电力电子技术课件：3 有源逆变

第三章第三章 有源逆变有源逆变 将直流电转换成交流电，这种对应于整流的逆向过程，称将直流电转换成交流电，这种对应于整流的逆向过程，称逆变逆变 有源逆变有源逆变则指的是将直流电转换成交流电后，再将它反送回则指的是将直流电转换成交流电后，再将它反送回交流电网。交流电网。有源逆变应用广泛，它是研究直流可逆调速系统的基础，有源逆变应用广泛，它是研究直流可逆调速系统的基础，电力机车：电动机状态（正常运行），发电机状态（制动，电力机车：电动机状态（正常运行），发电机状态（制动，下坡）下坡）逆变的概念逆变的概念第一节第一节 电流的流转电流的流转 两个直流电源和相连的电路如图两个直流电源和相连的电路如图3-13-1所示。所示。两个两个电源电源间的电能流转：间的电能流转：1.E1E2：电源E1发出功率,E2接受功率，电阻消耗功率。电源E1发出的功率为 电源E2接受的功率为 电阻消耗的功率 功率流向？2.两电源极性均反向，且两电源极性均反向，且E2E1电流方向不变,但功率反送：电源E2发出功率,E1接受的功率，电阻消耗功率。功率流向？电源E1接受的功率为 电源E2发出的功率为 电阻消耗的功率 3.两个电源反极性相连情况：两个电源反极性相连情况：两个电源均输出功率,电阻消耗功率电源都输出功率：电阻上消耗功率：功率流向？若若R很小，则电流很大，两个电源短路，不希望出现这种情况很小，则电流很大，两个电源短路，不希望出现这种情况结论结论:两个电源间的电能流转两个电源间的电能流转 两两个个电电源源同同极极性性相相连连，电电流流总总是是从从电电势势高高的的电电源源流流向向电电势势低低的的电电源。电流大小决定于两电势之差和回路电阻。源。电流大小决定于两电势之差和回路电阻。电电流流从从电电源源正正极极性性端端流流出出者者为为发发出出功功率率，从从正正极极性性端端流流入入者者为为吸吸收功率。收功率。两两电电源源反反极极性性相相连连时时则则形形成成短短路路(因因为为线线路路等等效效电电阻阻总总是是很很小小)，工工作中应严防发生作中应严防发生。8第二节第二节 三相半波逆变电路三相半波逆变电路电动时电动时发电时发电时9一一.整流工作状态整流工作状态(00,UdED,Id=(Ud-ED)/Rn电机吸收功率，电动运行状态电机吸收功率，电动运行状态n整流电路输出电能整流电路输出电能 增大增大Ud减小转速下降减小转速下降。整流状态整流状态Ud10二二.中间状态中间状态(=90)Ud=0,ED=0，n=0,id=0(R=0理想状态理想状态)电机停转电机停转实际上电感有损耗，故此时实际上电感有损耗，故此时id ud均间断，均间断，Ud,ED很小。很小。故电机处于缓慢爬行状态。故电机处于缓慢爬行状态。中间状态中间状态11三三.逆变工作状态逆变工作状态(90180)Ud0(上正下负上正下负)，则处于短路状态。，则处于短路状态。要实现逆变工作应满足：要实现逆变工作应满足：1。Ud0(即即90Ud，同时，同时Ed反极性反极性-外部条件。外部条件。逆变状态逆变状态控制角90度?12等效电路能量的流转等效电路能量的流转EDud+-udUd+-Ud+-ua,ub,uc13=150为例分析波形及工作过程。设稳态时已存在为例分析波形及工作过程。设稳态时已存在ED逆变工作模态分析（工作详细分析）逆变工作模态分析（工作详细分析）tt1 1时时时时刻刻刻刻tt2 2时时时时刻刻刻刻tt3 3时时时时刻刻刻刻t1:只触发只触发Ta，Ta导通（导通（UaUc），），ud=ua udUa），），ud=ub 循环完成开关周期循环完成开关周期t2后后:EDud(ua),但电抗器的感应电动势维持原有电流但电抗器的感应电动势维持原有电流 L释放能量（释放能量（id减小减小)14三三相相半半波波电电路路，如如电电感感L足足够够大大而而使使电电流流id波波形形连连续续，则则每每个个晶晶闸闸管管导导电电120，故故从从输输出出电电压压 Ud波波形形不不难难求求出出直直流流输输出出电电压：压：逆变工作输出电压逆变工作输出电压注意控制角的范围扩展90o 180o则 d 015n是是一一条条余余弦弦曲曲线线，波波形形同同整流整流n对对于于其其它它形形式式电电路路，它它们们的的输输出出电电压压与与控控制制角角关关系系是是一致的一致的n只只是是具具体体的的Udo与与U2的的比比值值不一致不一致逆变工作输出电压逆变工作输出电压16决定于电机转速，决定于电机转速，可调节控制角可调节控制角 改变其大小。