基于能量流向法判定整流工作狀態(tài)和逆變工作狀態(tài)

教案編寫：肖強(qiáng)暉廖無限

授課教師：廖無限電氣工程系電氣工程教研室

現(xiàn)代電力電子技術(shù)ModernPowerElectronics基于能量流向法判定整流工作狀態(tài)和逆變工作狀態(tài)

重點(diǎn)和難點(diǎn)1、能量流向法基本原理2、用能量流向法判定——單相PWM整流和逆變的工作過程

3、用能量流向法判定——相控整流和逆變的工作過程基于能量流向法

判定整流工作狀態(tài)和逆變工作狀態(tài)

1、基本原理2、單相PWM整流和逆變的工作過程

3、相控整流和逆變的工作過程基本原理交流電源發(fā)出和吸收能量的判定原則

交流電源發(fā)出能量(p=ui>0)分兩種情況

交流電源吸收能量(p=ui<0)分兩種情況

能量流向與整流和逆變工作狀態(tài)的關(guān)系

1.交流電源發(fā)出和吸收能量的判定原則1.p=ui>0交流電源發(fā)出能量2.p=ui<0交流電源吸收能量

1.交流電源發(fā)出和吸收能量的判定原則為了便于說明，講述內(nèi)容做以下假設(shè)：一個電力電子變換裝置，如果假設(shè)交流電源側(cè)等效為UA，直流電源側(cè)為UB，其負(fù)載等效為Z，在這里忽略了電源內(nèi)阻。基本原理交流電源發(fā)出和吸收能量的判定原則

交流電源發(fā)出能量(p=ui>0)分兩種情況

交流電源吸收能量(p=ui<0)分兩種情況

能量流向與整流和逆變工作狀態(tài)的關(guān)系

2.交流電源發(fā)出能量(p=ui>0)分兩種情況A)u>0,i>0

B)u<0,i<0基本原理交流電源發(fā)出和吸收能量的判定原則

交流電源發(fā)出能量(p=ui>0)分兩種情況

交流電源吸收能量(p=ui<0)分兩種情況

能量流向與整流和逆變工作狀態(tài)的關(guān)系

3.交流電源吸收能量(p=ui<0)分兩種情況A)u>0,i<0B)u<0,i>0基本原理交流電源發(fā)出和吸收能量的判定原則

交流電源發(fā)出能量(p=ui>0)分兩種情況

交流電源吸收能量(p=ui<0)分兩種情況

能量流向與整流和逆變工作狀態(tài)的關(guān)系

能量流向與整流和逆變工作狀態(tài)的關(guān)系A(chǔ)）p=ui>0→

交流電源發(fā)出能量→工作在→

整流狀態(tài)

能量流向與整流和逆變工作狀態(tài)的關(guān)系B）p=ui<0→

交流電源吸收能量→工作在

→

逆變狀態(tài)

基于能量流向法

判定整流工作狀態(tài)和逆變工作狀態(tài)

1、基本原理2、單相PWM整流和逆變的工作過程3、相控整流和逆變的工作過程PWM控制的基本原理PWM控制的基本原理2.單相PWM整流和逆變的工作過程

2.1單相PWM整流的工作過程2.2單相PWM逆變的工作過程

2.1單相PWM整流的工作過程

單相PWM整流電路圖

2.1單相PWM整流的工作過程1、首先進(jìn)行能量流向法基本分析：

整流狀態(tài)→交流電源側(cè)發(fā)出能量到直流側(cè)→

p=ui>0

分兩種情況：

A)u>0,i>0→

p=ui>0→交流電源工作在正半軸

B)u<0,i<0→

p=ui>0→交流電源工作在負(fù)半軸

（參見下圖所示兩種情形）

2.1單相PWM整流的工作過程2.1單相PWM整流的工作過程2、u>0,i>0時(shí)整流工作過程分析

交流電源工作在正半軸

T1、T4不工作：截止?fàn)顟B(tài)

T2、T3工作：導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)

