变频的基本概念和负载谐振式逆变器

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第十二讲教案
变频的基本概念和负载谐振式逆变器
教学目标:
1、了解逆变的作用和逆变器的分类。

2、学会逆变器中逆变电路的基本工作原理与换流方式。

3、掌握并联谐振逆变器的结构与工作原理。

4、掌握串联谐振逆变器的结构与工作原理。

教学重点:
1.逆变器中逆变电路的基本工作原理与换流方式。

2.并联谐振逆变器的结构与工作原理
教学难点:
1、串联谐振逆变器的结构与工作原理。

教学方法:讲授法
教学时间:90分钟
试讲教材:电力电子技术(第2版)张涛等编北京:电子工业出版社 2009 教学步骤:
一、导入
同学们现在先回顾上一节的知识,学习了功率晶体管又称电力晶体管, 简称GTR,通常指耗散功率(或输出功率) 1 W以上的晶体管。

还学习了GTO的基本
工作原理。

GTO的工作原理与普通晶闸管相似,其结构也可以等效看成是由PNP 与NPN两个晶体管组成的反馈电路。

二、新课讲授
§6.1 变频的基本概念
1、有源逆变
1)定义:如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上,把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去。

2)应用:它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。

2、无源逆变
1)定义:逆变器的交流侧不与电网联接,而是直接接到负载,即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载,
2)应用:它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛,是构成电力电子技术的重要内容。

无源逆变技术的应用:
交流调速系统:如铁道牵引、大型工矿机车、城市有轨交通(地铁和轻轨车)、重型电传动汽车和矿井提升设备等。

交流电源:如列车照明、感应加热电源、电解电镀电源、不停电电源(UPS)、高频焊机、高频电子镇流器和航空电源等。

6.1.2 变频器的分类
6.1.2 变频器中逆变电路的基本工作原理与换流方式
◆ 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。

◆当开关S
1、S
4
闭合,S
2
、S
3
断开时,负载电压u o为正;当开关S1、S4断开,S2、
S
3
闭合时,u o为负,这样就把直流电变成了交流电。

◆改变两组开关的切换频率,即可改变输出交流电的频率。

◆电阻负载时,负载电流i o和u o的波形相同,相位也相同。

◆阻感负载时,i o相位滞后于u o,波形也不同。

◆电流从一个支路向另一个支路转移的过程,也称为换相。

◆研究换流方式主要是研究如何使器件关断。

■换流方式分为以下几种:
◆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等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。

◆负载换流(Load Commutation):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,如电容性负载和同步电动机。

图6-2 负载换流电路及其工作波形
☞图6-2a是基本的负载换流逆变电路,整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性,直流侧串大电感,工作过程可认为i d基本没有脉动。

负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小,所以u o接近正弦波。

注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在u o过零前并留有足够的裕量,才能使换流顺利完成。

◆强迫换流(Forced 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。

图6-3 直接耦合式强迫换流原理图
■换流方式总结
◆器件换流只适用于全控型器件,其余2种方式主要是针对晶闸管而言的。

◆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。

6.2.1 并联谐振式逆变器
• 这种逆变器的换流电容和负载并联,构成并联式谐振逆变器。

• 图6.5 并联逆变器的主电路
单相电流型逆变电路(负载换流型) 1) 电路原理
i 、由四个桥臂构成,每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器,用来限制晶闸管开通时的di/dt 。

ii 、工作方式为负载换相。

iii 、电容C 和L 、R 构成并联谐振电路。

iv 、输出电流波形接近矩形波,含基波和各奇次谐波,且谐波幅值远小于基波。

2
4
4
3
a
b c
图6-5 单相桥式电流型(并联谐振式)逆变电路
6.2.2 串联谐振式逆变器
这种逆变器的换向电容和负载(电感线圈L )串联利用负载回路串联谐振的原理进行换流,故称之为串联谐振式逆变器(简称串联逆变器) 谐振式电路的主要特点:
(1)逆变电路输出波形为方波。

并联谐振式逆变器由恒流源供电,输出电流为方波;而串联谐振式逆变器由恒压源供电,输出电压为方波。

(2)将逆变频率调谐在负载谐振频率附近,可获得正弦的输出电压或电流。

并联式逆变器,负载的电压波形接近正弦波;而串联式逆变器,负载的电流波形接近正弦波。

因此都无需通过低通滤波器来消除低次谐波。

(3)因为利用了负载的谐振特点,电流中的元器件要承受很大的电压或电流,特别是功率开关器件会因此而承受很大的器件应力。

这是谐振式逆变器的一大缺点。

3
图6.7 串联逆变器的主电路
三、总结
本次课程我们学习了有源逆变的定义:如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上,把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去。

变频器中逆变电路的基本工作原理与换流方式3种:器件换流、负载换流、强迫换流。

还学习了并联谐振逆变器和串联谐振逆变器的工作原理。