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1、电力电子技术课程论文 姓名: 学号: 班级: 指导教师: 成绩: 电力电子技术课程论文 第 1 页 共 8 页 单相电流型逆变电路初探 摘要本文首先介绍了单相电流型逆变电路的特点和原理,用单相桥式电 流型逆变电路的原理图说明了该电路是采用负载换相方式工作的,要求负载电 流略超前于负载电压;接着详细分析该电路的工作过程,并用图给出该逆变电 路的工作波形,在交流电流的一个周期内,有两个稳定导通阶段和两个换流阶 段。同时,也对电路的实际工作情况做了一定分析。接着,对电路的应用展开 分析,简单介绍电流型逆变器,分析其特点,并与电压型逆变器作比较。 关键词电流 逆变电路工作原理 Study of Sin
2、gle-Phase Current Source Type Inverter Circuit Abstract This paper describes the single-phase current type inverter circuit characteristics and principles, with the single-phase current-type inverter circuit diagram shows that the circuit is the use of the work load commutation, the load current is
3、slightly ahead of the required load voltage ; followed by a detailed analysis of the circuits working process, and use graph shows the operating waveforms of the inverter circuit, the alternating current cycle, there are two stable and two on-stage converter stage. Meanwhile, also do some analysis f
4、or the actual work. Then, to analyze the application of the circuit, a brief current inverter, analyze its characteristics, and with the voltage source inverter for comparison. Key wordsElectric current Inverter circuit Working principle 1 引言 将直流电变换成交流电,即DC-AC变换称为逆变,是将交流电变换成直流 电(AC-DC 变换)的逆过程。 DC-AC
5、变换应用非常广泛,各类直流电源(如蓄电 池、电瓶、太阳能光伏电池等)需向交流负载供电时就需先进行逆变;交流电 机用变频器、不间断电源、有源滤波器、感应加热装置等其核心变换就是逆变, 所以 DC AC逆变技术是电力电子电路中最为重要的变换技术。直流电源为电 流源的逆变电路称为电流型逆变电路。实际上理想直流电流源并不多见,一 般是在逆变电路直流侧串联一个大电感,因为大电感中的电流脉动很小,因 此可近似看成直流电流源。 2 对单相电流型逆变电路的研究 2.1 逆变电路的分类 电力电子技术课程论文 第 2 页 共 8 页 逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件,它们与外电路间必然 有能量的交换,
6、这就是无功。由于逆变器的直流输入与交流输出间有无功功率 的流动,所以必须在直流输入端设置储能元件来缓冲无功的需求。在交直 交变频电路中,直流环节的储能元件往往被当作滤波元件来看待,但它更有向 交流负载提供无功功率的重要作用。 随着用电设备不断发展,用电设备对交流电源性能参数也有很多不同的要 求, 发展称为多种逆变电路,大致可以按照以下方式分类: 按输出电能的去向分,可分为有源逆变电路和无源逆变电路。前者输出 的电能不返回公共交流电网,后者输出的电能直接输向用电设备? 按直流电源性质可分为由电压型直流电源供电的电压型逆变电路和由电 流型直流电源供电的电流型逆变电路。 按主电路的器件分,可分为:由
7、具有自关断能力的全控型器件组成的全 控型逆变电路;由无关断能力的半控型器件。 2.2 电流型逆变电路的主要特点 (1)直流侧串联有大电感,相当于电流源。直流侧电流基本无脉动,直流 回路呈现高阻抗。 (2)电路中开关器件的作用仅是改变直流甩流的流通路径,因此交流侧输 出电流为矩形波,并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因 负载阻抗情况的不同而不同。 (3)当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电感起缓冲无功能 量的作用。因为反馈无功能量时直 流电流并不反向,因此不必像电压 型逆变电路那样要给开关器件反并 联二极管。 2.3 单相电流型逆变电路 图 1 是一种单相桥式电流型逆变