改变其大小。为了防止过大电流，可以调节为了防止过大电流，可以调节 来控制电流大小。来控制电流大小。通过控制通过控制逆变工作输出电流逆变工作输出电流17L足够大时，足够大时，每个每个SCR导通导通120Ud=1.17U2cos Id=(ED-Ud)/R，控制控制角可以调节角可以调节Id大小大小极性改变方法：极性改变方法：1.改变转速方向改变转速方向2.改变改变Ij方向方向逆变工作小结逆变工作小结18Ud=Ud0 cos，Ud0=0.9U2（单相桥）（单相桥）Ud0=1.17U2(三相半波三相半波,Ud0=2.34U2(三相桥式三相桥式)逆变工作小结逆变工作小结19对于不可能有负压输出的电路对于不可能有负压输出的电路,不可能实现有源逆变。不可能实现有源逆变。如如:桥式半控电路，桥式半控电路，有续流二极管的电路。有续流二极管的电路。逆变工作小结逆变工作小结20逆变角的定义逆变角的定义n逆变角：为了分析和计算方便，通常把逆变工作时的控制角逆变角：为了分析和计算方便，通常把逆变工作时的控制角用用表示，称表示，称“逆变角逆变角”。定义。定义n逆变角的参考点在负半周自然换相点处，此时输出负压最大逆变角的参考点在负半周自然换相点处，此时输出负压最大（0）n逆变角的计量方向是向左，即以与控制角逆变角的计量方向是向左，即以与控制角计量相反的方向计计量相反的方向计量逆变角量逆变角 大小。大小。n在在/2 之间变化，之间变化，对应对应在在/2 0 之间变化之间变化21逆变状态输出电压平均值可写成逆变状态输出电压平均值可写成 可见，当可见，当=0=0时时 输出电压平均值输出电压平均值Ud达到负最大值。达到负最大值。逆变角概念逆变角概念22晶闸管的电压波形晶闸管的电压波形:逆变时逆变时主要承受正压主要承受正压峰值峰值 U U2l2l23uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2wtOwtO图图34整流整流逆变逆变uTa24六六.对触发电路的要求对触发电路的要求 以以60的整流触发与的整流触发与6060的逆变触发为例的逆变触发为例 不同的不同的工作状态对触发脉冲电路的不同要求。工作状态对触发脉冲电路的不同要求。25 对于逆变工作状态，则只能依次触发晶闸管对于逆变工作状态，则只能依次触发晶闸管 Ta,Tb,Tc 如如t2 时，由时，由a相换流到相换流到b相，此时只能触发相，此时只能触发Tb 因为现在因为现在Ub=Uc，再要像整流状态那样将触发脉冲同时供给三，再要像整流状态那样将触发脉冲同时供给三个晶闸管是不行的个晶闸管是不行的对触发电路的要求对触发电路的要求:各相各相脉冲轮流脉冲轮流!26第三节第三节 三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路（48学时不含）学时不含）27逆变条件？n逆变工作的内部条件和外部条件逆变工作的内部条件和外部条件n三相桥式整流电路，如果工作时满足实现有源逆变的两个条件，三相桥式整流电路，如果工作时满足实现有源逆变的两个条件，就成为三相桥式逆变电路就成为三相桥式逆变电路28三相桥式电路的工作方式三相桥式电路的工作方式n对于整流电路对于整流电路q晶闸管必须成对导通晶闸管必须成对导通q每个晶闸管导通每个晶闸管导通120q每隔每隔60电路换流一次电路换流一次q导通顺序：导通顺序：T+a T-c T+b T-a T+c T-b n对于逆变电路器件工作方式不变！