《有源逆變》PPT課件

2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-0,第4章有源逆變與相控變流器特性,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-1,概述,什么是逆變？為什么要逆變？逆變（invertion）把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，整流的逆過程。實例：電力機車再生制動行駛，機車的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，反送到交流電網(wǎng)中去。逆變電路把直流電逆變成交流電的電路。有源逆變電路交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)。（本章介紹）應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機串級調(diào)速以及高壓直流輸電等。無源逆變電路變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負載。（將在第6章介紹）對于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉(zhuǎn)變。既可工作在整流狀態(tài)又可工作在逆變狀態(tài)的電路又稱為變流電路。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-2,要求及重點,理解和掌握單相、三相有源逆變電路的工作原理，有源逆變的應(yīng)用和整流電路的功率因數(shù)及其改善的方法。重點：波形分析法，有源逆變的條件和有源逆變失敗的原因。（可沿用整流的辦法來處理逆變時有關(guān)波形與參數(shù)計算等各項問題）。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-3,本章內(nèi)容,4.1有源逆變電路的工作原理（概念）4.2三相有源逆變電路4.3有源逆變的應(yīng)用4.4整流電路的諧波和功率因數(shù)4.6變流電路的功率因數(shù)及改善方法,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-4,一、有源逆變的概念1、直流發(fā)電機電動機系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn),圖aM電動運轉(zhuǎn)，EGEM，電流Id從G流向M，M吸收電功率。,圖b回饋制動狀態(tài)，M作發(fā)電運轉(zhuǎn)，此時，EMEG，電流反向，從M流向G。故M輸出電功率，G則吸收電功率，M軸上輸入的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒oG。,4.1有源逆變電路的工作原理（概念）,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-5,2、變流電路電動機系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)用單相全波電路代替上述發(fā)電機,單相全波電路的整流和逆變,Ud可通過改變來進行調(diào)節(jié)，逆變狀態(tài)時Ud為負值，逆變時在/2之間。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-6,3、實現(xiàn)有源逆變的條件從上述分析中，可以歸納出要實現(xiàn)有源逆變，必須滿足下列條件：（1）有直流電動勢，其極性和晶閘管導(dǎo)通方向一致，其值大于變流器直流側(cè)平均電壓。（2）晶閘管的控制角/2，使Ud為負值。半控橋或輸出端有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現(xiàn)負值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負極性的電動勢，故不能實現(xiàn)有源逆變。欲實現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-7,4、改變電樞電勢E極性的方法（1）某些機械能隨著工況的不同自動改變E的極性（如直流卷揚機）。（2）改變勵磁電流方向。（3）反接電樞回路。在可逆拖動系統(tǒng)中，通常采用兩套變流器相互切換。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-8,5、逆變角為了方便，電路進入逆變狀態(tài)時，通常用逆變角（或稱引前觸發(fā)角）表示相控角度。規(guī)定：角計算的起始點為控制角=處，計算方法為：自=（=0）的起始點向左方計量。、的關(guān)系：=或=,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-9,二、單相橋式有源逆變電路1、變流器工作于整流狀態(tài)（02）Ud0,E0，UdE，M工作于電動狀態(tài),2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-10,2、變流器工作于逆變狀態(tài)（2）電動機工作于發(fā)電狀態(tài)，由于Id方向不能改變，因而要求：E0（反極性），Ud0（反極性）且UdE,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-11,3、單相橋式電路逆變電壓的計算變流器直流側(cè)電壓計算公式考慮換相重疊角其它的電量，如負載電流平均值、晶閘管電流平均值和有效值，變壓器的容量計算等，均可按照整流電路的計算原則進行。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-12,本章內(nèi)容,4.1有源逆變電路的工作原理（概念）4.2三相有源逆變電路4.3有源逆變的應(yīng)用4.4整流電路的諧波和功率因數(shù)4.6變流電路的功率因數(shù)及改善方法,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-13,4.2三相有源逆變電路,一、三相半波有源逆變電路1、變流器工作于整流狀態(tài)（02）Ud0,E0，UdE，M工作于電動狀態(tài),2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-14,三相半波有源逆變電路（續(xù)）,2、變流器工作于逆變狀態(tài)（2）電動機工作于發(fā)電狀態(tài)，由于Id方向不能改變，因而要求：Ud0（反極性）,E0（反極性）UdE,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-15,三相半波有源逆變電路（續(xù)）,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-16,3、三相半波電路逆變電壓的計算變流器直流側(cè)電壓計算公式考慮換相重疊角其它的電量，如負載電流平均值、晶閘管電流平均值和有效值，變壓器的容量計算等，均可按照整流電路的計算原則進行。