电力电子学电课4有源逆变.

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1、电力电子技术 Power Electronics Technology,Spring 2006,电 气 工 程 学 院 陈 洛 忠,第四章 有源逆变,逆变（invertion）：把直流转变成交流 如：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送 到交流电网中去 逆变电路：把直流逆变成交流的电路 有源逆变电路：电路的交流侧和电网连接，将直流逆变成与 电网同频率的交流反送到电网（本章介绍） 无源逆变电路：变流电路的交流侧不与电网连接，而直接接 到负载，将直流逆变成固定频率或可调频率的交流供给负载 （将在第6章介绍） 对于全控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路结构未变，只是工作条件

2、转变,要 求 及 重 点,理解和掌握单相、三相有源逆变电路的工作原理，有源逆变的应用和整流电路的功率因数及其改善的方法 重点：波形分析法，有源逆变的条件和有源逆变失败的原因,本章内容,4.1 有源逆变电路的工作原理（概念） 4.2 三相有源逆变电路 4.3 变流电路的功率因数,一、有源逆变的概念 1、直流发电机电动机系统电能的流转,图a M电动运转，EGEM，电流Id从G流向M，M吸收电功率。,图b 回馈制动状态，M作发电运转，此时，EMEG，电流反向，从M流向G。故M输出电功率，G则吸收电功率，M轴上输入的机械能转变为电能反送给G。,4 . 1 有源逆变电路的工作原理,2、变流电路 电动机系

3、统电能的流转 用单相全波电路代替上述发电机,单相全波电路的整流和逆变,Ud可通过改变来进行调节，逆变状态时Ud为负值， 逆变时 在 /2 之间。,3、实现有源逆变的条件 从上述分析中，可以归纳出要实现有源逆变，必须满足下列条件： （1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一 致，其值大于变流器直流侧平均电压。（外 部条件） （2）晶闸管的控制角 /2，使Ud为负值。（内 部条件） 半控桥或输出端有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路,4、改变电枢电势 E 极性的方法 （1）某些机械能随着工况的不同自动改变E的 极性 （如直流卷扬机

4、） （2）改变励磁电流方向 （3）反接电枢回路 在可逆拖动系统中，通常采用两套变流器相互切换,5、逆变角 为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆 变角 （或称引前触发角）表示相控角度 规定： 角计算的起始点为控制角 = 处 计算方法：自 = （ = 0 ）的起始点向左方 计量 、 的关系： = 或 = ,有源逆变电路概述,一、逆变电路的分类 根据逆变输出交流电能去向分类： 有源逆变 以电网为负载 变流装置（变流器） 无源逆变 以用电器为负载 变频器,二、电源间能量的流转关系,(a) E1 E2 时 (b) E2 E1 时 (c) 电源反极性相连,电流从电源的正极流出者，该电源为输出功率 电流从

5、电源的负极流出者，该电源为输入功率 两个电源反极性相连时，如果电路总电阻很小，会形成电源间短路故障,单相桥式有源逆变电路,变流器工作于整流状态（ 0 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E，M工作于电动状态,变流器工作于逆变状态（ 2 ） 电动机工作于发电状态，由于Id方向不能改变，因而要求： E 0 （反极性），Ud 0 （反极性）且Ud E,3、单相桥式电路逆变电压的计算 变流器直流侧电压计算公式 考虑换相重叠角 其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行,实现有源逆变的条件,有一个直流电源，极性为上 “ ” 下 “ + ”

6、变流器的 2 ，即 Ud 0 Ud E E 约等于 Ud 半控电路或具有续流二极管的电路，不能实现有源逆变，因为： 不能输出负电压 E的极性不能为上 “ ” 下 “ + ”,改变电枢电势 E 极性的方法,某些机械能随着工况的不同自动改变E的 极性（如直流卷扬机） 改变励磁电流方向 反接电枢回路 在可逆拖动系统中，通常采用两套变流器 相互切换,4.2 三相有源逆变电路,一、三相半波有源逆变电路 变流器工作于整流状态（ 0 2 ） Ud 0 , E 0， Ud E ， M工作于电动状态,变流器工作于逆变状态（ 2 ） 电动机工作于发电状态，由于Id方向不能改变，因而要求： Ud 0 （反极性） ,

7、 E 0 （反极性） Ud E,逆变角 的计算,为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆变角 （或称引前触发角）表示 规定： 角计算的起始点为控制角 = 处，计算方法为自 = （ = 0 ）的起始点向左方计量 、 的关系： = 或 = ,三相半波电路逆变电压的计算,变流器直流侧电压计算公式 考虑换相重叠角,其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行,二、三相桥式全控有源逆变电路,变流器工作于逆变状态（ 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E,2、三相桥式电路逆变电压的计算 变流器直流侧电压计算公式 考虑换相重叠角 其它的电量，如负载

8、电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行,逆 变 失 败及最小逆变角的限制,定义： 逆变运行时，一旦发生换相失败，使整流电路由逆变工作状态进入整流工作状态，Ud又重新变成正值，使输出平均电压和直流电势变成顺向串联，外接的直流电源通过SCR电路形成短路，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆,逆变失败的原因,（1）触发脉冲丢失 T2的触发脉冲ug2丢失,以三相半波可控电路为例,（2）触发脉冲延迟 T2的触发脉冲ug2延迟,（3）晶闸管发生故障 （指晶闸管失去阻 断或导通能力） T3失去阻断能力,（4）换相的裕量角不足,（5）交流电源发生异常现象，如：

