,平均值模型分析法:是指在载波频率远高于输出基波频率时,输出电压在一个载波周期中的平均值可近似看成输出电压基波分量的瞬时值,即,由于脉冲数很多,在一个载波周期中正弦波调制信号变化很小,可近似认为恒值。,任意第K个脉冲电压的平均值,输出电压基波分量的瞬时值,输出电压的基波有效值,(2)输出电压谐波分析 如图为调制比 时,单极性SPWM逆变输出电压的频谱图。谐波电压的分布规律是:,式中,b为奇数,以保证n为奇数。,逆变电路输出电压的频率、相位和幅值是由正弦波调制信号来调控的。,由频谱图可见,输出电压的最低谐波群和最低次谐
15、波均取决于K的值,K值越高,谐波含量越小。,(3)电路的特点 优点:输出电压可调,谐波含量低。 缺点:直流电压利用率低,开关损耗高。,2双极性正弦脉宽调制 三角载波在正负两个方向变化,所得到的PWM波形也是在两个方向变化的。,仍然在交点时刻控制开关器件的通断。,uruc uo=+Ud,io0,VT1、4导通 VT2、3关断,io0,VD1、4导通 VT2、3关断,Uruc uo=-Ud,io0,VD2、3导通 VT1、4关断,从频谱图可以看到,就基波性能而言,两种完全一致,但它的谐波特性双极性比单极性差。,io0, VT2、3 导通; VD1、4关断。,单相桥式逆变电路既可以用单极性调制,也可
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第4章 无源逆变电路 工学硕士电力电子技术课件 无源 电路 工学 硕士 电力 电子技术 课件
链接地址:https://www.31doc.com/p-3047966.html