对于逆变电路器件工作方式不变！29n对于三相桥式逆变电路对于三相桥式逆变电路n注意各个功率管的自然换相点注意各个功率管的自然换相点n顺序为顺序为 T+a T-c T+b T-a T+c T-b；n如果有特定的逆变角，将相位向左移相即可如果有特定的逆变角，将相位向左移相即可三相桥式电路的工作模态分析三相桥式电路的工作模态分析-a-b+c+a-b-c-c-a+a+b+b+c30图图3631uabuaubTaT-cT-aT-bucTcTb相电压相电压线电压线电压32或三相桥式逆变电路参数计算三相桥式逆变电路参数计算n逆变电路的参数计算与整流情况相似。逆变电路的参数计算与整流情况相似。n设电路内电流连续，其输出负平均电压设电路内电流连续，其输出负平均电压Ud为为33n直流电流平均值为直流电流平均值为式中：式中：RB变压器次级绕组电阻；变压器次级绕组电阻；RD电路直流侧包括电机电枢电路直流侧包括电机电枢 电阻在内的总电阻电阻在内的总电阻输出电压输出电压Ud和电机电势和电机电势ED的极性和整流时相反的极性和整流时相反，式（式（3-5）中）中Ud和和 ED均为负值。均为负值。34n输出电流有效值输出电流有效值I应等于应等于(3-6)其中其中式中：式中：IB纹波电流有效值；纹波电流有效值；In第第n次谐波电流有效值。次谐波电流有效值。35n晶闸管的有效值电流晶闸管的有效值电流IT和平均值和平均值ITav分别为：分别为：(3-7)(3-8)36n交流电源送到直流侧的有功功率交流电源送到直流侧的有功功率逆变时，逆变时，ED为负值为负值 Pd则一般也为负值，则一般也为负值，表示功率从直流电源送到交流电源。表示功率从直流电源送到交流电源。37n根据根据工作波形可知，三相桥式电路线电流每周期内流通时间为工作波形可知，三相桥式电路线电流每周期内流通时间为4/3,是晶闸管的两倍是晶闸管的两倍因此变压器次级线电流有效值为因此变压器次级线电流有效值为：(3-9)n三相电源的视在功率三相电源的视在功率n功率因数仍为功率因数仍为38第四节第四节 逆变失败与控制角的限制逆变失败与控制角的限制39一、逆变失败一、逆变失败n在整流电路中，如触发不可靠造成丢失脉冲，其后果可能在整流电路中，如触发不可靠造成丢失脉冲，其后果可能是某相无电压输出或全无输出，造成停止供电。是某相无电压输出或全无输出，造成停止供电。n在逆变电路中，如触发不可靠，将使换相失败，形成交流在逆变电路中，如触发不可靠，将使换相失败，形成交流与直流两电源的顺极性串联，造成短路而使逆变失败，称与直流两电源的顺极性串联，造成短路而使逆变失败，称逆变失败或逆变颠覆逆变失败或逆变颠覆40丢失触发脉冲时的工作波形丢失触发脉冲时的工作波形n当丢失触发脉冲时的工作波形：在当丢失触发脉冲时的工作波形：在t1时应有触发脉冲触时应有触发脉冲触发晶闸管使发晶闸管使b相导通，设此时触发脉冲丢失相导通，设此时触发脉冲丢失:n在在t1时刻，时刻，a相晶闸管将继续导通，直到后来输出电源电相晶闸管将继续导通，直到后来输出电源电压正半周期时，形成与电势的顺极性串联，造成电路短路。压正半周期时，形成与电势的顺极性串联，造成电路短路。41触发脉冲延时时的工作波形触发脉冲延时时的工作波形n在在t1时应有触发脉冲触发晶闸管使时应有触发脉冲触发晶闸管使b相导通，由于触发电相导通，由于触发电路故障，结果到路故障，结果到t2时才触发晶闸管时才触发晶闸管n在在t2时刻，时刻，a相电压已经变得高于相电压已经变得高于b相电压，结果相电压，结果b相的晶相的晶闸管将承受反压而不能导通，而晶闸管将继续导通，闸管将承受反压而不能导通，而晶闸管将继续导通，a相相继续输出直到出现正半波时，形成与电势顺极性串联的短继续输出直到出现正半波时，形成与电势顺极性串联的短路。路。42某相故障时的工作波形某相故障时的工作波形n此外，如果某相晶闸管发生故障，交流电源发生异常等均此外，如果某相晶闸管发生故障，交流电源发生异常