9、 交流电源突然断电 交流电源电压太低 交流电源缺相 不论什么原因，逆变失败都将造成电流急剧上升,逆变失败的原因,触发电路工作不可靠 触发脉冲丢失（见左图） 触发脉冲延迟（见右图）,晶闸管发生故障（见左图） 换相的裕量角不足（见右图） 交流电源发生异常现象,避免逆变失败的措施,采用可靠的触发电路 选用可靠的SCR，防止误导通 加快速熔断器或快速开关 逆变角 不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内,确定最小逆变角 min 的依据,最小逆变角 min = + + : SCR的关断时间 tq 折合的电角度， 叫恢复阻断角， = tq : 换相重叠角 : 安全裕量角 在可逆直流拖动系统中，一般要求 m

10、in min,确定最小逆变角 min的依据,（1）最小逆变角 min = + + : 换相重叠角（约为1520 ） : SCR的关断时间 tq 折合的电角度， 叫恢复阻断角， = tq ，tq约为 200300s，折算成电角度约45 : 安全裕量角（一般取10 ） 最小逆变角min一般可取3035 角越大，逆变越可靠，但功率因数越低,例 4-1,三相全控桥式整流电路接阻感反电势负载。已知整流 变压器副边线电压 UAB=220V，交流侧电感LB=0.5mH， R=2，E= -290V， =150，=100 ，Ld足够大，求 直流端电压、电流和交流电源的功率因数。 解：交流侧电抗为 输出直流平均电

11、压为 输出电压又可表示为,负载侧的功率为 负载功率为负值，表明负载侧实际是供出电能回馈 到电网的 交流电源的功率因数为,所以,例 4-2,三相半波整流电路如图例4.2所示，已知电动机处于稳 定的发电制动状态，滤波电抗Xd足够大，输出电流连续 而平直，电枢回路总电阻Ra0.5，电机端压Ua220V， 变压器副边相电压U2220V，交流侧换流电抗XB0.21。 试完成下列要求：,1阐明图中整流器输出电压Ud和电动机端电压Ua的极性； 2阐明变流器控制角的调节范围； 3如何调节电动机的制动强度？ 4当制动电流Ia103A时，系统向交流电网回馈的功率有多大？此时变流器的逆变角为多少？,解： 1. 由于

12、电机处于稳定的再生制动状态，电动机向交流电网回馈电能 ，且晶闸管不能逆向导通电流，据此可以确定整流器输出电压Ud和电动机端电压Ua的极性为下“+”上“-” 2. 逆变工作时控制角的理论范围是 ，为防止逆变颠覆，控制角 有最大值的限制，即逆变角有最小值 限制。 受换流电流、交流侧换相电抗及元件关断时间的影响，应具体情况具体分析。根据一些典型系统的运行经验， 大约在350左右。因此逆变工作时控制角的范围大致是 3. 通过调节角来调节制动强度，当较大时，变流器输出逆变电压较小，制动电流大，制动力就强，反之亦然,。,4.,负号说明电网吸收电功率,代入,得 ：,习题 42、 44、 45,思考和作业,4

13、.3 变流电路的功率因数,一、变流电路的功率因数 1、定义 变流电路电网侧有功功率与视在功率之比 2、计算方法1 = P/ S 若忽略变流电路损耗，P应等于整流负载 功率,3、计算方法2 = cos cos ：相位移系数（基波的有功功 率与基波的视在功率之比） : 电流畸变系数（基波电流有效值 与总电流有效值之比），即 =I1/I,例：单相全控桥式电路功率因数计算,计算方法1,计算方法2,课 堂 思 考,1、下列电路中能用于有源逆变的有：（ ） (1) 单相桥式全控整流电路 (2) 单相桥式半控整流电路 (3) 单相桥式不可控整流电路 (4) 三相桥式全控整流电路 (5) 三相桥式半控整流电路

14、 (6) 三相桥式不可控整流电路 (7) 三相半波可控整流电路 (8) 带续流二极管的三相半波可控整流电路,2、判断对错 晶闸管有源逆变电路： 当某个晶闸管发生故障、失去开通能力时，肯定会导致 逆变失败（ ） 不论什么原因导致逆变失败，其后果都会造成电流急剧 增大（ ） 可以采用全控电路，也可以采用半控电路（ ） 交流侧可以与电网连接，也可以与负载连接（ ）,本章小结,1、逆变的概念： 逆变电路:把直流变成交流的电路。分为有源和无源逆变两种 有源逆变电路:电路的交流侧和电网连接，将直流变成与电网 同频率的交流反送到电网 无源逆变电路:变流电路的交流侧不与电网连接，而直接接到 负载，将直流电逆变成固定频率或可调频率的交流 供给负载 在相控电路中，半控桥或输出端有续流二极管的电路， 因其整流电压ud不能出现负值，故不能实现有源逆变。欲实 现有源逆变，只能采用全控电路,2、实现有源逆变的条件 （1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值 大于变流器直流侧平均电压 （2）晶闸管的控制角 /2，使Ud为负值 3、逆变失败 逆变失败的概念 逆变失败的原因、后果 逆变失败的预防措施 4、为什么要限制角的最小值，确定最小逆变角 min 的依据 5、电量计算,习题 43、 48、 414、415,思考和作业,实验二 有源逆变电路,讲课堂指导 交实验报告,