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1、有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-1 有源逆变有源逆变 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-2 概概 述述 什么是逆变?为什么要逆变? 逆变(invertion)把直流电转变成交流电,整流的逆过 程。 v 实例: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。 逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。 v 有源逆变电路交流侧和电网连结。 应用:直流可逆调速 系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等 。 v 无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接,而直接接到负载。 对于可控整流电路,满足一定条件就可工作于有源逆变, 其电路形式未变,只是电路工作条件转变。既可工
2、作在整 流状态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-3 一、有源逆变的有源逆变的概念概念 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。 图c 两电动势顺向串联,向电阻R 供电,G和M均输 出功率,由于R 一般都很小,实际上形成短路,在工作 中必须严防这类事故发生。 c) b)a) MGMGMG E G E M I d R E G E M I d R E
3、 G E M I d R 4 . 1 4 . 1 有源逆变电路的工作原理(有源逆变电路的工作原理(概念概念 ) 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-4 2、变流电路 电动机系统电能的流转 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 图a M电动运行,全波电路工作在整流状态, 在0 /2之间 ,Ud为正值,并且Ud EM,才能输出Id。 交流 电网 输出 电功 率 电动机输入 电功率 电 动 机 输 出 电 功 率 交流电网输 入电功率 图b M回馈制动,由于晶闸管的单向导电性,Id方向不变,欲改变电能的输送方向 ,只能改变EM极性。为了防止两电动势顺向串联,Ud极性也必须反过来,
4、即Ud应为 负值,且|EM | |Ud |,才能把电能从直流侧送到交流侧,实现逆变。 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。 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-5 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。 (2)晶闸管的控制角 /2,使Ud为负值。 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,也不允许直流侧出 现负极性的电动势,故不能实现有源逆变。 欲实现有源逆变,只能采用全控电路。 有源逆变 * 云南机电职
5、业技术学院4-6 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)。 (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。 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-7 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 ,计算方法为:自 = ( = 0 )的起始 点向左方计量。 、 的关系: = 或 = 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-8 二、单相桥式有源逆变电路 1、变流器工作于整流状态( 0 2 ) Ud 0 ,
6、 E 0,Ud E,M工作于电动状态 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-9 2、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 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-10 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 。 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-11 本章内容本章内容 4.1 有源逆变电路的工作原理(概念) 4.24.2 三相有源逆变电路三相有
7、源逆变电路 4.3 有源逆变的应用 4.4 整流电路的谐波和功率因数 4.6 变流电路的功率因数及改善方法 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-12 4. 2 4. 2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路 一、 三相半波有源逆变电路 1、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 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-13 三相半波有源逆变电路三相半波有源逆变电路(续)(续) 2、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) , E 0 (反极性) Ud E 有源逆变 * 云南机电职
8、业技术学院4-14 三相半波有源逆变电路三相半波有源逆变电路(续)(续) 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-15 3、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 。 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-16 二、三相桥式全控有源逆变电路二、三相桥式全控有源逆变电路 1、变流器工作于逆变状态( 2 ) Ud 0 , E 0 Ud E 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-17 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
9、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 。 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-18 三、逆三、逆 变变 失失 败及最小逆变角的限制败及最小逆变角的限制 1、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。 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-19 2 2 、逆变失败的原因、逆变失败的原因 (1)触发脉冲丢失 T2的触发脉 冲Ug2丢失 有源逆变 *
10、 云南机电职业技术学院4-20 2 2 、逆变失败的原因、逆变失败的原因(续)(续) (2)触发脉冲延迟 T2的触发脉 冲Ug2延迟 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-21 2 2 、逆变失败的原因、逆变失败的原因(续)(续) (3)晶闸管发生故障(指晶闸管失去阻断能力 或失去导通能力) T3失去阻断 能力 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-22 2 2 、逆变失败的原因、逆变失败的原因(续)(续) (4)换相的裕量角不足 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-23 2 2 、逆变失败的原因、逆变失败的原因(续)(续) (5)交流电源发生异常现象,如 交流电源突然断电 交流电源电压太低
11、 交流电源缺相 不论什么原因,逆变失败的后果都是造成电流 急剧上升! 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-24 3 3 、避免逆变失败的措施、避免逆变失败的措施 (1)预防措施 采用可靠的触发电路; 选用可靠的SCR,防止误导通; 逆变角 不能太小,必须限制在某一允许 的最小角度内。 (2)保护措施:装快速熔断器或快速开关; 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-25 4 4 、确定最小逆变角、确定最小逆变角 min min 的依据 的依据 (1)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(约为1520 ) : 安全裕
12、量角(一般取10 ) tq约为200300s,折算成电角度约45 最小角一般可取3035。 角越大,逆变越可靠,但功率因数越低! 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-26 例例 4-14-1 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KP。 解:交流侧电抗为 输出直流平均电压为 输出电压又可表示为 所以 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-27 例例 4-14-1(续)(续) 负载侧的功率为 负载功率为负值,表明负载侧
13、实际是供出电能回馈到电 网的。 Pd又可解为 所以交流电源的功率因数为 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-28 例例 4-24-2 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Ua 220V,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? 有源逆变 *
14、 云南机电职业技术学院4-29 例例 4-24-2(续)(续) 解: 1. 由于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。 。 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-30 例例 4-24-2(续)(续) 解:4 负号说明电网吸收电功率 代入 得 : 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-31 本章内容本章内容 4.1 有源逆变电路的工作原理 4.2 三相有源逆变电路 4.34.3 有源逆变的应用有源逆变的应用 4.4 整流电路的谐波和功率因数 4.6 变流电路的功率因数及改善方法 有源逆变 * 云南机电职业技术学院4-32 高压直流输电 4. 3 4. 3 有源逆变的应用有源逆变的应用 两组晶闸管变流器的交流侧分别与 两个交流系统u1、u2连接,变流器 的直流侧相互关联。 通