8、 电路的原理图。电路由4 个桥臂构 成,每个桥臂的晶闸管各串联一个 电抗器 LT。LT用来限制晶闸管开通 电力电子技术课程论文 第 3 页 共 8 页 时 di/dt,各桥臂的 L 之间不存在互感。使桥臂1、4 和桥臂 2、3 以 10002500Hz的中频轮流导通,就可以在负载上得到中频交流电。 该电路是采用负载换相方式工作的,要求负载电流略超前于负载电压,即 负载略呈容性。实际负载一般是电磁感应线圈,用来加热置于线圈内的钢料。 图 1 中 R和 L 串联即为感应线圈的等效电路。因为功率因数很低,故并联补偿 电容器 C 。电容 C和 L、R 构成并联谐振电路,故这种逆变电路也被称为并联谐 振
9、式逆变电路。负载换流方式要求负载电流超前于电压,因此补偿电容应使负 载过补偿,使负载电路总体上工作在容性小失谐的情况下。 因为是电流型逆变电路,故其交流输出电流波形接近矩形波,其中包含基 波和各奇次谐波,且谐波幅值远小于基波。因基波频率接近负载电路谐振频率, 故负载电路对基波呈现高阻抗,而对谐波呈现 低阻抗,谐波在负载电路上产生的压降很小, 因此负载电压的波形接近正弦波。 2.4 单相电流型逆变电路的工作过程 图 2 是该逆变电路的工作波形。在交流电 流的一个周期内,有两个稳定导通阶段和两个 换流阶段。 t lt2之间为晶闸管 VTl和 VT4稳定导通 阶段,负载电流 i o =Id,近似为恒
10、值, t2时刻 之前在电容 C上,即负载上建立了左正右负的 电压。 在 t2时刻触发晶闸管 VT2和 VT3,因在 t2前 VT2和 VT3的阳极电压等于负载电压,为 正值,故 VT2和 VT3开通,开始进入换流阶段。 由于每个晶闸管都串有换流电抗器LT,故 VTl 和 VT4在 t 2 时刻不能立刻关断,其电流有 一个减小过程。同样, VT2 和 VT3 的电流也有一个增大过程。t2时刻后, 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。其中一个回 电力电子技术课程论文 第 4 页 共 8 页 路是经 LTl、VTl、VT3、LT3回到电容 C ;另一个回路是经 LT2、
11、VT2、VT4、LT4 回到电容 C,如图 2 中虚线所示。在这个过程中,VTl、VT4电流逐渐减小, VT2、VT3电流逐渐增大。当t=t 4时,VTl、VT4电流减至零而关断,直流侧电流 Id全部从 VTl、VT4转移到 VT2、VT3,换流阶段结束。称为换流时间。 因为负载电流 io=iVT1-iVT2,所以 io在 t3时刻,即 iVTl=iVT2时刻过零, t3时刻大体位于 t2和 t4的中点。 晶闸管在电流减小到零后,尚需一段时间才能恢复正向阻断能力。因此, 在 t4时刻换流结束后,还要使VTl,VT4承受一段反压时间才能保证其可靠 关断。应大于晶闸管的关断时间tq。如果 VT1、
12、VT4尚未恢复阻断 能力就被加上正向电压,将会重新导通,使逆变失败。 为了保证可靠换流,应在负载电压uo过零前时刻去触发 VT2、VT3。称为触发引前时间,从图2 可得 从图 2 还可以看出,负载电流io超前于负载电压 uo的时间为 把表示为电角度 ( 弧度)可得 式中,为电路工作角频率;、分别是、对应的电角度。 也就是负载的功率因数角。 图 2 中 t4t6之间是 VT2、VT3的稳定导通阶段。 t6以后又进入从 VT2、VT3导通向 VT2、VT4导通的换流阶段,其过程和前面的分析类似。 晶闸管的触发脉冲uGluG4,晶闸管承受的电压 uVTluVT4以及 A、B间 的电压 uAB也都示于
13、图 2 中。在换流过程中 , 上下桥臂的 LT上的电压极性相反, 如果不考虑晶闸管压降,则uAB=0。可以看出, uAB的脉动频率为交流输出电压 电力电子技术课程论文 第 5 页 共 8 页 频率的两倍。在 uAB为负的部分,逆变电路从直流电源吸收的能量为负,即补偿 电容 C 的能量向直流电源反馈。这实际上反映了负载和直流电源之间无功能量 的交换。在直流侧, Ld 起到缓冲这种无功能量的作用。 如果忽略换流过程, i o可近似看成矩形波。展开成傅里叶级数可得 其基波电流有效值 Io1为 下面再来看负载电压有效值U。和直流电压 Ud的关系。如果忽略电抗器Ld 的损耗,则 uAB的平均值应等 Ud
