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1、引言引言主要应用交直交变频电路（Variable Voltage Variable FrequencyVVVF），主要用作变频器，作为交流电动机变频调速用驱动电源。恒压恒频变流电路（Constant Voltage Constant FrequencyCVCF），主要用作不间断电源（Uninterruptable Power SupplyUPS），广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量要求高的场合。除UPS外，航空机载电源、机车照明通信等辅助电源也要用CVCF电源。为减少体积和重量，这类电源频率多为400Hz。第1页/共32页UPS基本工作原理市电正常时，由市电供电，市电经整流器整流为直流，
2、再逆变为50Hz恒频恒压的交流电向负载供电。同时，整流器输出给蓄电池充电，保证蓄电池的电量充足。此时负载可得到高质量的交流电压，具有稳压、稳频性能，也称为稳压稳频电源。逆变器实例逆变器实例第2页/共32页恒压恒频（CVCF）电源UPS主电路结构小容量的UPS，整流部分使用二极管整流器和直流斩波器（PFC），可获得较高的交流输入功率因数，逆变器部分使用IGBT并采用PWM控制，可获得良好的控制性能。大容量UPS主电路。采用PWM控制的逆变器开关频率较低，通过多重化联结降低输出电压中的谐波分量。图图8-13 小容量UPS主电路 图图8-14 大功率UPS主电路 第3页/共32页以单相桥式逆变电路为
3、例说明最基本的工作原理逆变电路的基本工作原理S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合闭合，S2、S3断开断开时，负载电压uo为正正。S1、S4断开断开，S2、S3闭合闭合时，负载电压uo为负负。直流电交流电第4页/共32页逆变电路的基本工作原理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)b)tuoiot1t2电电阻阻负负载载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻阻感感负负载载时，io相位滞后于uo，波形也不同。第5页/共32页换流方式分类 换换流流：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换
4、相。换相。开通方式：适当的门极驱动信号就可使其开通关断方式：v全控型器件可通过门极关断；v半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断；v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。第6页/共32页换流方式分类1)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等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。2)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。3)负载换
5、流（Load Commutation）4)强迫换流（Forced Commutation）第7页/共32页换流方式分类图5-2 负载换流电路及其工作波形 负载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。右图是基本的负载换流负载换流电路，4个桥臂均由晶闸管组成。整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4第8页/共32页换流方式分类工作过程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
6、态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，即将uo波形中的谐波成分滤除，而使之接近正弦波（基波）。t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3承受正向电压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、VT2。注意：由于有Ld作用，不会造成短路。t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成第9页/共32页换流方式分类4.强迫换流由换流电路内电容直接提供换流电压直接耦合式强迫换流通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流电感耦合式强迫换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施
7、加反压或反电流的换流方式称为强迫换流强迫换流。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电容换流。分类第10页/共32页换流方式分类直接耦合式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。也叫电流换流电流换流。第11页/共32页换流方式分类换流方式总结：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
8、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。第12页/共32页电压型逆变电路1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电压源电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路Current Source Type Inverter-CSTI直流侧是电流源电流源第13页/共32页电压型逆变电路2）电压型逆变电路的特点图5-5 电压型全桥逆变电路 (1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动无脉动。(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻
9、抗不同而不同。(3)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。第14页/共32页单相电压型逆变电路1）半桥逆变电路u图56 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形工作原理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/2。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称为反馈二反馈二极管极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。续流二极管。第15页/共32页单相电压型逆变电路优点优点：电路简单，使用器
10、件少。缺缺点点：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电路的组合。第16页/共32页单相电压型逆变电路2)全桥逆变电路共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。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 d来实现。第17页/共32页 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路输出电压定量分析输出电压定量分析 uo成傅里叶级数 基波幅值 基波有效值 当当uo为正负各180时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来
11、实现第18页/共32页单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路调节直流侧电压调节直流侧电压Ud d的办法的办法第19页/共32页单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压移相调压。移相调压。V3的栅极信号比V1落后q（0 q 180）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1前移180q。输出电压是正负各为q的脉冲。改变q就可调节输出电压。第20页/共32页单相电压型逆变电路3）带中心抽头变压器的逆变电路图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。与全桥电路的比较：比全桥电路少用一半
12、开关器件。器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍。必须有一个变压器。交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。第21页/共32页三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路图5-9 三相电压型桥式逆变电路第22页/共32页三相电压型逆变电路基本工作方式180导电方式每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120。任一瞬间有三个桥臂同时导通。每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。纵向换流。负载各相到电源中点N的电压：U相，上桥臂通，uUN=Ud/2，下
13、桥臂通，uUN=-Ud/2。导通顺序？第23页/共32页三相电压型逆变电路负载线电压负载相电压负载中点和电源中点间电压 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是第24页/共32页三相电压型逆变电路第25页/共32页第26页/共32页三相电压型逆变电路负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，这是电压型逆变电路的一个特点。防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通”第27页/共32页三相电压型逆变电路定量分析：输出线电压 uUV展开成傅里叶级数 式中，k为自然数第28页/共32页三相电压型逆变电路输出线电压有效值基波幅值基波有效值(5-10)第29页/共32页三相电压型逆变电路 负载相电压 uUN展开成傅里叶级数得 式中，k为自然数第30页/共32页三相电压型逆变电路负载相电压有效值基波幅值基波有效值第31页/共32页感谢您的观看！第32页/共32页