單相電流型逆變電路初探電力電子技術(shù)課程論文1

1、 電力電子技術(shù)課程論文 姓名： 學(xué)號： 班級： 指導(dǎo)教師： 成績：單相電流型逆變電路初探摘要 本文首先介紹了單相電流型逆變電路的特點(diǎn)和原理，用單相橋式電流型逆變電路的原理圖說明了該電路是采用負(fù)載換相方式工作的，要求負(fù)載電流略超前于負(fù)載電壓；接著詳細(xì)分析該電路的工作過程，并用圖給出該逆變電路的工作波形，在交流電流的一個(gè)周期內(nèi)，有兩個(gè)穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。同時(shí)，也對電路的實(shí)際工作情況做了一定分析。接著，對電路的應(yīng)用展開分析，簡單介紹電流型逆變器，分析其特點(diǎn)，并與電壓型逆變器作比較。關(guān)鍵詞 電流 逆變電路 工作原理Study of Single-Phase Current Source Typ

2、e Inverter CircuitAbstract 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 slightly ahead of the require

3、d load voltage ; followed by a detailed analysis of the circuit's 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 for the actual work. Then

4、, to analyze the application of the circuit, a brief current inverter, analyze its characteristics, and with the voltage source inverter for comparison.Key words Electric current Inverter circuit Working principle1 引言將直流電變換成交流電，即DC-AC變換稱為逆變，是將交流電變換成直流電（AC-DC變換）的逆過程。DC-AC變換應(yīng)用非常廣泛，各類直流電源（如蓄電池、電瓶、太陽能光伏

5、電池等）需向交流負(fù)載供電時(shí)就需先進(jìn)行逆變；交流電機(jī)用變頻器、不間斷電源、有源濾波器、感應(yīng)加熱裝置等其核心變換就是逆變，所以DCAC逆變技術(shù)是電力電子電路中最為重要的變換技術(shù)。直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。實(shí)際上理想直流電流源并不多見，一般是在逆變電路直流側(cè)串聯(lián)一個(gè)大電感，因?yàn)榇箅姼兄械碾娏髅}動很小，因此可近似看成直流電流源。2 對單相電流型逆變電路的研究2.1逆變電路的分類逆變器的交流負(fù)載中包含有電感、電容等無源元件，它們與外電路間必然有能量的交換，這就是無功。由于逆變器的直流輸入與交流輸出間有無功功率的流動，所以必須在直流輸入端設(shè)置儲能元件來緩沖無功的需求。在交直交變頻電路中

6、，直流環(huán)節(jié)的儲能元件往往被當(dāng)作濾波元件來看待，但它更有向交流負(fù)載提供無功功率的重要作用。隨著用電設(shè)備不斷發(fā)展，用電設(shè)備對交流電源性能參數(shù)也有很多不同的要求,發(fā)展稱為多種逆變電路，大致可以按照以下方式分類：按輸出電能的去向分，可分為有源逆變電路和無源逆變電路。前者輸出的電能不返回公共交流電網(wǎng)，后者輸出的電能直接輸向用電設(shè)備按直流電源性質(zhì)可分為由電壓型直流電源供電的電壓型逆變電路和由電流型直流電源供電的電流型逆變電路。按主電路的器件分，可分為：由具有自關(guān)斷能力的全控型器件組成的全控型逆變電路；由無關(guān)斷能力的半控型器件。2.2電流型逆變電路的主要特點(diǎn)   （1）直流側(cè)串

7、聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。    （2）電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流甩流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。    （3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。因?yàn)榉答仧o功能量時(shí)直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。2.3 單相電流型逆變電路圖1是一種單相橋式電流型逆變電路的原理圖。電路由4個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂的晶閘管各串聯(lián)

8、一個(gè)電抗器LT。LT用來限制晶閘管開通時(shí)di/dt，各橋臂的L之間不存在互感。使橋臂1、4和橋臂2、3以10002500Hz的中頻輪流導(dǎo)通，就可以在負(fù)載上得到中頻交流電。  該電路是采用負(fù)載換相方式工作的，要求負(fù)載電流略超前于負(fù)載電壓，即負(fù)載略呈容性。實(shí)際負(fù)載一般是電磁感應(yīng)線圈，用來加熱置于線圈內(nèi)的鋼料。圖1 中R和L串聯(lián)即為感應(yīng)線圈的等效電路。因?yàn)楣β室驍?shù)很低，故并聯(lián)補(bǔ)償電容器C。電容C和L、R 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故這種逆變電路也被稱為并聯(lián)諧振式逆變電路。負(fù)載換流方式要求負(fù)載電流超前于電壓，因此補(bǔ)償電容應(yīng)使負(fù)載過補(bǔ)償，使負(fù)載電路總體上工作在容性小失諧的情況下。 