14、。再忽略晶闸管压降,则从图2 的 uAB波形可得 一般情况下值较小,可近似认为,再考虑到式 可得 电力电子技术课程论文 第 6 页 共 8 页 或 2.5 单相电流型逆变电路实际工作 在上述讨论中,为简化分析,认为负载参数不变,逆变电路的工作频率也 是固定的。实际上在中频加热和钢料熔化过程中,感应线圈的参举是随时间而 变化的,固定的工作频率无法保证晶闸管的反压时间大于关断时间 tq,可 能导致逆变失败。为了保证电路早常工作,必须使工作频率能适应负载的变化 而自动调整。这种控制方式称为自励方式,即逆变电路的触发信号取自负载端, 其工作频率受负载谐振频率的控制而比后者高一个适当的值。与自励式相对应
15、, 固定工作频率的控制方声称为他励方式。自励方式存在着起动的问题,因为在 系统未投入运行时,负载端没有输出,无法取出信号。解决这一问题的方法之 一是先用他励方式,系统开始工作后再转入自励方式。另一种方法是附加预充 电起动电路,即预先给电容器充电,起动时将电容能量释放到负载上,形成衰 减振荡,检测出振荡信号实现自励。 2.6 电流型逆变器 2.6.1 逆变器 根据输入直流电源的性质、逆变器的 直流输入波形和交流输出波形,可以把逆 变器分成电压型逆变器(亦称电压源逆变 器)和电流型逆变器(亦称电流源逆变器) 。当逆变器的逆变功率P的脉动波形由直流电压来体现时,称之为电流型逆变 器,如图 3 所示,
16、直流电源是恒流源。 2.6.2 电流型逆变器的特点 (1)直流电源侧串联有较大的直流滤波电感Ld; 图 3 电流型逆变器 电力电子技术课程论文 第 7 页 共 8 页 (2)当负载功率因数变化时,交流输出电流的波形不变,即交流输出电流 的波形与负载无关,交流输出电流的波形,通过逆变开关的动作,被直流电源 电感稳流成方波; (3)在逆变器中,与逆变开关串联有反向阻断二极管VD 1VD6,而没有反 馈二极管,所以在逆变器中必须有释放换相时积蓄在负载电感中的能量的电路 (通常用并联电容来吸收这一部分能量); (4)输出电压的相位随着负载功率因数的变化而变化,换相是在两个相 邻相之间进行的; (5)可
17、以通过控制输出电流的幅值和波形来控制其输出电流。 2.6.3 电压型和电流型逆变器的比较 (1)电压源型逆变器采用大电容作储能(滤波)元件,逆变器呈现低内 阻特性,直流电压大小和极性不能改变,能将负载电压箝在电源电压水平上, 浪涌过电压低,适合于稳频稳压电源,不可逆电力拖动系统、多台电机协同调 速和快速性要求不高的应用场合。电流源型逆变器电流方向不变,可通过逆变 器和整流器的工作状态变化,实现能量流向改变,实现电力拖动系统的电动、 制动运行,故可应用于频繁加、减速,正、反转的单机拖动系统。 (2)电流源型逆变器因用大电感储能(滤波),主电路抗电流冲击能力强, 能有效抑制电流突变、延缓故障电流上
18、升速率,过电流保护容易。电压源型逆 变器输出电压稳定,一旦出现短路电流上升极快,难以获得保护处理所需时间, 过电流保护困难。 (3)采用晶闸管元件的电流源型逆变器依靠电容与负载电感的谐振来实现 换流,负载构成换流回路的一部分,不接入负载系统不能运行。 (4)电压源型逆变器必须设置反馈(无功)二极管来给负载提供感性无 功电流通路,主电路结构较电流源逆变器复杂。电流源型逆变器无功功率由滤 波电感储存,无需二极管续流,主电路结构简单。 3 结语 电力电子技术课程论文 第 8 页 共 8 页 单相电流型逆变电路,由电流型直流电源供电,具有电流型逆变电路的一 般特性。电路的输出电流i0为交变方波且与负载
19、无关,输出电压u0的波形随负 载而变,可双向传递功率。电流型逆变器的特征是直流中间环节用电感作为储 能元件,由于有大电感抑制电流,短路的危险性也比电压型逆变器小得多。电 路对晶闸管关断时间的要求比电压型低,电路相对电压型也较简单,造价略低。 电流型逆变器能量的再生运行非常方便,因此在大容量的逆变器中,电流型逆 变器仍然占有一定地位。 4 参考文献 1 王兆安,黄俊主编 . 电力电子技术(第4 版). 北京:机械工业出版社, 2011 2 黄俊,秦祖荫编 . 电力电子自关器件及电路. 北京:机械工业出版社,1991 3 邵丙衡主编 . 电力电子技术 . 北京:中国铁道出版社, 1997 4 冯信康,杨兴瑶编译 . 电力传动控制系统原理与应用,北京:水利电力出版 社,1985 5 赵良炳 . 现代电力电子技术基础。北京:清华大学出版社,1985 6 林渭勋主编 . 电力电子电路 . 杭州:浙江大学出版社, 1986 7 赵可斌,陈国雄 . 电力电子交流技术 . 上海:上海交通大学出版社,1993 8 张立,赵永健主编 . 现代电力电子技术 . 北京:科学出版社, 1992 9 陈治明 . 电力电子器件基础 . 北京:机械工业出版社, 1992 10 张立,黄两一 . 电力电子场控器件及其应用. 北京:机械工业出版社, 1995
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