所以這時(shí)可分兩種情形：

2.1單相PWM整流的工作過程1）當(dāng)T2、T3閉合時(shí)，參見下圖的所示的能量流方向：

它們有兩條導(dǎo)通路徑，如紅虛線和藍(lán)虛線如示。2.1單相PWM整流的工作過程第一條路徑如下圖所示：2.1單相PWM整流的工作過程第二條路徑如下圖所示：

2.1單相PWM整流的工作過程2）當(dāng)T2、T3斷開時(shí)，參見下圖所示的能量流方向：

注意：此時(shí)電感兩端極性發(fā)生了突變！

2.1單相PWM整流的工作過程如果忽略二極管D上的壓降，則等效圖是：可以看出，此時(shí)的能量還是向直流側(cè)流，不過是一個升壓斬波過程。只有在T2和T3管關(guān)閉時(shí)才有能量輸出到負(fù)載。2.1單相PWM整流的工作過程小結(jié)：由T2、D1、Ls和T3、D4、Ls分別組成兩個升壓斬波（Boost）電路。以第一個Boost電路為例，當(dāng)T2導(dǎo)通時(shí)，電源us通過T2、D4向Ls中儲能，當(dāng)T2關(guān)斷時(shí)，Ls中儲存的能量通過D1、D4向直流側(cè)電容充電。2.1單相PWM整流的工作過程

3、u<0,i<0時(shí)整流工作過程分析

交流電源工作在負(fù)半軸

T2、T3不工作：截止?fàn)顟B(tài)

T1、T4工作：導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)

所以這時(shí)也可分兩種情形：

2.1單相PWM整流的工作過程

1）當(dāng)T1、T4閉合時(shí)，參見下圖的所示的能量流方向：

它們有兩條導(dǎo)通路徑，如紅虛線和藍(lán)虛線如示

2.1單相PWM整流的工作過程第一條路徑如下圖所示：

2.1單相PWM整流的工作過程第二條路徑如下圖所示：2.1單相PWM整流的工作過程2）當(dāng)T1、T4斷開時(shí)，參見下圖所示的能量流方向：

注意：此時(shí)電感兩端極性發(fā)生了突變！

2.1單相PWM整流的工作過程如果忽略二極管D上的壓降，則等效圖是：可以看出，能量還是交流向直流側(cè)流，不過是一個升壓斬波過程。只有在T1和T4管關(guān)閉時(shí)才有能量輸出到負(fù)載。

2.1單相PWM整流的工作過程小結(jié)：由T1、D2、Ls和T4、D3、Ls分別組成兩個Boost電路，其工作過程同us>0相類似。2.1單相PWM整流和逆變的工作過程

2.1單相PWM整流的工作過程2.2單相PWM逆變的工作過程

2.2單相PWM逆變的工作過程單相PWM逆變圖2.2單相PWM逆變的工作過程1、首先進(jìn)行能量流向法基本分析：逆流狀態(tài)

→

直流電源側(cè)發(fā)出能量到交流側(cè)→

p=ui<0也分兩種情況：

A)u>0,i<0→p=ui<0→交流電源工作在正半軸

B)u<0,i>0→

p=ui<0→交流電源工作在負(fù)半軸（參見下圖所示兩種情形）2.2單相PWM逆變的工作過程2、u>0,i<0時(shí)逆變工作過程分析交流電源工作在正半軸T2、T3不工作：截止?fàn)顟B(tài)T1、T4工作：導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)所以這時(shí)可分兩種情形：2.2單相PWM逆變的工作過程1）當(dāng)T1、T4閉合時(shí)，參見下圖的所示的能量流方向：

注意：它們只有一條導(dǎo)通路徑，如紅虛線如示2.2單相PWM逆變的工作過程2）當(dāng)T1、T4斷開時(shí)，參見下圖所示的能量流方向：注意：電感兩端極性發(fā)生突變2.2單相PWM逆變的工作過程小結(jié)：