9、   因?yàn)槭请娏餍湍孀冸娐?，故其交流輸出電流波形接近矩形波，其中包含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。因基波頻率接近負(fù)載電路諧振頻率，故負(fù)載電路對基波呈現(xiàn)高阻抗，而對諧波呈現(xiàn)低阻抗，諧波在負(fù)載電路上產(chǎn)生的壓降很小，因此負(fù)載電壓的波形接近正弦波。2.4 單相電流型逆變電路的工作過程圖2是該逆變電路的工作波形。在交流電流的一個(gè)周期內(nèi)，有兩個(gè)穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。    tlt2之間為晶閘管 VTl和 VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，負(fù)載電流 io =Id，近似為恒值，t2時(shí)刻之前在電容C上

10、，即負(fù)載上建立了左正右負(fù)的電壓。  在 t2時(shí)刻觸發(fā)晶閘管VT2和VT3，因在t2前VT2和 VT3的陽極電壓等于負(fù)載電壓，為正值，故VT2和VT3開通，開始進(jìn)入換流階段。由于每個(gè)晶閘管都串有換流電抗器LT，故 VTl 和 VT4 在 t2 時(shí)刻不能立刻關(guān)斷，其電流有一個(gè)減小過程。同樣，VT2 和 VT3 的電流也有一個(gè)增大過程。t2 時(shí)刻后，4個(gè)晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電容電壓經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電。其中一個(gè)回路是經(jīng) LTl、VTl、VT3、

11、LT3回到電容C；另一個(gè)回路是經(jīng) LT2、VT2、VT4、LT4回到電容C，如圖2中虛線所示。在這個(gè)過程中，VTl、VT4電流逐漸減小，VT2、VT3電流逐漸增大。當(dāng)t=t4時(shí)，VTl、VT4電流減至零而關(guān)斷，直流側(cè)電流Id全部從VTl、VT4轉(zhuǎn)移到VT2、VT3，換流階段結(jié)束。 稱為換流時(shí)間。因?yàn)樨?fù)載電流 io=iVT1-iVT2，所以 io 在 t3 時(shí)刻，即 iVTl=iVT2 時(shí)刻過零，t3時(shí)刻大體位于t2和t4的中點(diǎn)。    晶閘管在電流減小到零后，尚需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻

12、斷能力。因此，在 t4時(shí)刻換流結(jié)束后，還要使VTl，VT4承受一段反壓時(shí)間 才能保證其可靠關(guān)斷。 應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。如果 VT1、VT4尚未恢復(fù)阻斷能力就被加上正向電壓，將會重新導(dǎo)通，使逆變失敗。 為了保證可靠換流，應(yīng)在負(fù)載電壓uo 過零前  時(shí)刻去觸發(fā) VT2、VT3。稱為觸發(fā)引前時(shí)間，從圖2可得              從圖2 還可以看出，負(fù)載電流io超前于負(fù)載

13、電壓uo的時(shí)間   為        把  表示為電角度  (弧度)可得      式中， 為電路工作角頻率；、 分別是 、 對應(yīng)的電角度。 也就是負(fù)載的功率因數(shù)角。      圖2中t4t6之間是VT2、VT3的穩(wěn)定導(dǎo)通階段。t6以后又進(jìn)入從VT2、VT3導(dǎo)通向VT2、VT4導(dǎo)通的換流階段，其過程和前面的分析類似。&

14、#160; 晶閘管的觸發(fā)脈沖uGluG4，晶閘管承受的電壓 uVTluVT4以及A、B間的電壓 uAB也都示于圖2中。在換流過程中,上下橋臂的LT上的電壓極性相反，如果不考慮晶閘管壓降，則uAB=0?？梢钥闯?，uAB的脈動頻率為交流輸出電壓頻率的兩倍。在uAB為負(fù)的部分，逆變電路從直流電源吸收的能量為負(fù)，即補(bǔ)償電容 C 的能量向直流電源反饋。這實(shí)際上反映了負(fù)載和直流電源之間無功能量的交換。在直流側(cè)，Ld 起到緩沖這種無功能量的作用。  如果忽略換流過程，io可近似看成矩形波。展開成傅里葉級數(shù)可得 

15、0;    其基波電流有效值 Io1 為    下面再來看負(fù)載電壓有效值U。和直流電壓Ud的關(guān)系。如果忽略電抗器Ld的損耗，則uAB的平均值應(yīng)等Ud。再忽略晶閘管壓降，則從圖2的uAB波形可得                        一般情況下  值較小，可近似認(rèn)為 ，再考

