无源逆变电路详细解析共89页

第十三讲 无源逆变13. 0 引 言➢ 逆变概念逆变——与整流相对应，直流电变成交流电，❖ 交流侧接电网，为有源逆变 ❖ 交流侧接负载，为无源逆变本章讲述无源逆变➢ 逆变与变频❖ 变频电路：交交变频和交直交变频两种❖ 交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变➢ 逆变电路的应用❖ 蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路 ❖ 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路13.1 无源逆变的基本原理主要介绍逆变电路的基本工作原理和换流方式 13.1.1 逆变电路的基本工作原理 单相桥式逆变电路为例❖ 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 ❖ S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u o 为正图5-1 逆变电路及其波形举例❖ S1、S4断开，S2、S3闭合时，u o 为负，把直流电变成了交流电 ❖ 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率❖ 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（图5-1b ）• t 1前：S1、S4通，u o 和i o 均为正• t 1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，u o 变负，但i o 不能立刻反向 • i o 从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，i o 逐渐减小，t 2时刻降为零，之后i o 才反向并增大13.1.2 换流方式分类➢ 换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相➢ 开通：适当的门极驱动信号就可使其开通 ➢ 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a)b )图5-1u➢ 研究换流方式主要是研究如何使器件关断➢ 换流方式 1. 器件换流❖ 利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Commutation ）2. 电网换流❖ 由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation ）❖ 可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路 ❖ 不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件3. 负载换流❖ 由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation ） ❖ 负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流 ❖ 负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流❖ 基本的负载换流逆变电路：❖ 采用晶闸管❖ 负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入 直流侧串入大电感L d ， i d 基本没有脉动图5-2 负载换流电路及其工作波形 ❖ 工作过程（工作波形图5-2b ） • 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态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，u o 波形接近正弦• t 1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，u o 、i o 均为正，VT2、VT3电压即为u o• t 1时：触发VT2、VT3使其开通，u o 加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2• t 1必须在u o 过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成4. 强迫换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流（Forced Commutation ）• 通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流➢ 直接耦合式强迫换流——由换流电路内电容提供换流电压♦ VT 通态时，先给电容C 充电。

无源逆变电路分析如图 所示，三相桥式电压型方波逆变电路180°导电方式，U d =36V ，输出相电压基波频率为50Hz 。

试求：(1)输出相电压的基波幅值U UN1m 和有效值U UN1；(2分) (2)输出线电压的基波幅值U UV1m 和有效值U UV1；(2分) (3)输出线电压中5次谐波的有效值U UV5；(2分)所谓“三相桥式电压型逆变电路180°导电方式”是指同一半桥上下两臂间隔180度导通，相邻半桥之间间隔120度导通，其控制脉冲波形如图所示。

各时段等效电路如图所示。

注意各时段连接负载的U 、V 、W 三线的电位。

特别地，以下的所述的“高电位”是指2d U +；所谓“低电位”是指2d U -。

事实上，U 、V 、W 三线的电位始终与各开关管控制脉冲变化规律相同。

+-U时段1：U ϕ、W ϕ处于高电位，V ϕ处于低电位；时段2：U ϕ处于高电位，V ϕ、W ϕ处于低电位；时段3：U ϕ、V ϕ处于高电位，W ϕ处于低电位； 其余时段分别为：时段4：U ϕ、W ϕ处于低电位，V ϕ处于高电位； 时段5：U ϕ处于低电位，V ϕ、W ϕ处于高电位； 时段6：U ϕ、V ϕ处于低电位，W ϕ处于高电位；显然，U ϕ、V ϕ和W ϕ就是N U u '、N V u '和N W u '，由以上分析可以画出三相电压N U u '、N V u '和N W u '波形，并依此画出三相负载线电压波形：+-U +-U +-U将输出线电压按傅里叶级数展开：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+=⎪⎭⎫⎝⎛-++--=∑nkt n n t U t t t t t U u ωωπωωωωωπsin )1(1sin 3213sin 13111sin 1117sin 715sin 51sin 32d d UV式中16±=k n 。

由上式可见，负载线电压有效值：d UV UV d U t u U 816.021202==⎰πωπ负载线电压基波有效值和基波幅值：d d UV1mUV1U U U U 78.062===πddUV1m U U U 1.132==π不难看出，)(31 WN'VN' UN'NN'u u u u ++=，据此可画出N N u '波形。