由T1、T4、D2、D3共同組成一個降壓斬波Buck電路，當(dāng)T1、T4導(dǎo)通時(shí)，直流側(cè)通過T1、T4向電感Ls和電源Us提供電能，當(dāng)T1、T4關(guān)斷時(shí)，電感Ls中的能量通過D2、D3向電源釋放。

2.2單相PWM逆變的工作過程3、u<0,i>0時(shí)整流工作過程分析交流電源工作在負(fù)半軸T1、T4不工作：截止?fàn)顟B(tài)T2、T3工作：導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)

所以這時(shí)也可分兩種情形：2.2單相PWM逆變的工作過程1)當(dāng)T2、T3閉合（導(dǎo)通）時(shí)，參見下圖所示的能量流方向：

2.2單相PWM逆變的工作過程2)當(dāng)T2、T3斷開（截止）時(shí)，參見下圖所示的能量流方向：電感兩端極性發(fā)生突變2.2單相PWM逆變的工作過程小結(jié)：由T2、T3、D1、D4共同組成一個降壓斬波（Buck）電路，其工作過程同Us>0時(shí)相類似。因?yàn)殡娐钒碆uck電路工作，因此，工作時(shí)其直流側(cè)電壓也必須大于交流輸入電壓的峰值。

基于能量流向法

判定整流工作狀態(tài)和逆變工作狀態(tài)

1、基本原理2、單相PWM整流和逆變的工作過程3、相控整流和逆變的工作過程

3.相控整流和逆變的工作過程基本分析相控型電路等效圖

其中，Ua表示交流側(cè)電等效電源，Ub表示直流側(cè)電源，為了說明簡便，在這里還忽略了所有電源的內(nèi)阻。

3.相控整流和逆變的工作過程經(jīng)以上等效后可以看出，因?yàn)槎O管的單向?qū)ㄐ?，所以?shí)現(xiàn)能量流動和傳遞，相控型電路只能按下圖所示的方式進(jìn)行。

相控型電路等效圖其中的虛線和箭頭表示了能量流動和傳遞的方向3.相控整流和逆變的工作過程3.1相控整流的工作過程和條件3.2相控逆變的工作過程和條件3.1相控整流的工作過程和條件整流狀態(tài)→交流電源發(fā)出能量到直流側(cè)→工作在p=ui>0狀態(tài)。

故整流狀態(tài)能量傳遞只能按如下圖所示的兩種方式進(jìn)行。

3.1相控整流的工作過程和條件可以看出懣足交流電源發(fā)出p=ui>0，只能是u>0，i>0,這種情況，這一點(diǎn)與PWM整流不同。即Ua的控制角在0－90度的范圍。

3.相控整流和逆變的工作過程3.1相控整流的工作過程和條件3.2相控逆變的工作過程和條件3.2相控逆變的工作過程和條件逆變狀態(tài)→交流電源吸收能量→工作在→即p=ui<0的狀態(tài)故相控型變換器的逆變狀態(tài)能量傳遞只能按如下圖所示的方式進(jìn)行。

3.2相控逆變的工作過程和條件即滿足以下三個條件（1）直流側(cè)Ub必須有一個直流電源，其電動勢極性必須和變換器所允許的電流流動方向一致.。（2）相控型變換器應(yīng)是可輸出負(fù)壓的全控整流橋，且控制角a>90度。因?yàn)橹挥羞@時(shí)，才能得到負(fù)電壓。（3）Ub>Ua

才能實(shí)現(xiàn)有源逆變工作狀態(tài)。

舉例

三相半波有源逆變電路

三相半波有源逆變電路及其波形

圖5.7.3（a）為三相半波整流器帶電動機(jī)負(fù)載時(shí)的電路,并假設(shè)負(fù)載電流連續(xù)。

當(dāng)α在范圍內(nèi)變化時(shí)，變流器輸出電壓的瞬時(shí)值在整個周期內(nèi)雖然有正有負(fù)或者全部為負(fù)，但負(fù)的面積總是大于正的面積，故輸出電壓的平均值Ud為負(fù)值。電機(jī)E的極性具備有源逆變的條件。當(dāng)α在