16、慮到式     可得     或      2.5 單相電流型逆變電路實(shí)際工作圖3 電流型逆變器 在上述討論中，為簡化分析，認(rèn)為負(fù)載參數(shù)不變，逆變電路的工作頻率也是固定的。實(shí)際上在中頻加熱和鋼料熔化過程中，感應(yīng)線圈的參舉是隨時(shí)間而變化的，固定的工作頻率無法保證晶閘管的反壓時(shí)間  大于關(guān)斷時(shí)間tq，可能導(dǎo)致逆變失敗。為了保證電路早常工作，必須使工作頻率能適應(yīng)負(fù)載的變化而自動調(diào)整。這種控制方式稱為自勵(lì)方式，即逆變電路的觸發(fā)信號取自

17、負(fù)載端，其工作頻率受負(fù)載諧振頻率的控制而比后者高一個(gè)適當(dāng)?shù)闹?。與自勵(lì)式相對應(yīng)，固定工作頻率的控制方聲稱為他勵(lì)方式。自勵(lì)方式存在著起動的問題，因?yàn)樵谙到y(tǒng)未投入運(yùn)行時(shí)，負(fù)載端沒有輸出，無法取出信號。解決這一問題的方法之一是先用他勵(lì)方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵(lì)方式。另一種方法是附加預(yù)充電起動電路，即預(yù)先給電容器充電，起動時(shí)將電容能量釋放到負(fù)載上，形成衰減振蕩，檢測出振蕩信號實(shí)現(xiàn)自勵(lì)。2.6 電流型逆變器 逆變器根據(jù)輸入直流電源的性質(zhì)、逆變器的直流輸入波形和交流輸出波形，可以把逆變器分成電壓型逆變器（亦稱電壓源逆變器）和電流型逆變器（亦稱電流源逆變器）。當(dāng)逆變器的逆變功率P的脈動波形由直流電壓來體現(xiàn)

18、時(shí)，稱之為電流型逆變器，如圖3所示，直流電源是恒流源。 電流型逆變器的特點(diǎn)（1）直流電源側(cè)串聯(lián)有較大的直流濾波電感Ld；（2）當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)變化時(shí)，交流輸出電流的波形不變，即交流輸出電流的波形與負(fù)載無關(guān)，交流輸出電流的波形，通過逆變開關(guān)的動作，被直流電源電感穩(wěn)流成方波；（3）在逆變器中，與逆變開關(guān)串聯(lián)有反向阻斷二極管VD1VD6，而沒有反饋二極管，所以在逆變器中必須有釋放換相時(shí)積蓄在負(fù)載電感中的能量的電路（通常用并聯(lián)電容來吸收這一部分能量）；（4）輸出電壓的相位隨著負(fù)載功率因數(shù)的變化而變化，換相是在兩個(gè)相鄰相之間進(jìn)行的；（5）可以通過控制輸出電流的幅值和波形來控制其輸出電流。2.6.3 電壓型

19、和電流型逆變器的比較（1）電壓源型逆變器采用大電容作儲能（濾波）元件，逆變器呈現(xiàn)低內(nèi)阻特性，直流電壓大小和極性不能改變，能將負(fù)載電壓箝在電源電壓水平上，浪涌過電壓低，適合于穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源，不可逆電力拖動系統(tǒng)、多臺電機(jī)協(xié)同調(diào)速和快速性要求不高的應(yīng)用場合。電流源型逆變器電流方向不變，可通過逆變器和整流器的工作狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)能量流向改變，實(shí)現(xiàn)電力拖動系統(tǒng)的電動、制動運(yùn)行，故可應(yīng)用于頻繁加、減速，正、反轉(zhuǎn)的單機(jī)拖動系統(tǒng)。（2）電流源型逆變器因用大電感儲能（濾波），主電路抗電流沖擊能力強(qiáng)，能有效抑制電流突變、延緩故障電流上升速率，過電流保護(hù)容易。電壓源型逆變器輸出電壓穩(wěn)定，一旦出現(xiàn)短路電流上升極快，難以獲得保護(hù)處理所需時(shí)間，過電流保護(hù)困難。（3）采用晶閘管元件的電流源型逆變器依靠電容與負(fù)載電感的諧振來實(shí)現(xiàn)換流，負(fù)載構(gòu)成換流回路的一部分，不接入負(fù)載系統(tǒng)不能運(yùn)行。（4）電壓源型逆