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-17,二、三相橋式全控有源逆變電路,1、變流器工作于逆變狀態(tài)（2）Ud0,E0UdE,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-18,2、三相橋式電路逆變電壓的計算變流器直流側(cè)電壓計算公式考慮換相重疊角其它的電量，如負載電流平均值、晶閘管電流平均值和有效值，變壓器的容量計算等，均可按照整流電路的計算原則進行。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-19,三、逆變失敗及最小逆變角的限制,1、定義：逆變運行時，一旦發(fā)生換相失敗，使整流電路由逆變工作狀態(tài)進入整流工作狀態(tài)，Ud又重新變成正值，使輸出平均電壓和直流電勢變成順向串聯(lián)，外接的直流電源通過SCR電路形成短路，這種情況稱為逆變失敗，或稱為逆變顛覆。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-20,2、逆變失敗的原因,（1）觸發(fā)脈沖丟失T2的觸發(fā)脈沖Ug2丟失,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-21,2、逆變失敗的原因（續(xù)）,（2）觸發(fā)脈沖延遲T2的觸發(fā)脈沖Ug2延遲,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-22,2、逆變失敗的原因（續(xù)）,（3）晶閘管發(fā)生故障（指晶閘管失去阻斷能力或失去導(dǎo)通能力）T3失去阻斷能力,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-23,2、逆變失敗的原因（續(xù)）,（4）換相的裕量角不足,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-24,2、逆變失敗的原因（續(xù)）,（5）交流電源發(fā)生異?，F(xiàn)象，如交流電源突然斷電交流電源電壓太低交流電源缺相不論什么原因，逆變失敗的后果都是造成電流急劇上升！,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-25,3、避免逆變失敗的措施,（1）預(yù)防措施采用可靠的觸發(fā)電路；選用可靠的SCR，防止誤導(dǎo)通；逆變角不能太小，必須限制在某一允許的最小角度內(nèi)。（2）保護措施：裝快速熔斷器或快速開關(guān)；,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-26,4、確定最小逆變角min的依據(jù),（1）最小逆變角min=+:SCR的關(guān)斷時間tq折合的電角度，叫恢復(fù)阻斷角，=tq:換相重疊角（約為1520）:安全裕量角（一般取10）tq約為200300s，折算成電角度約45最小角一般可取3035。角越大，逆變越可靠，但功率因數(shù)越低！,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-27,例4-1,三相全控橋式整流電路接阻感反電勢負載。已知整流變壓器副邊線電壓UAB=220V，交流側(cè)電感LB=0.5mH，R=2，E=-290V，=150，=100，Ld足夠大，求直流端電壓、電流和交流電源的功率因數(shù)KP。解：交流側(cè)電抗為輸出直流平均電壓為輸出電壓又可表示為所以,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-28,例4-1（續(xù)）,負載側(cè)的功率為負載功率為負值，表明負載側(cè)實際是供出電能回饋到電網(wǎng)的。Pd又可解為所以交流電源的功率因數(shù)為,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-29,例4-2,三相半波整流電路如圖例4.2所示，已知電動機處于穩(wěn)定的發(fā)電制動狀態(tài)，濾波電抗Xd足夠大，輸出電流連續(xù)而平直，電樞回路總電阻Ra0.5，電機端壓Ua220V，變壓器副邊相電壓U2220V，交流側(cè)換流電抗XB0.21。試完成下列要求：,1闡明圖中整流器輸出電壓Ud和電動機端電壓Ua的極性；2闡明變流器控制角的調(diào)節(jié)范圍；3如何調(diào)節(jié)電動機的制動強度？4當(dāng)制動電流Ia103A時，系統(tǒng)向交流電網(wǎng)回饋的功率有多大？此時變流器的逆變角為多少？,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-30,例4-2（續(xù)）,解：1.由于電機處于穩(wěn)定的再生制動狀態(tài)，電動機向交流電網(wǎng)回饋電能，且晶閘管不能逆向?qū)娏?，?jù)此可以確定整流器輸出電壓Ud和電動機端電壓Ua的極性為下“+”上“-”。2.逆變工作時控制角的理論范圍是，為防止逆變顛覆，控制角有最大值的限制，即逆變角有最小值限制。受換流電流、交流側(cè)換相電抗及元件關(guān)斷時間的影響，應(yīng)具體情況具體分析。根據(jù)一些典型系統(tǒng)的運行經(jīng)驗，大約在350左右。因此逆變工作時控制角的范圍大致是。3.通過調(diào)節(jié)角來調(diào)節(jié)制動強度，當(dāng)較大時，變流器輸出逆變電壓較小，制動電流大，制動力就強，反之亦然。,。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-31,例4-2（續(xù)）,解：4,負號說明電網(wǎng)吸收電功率,代入,得：,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-32,本章內(nèi)容,4.1有源逆變電路的工作原理4.2三相有源逆變電路4.3有源逆變的應(yīng)用4.4整流電路的諧波和功率因數(shù)4.6變流電路的功率因數(shù)及改善方法,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-33,高壓直流輸電,4.3有源逆變的應(yīng)用,兩組晶閘管變流器的交流側(cè)分別與兩個交流系統(tǒng)u1、u2連接，變流器的直流側(cè)相互關(guān)聯(lián)。,通過分別控制兩個變流器的工作狀態(tài)，就可控制功率的流向。,在送電端，變流器工作于整流工況，在受電端變流器工作于逆變工況。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-34,有源逆變的應(yīng)用（續(xù)）,繞線式異步電動機晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng),轉(zhuǎn)子在不同的轉(zhuǎn)速下感應(yīng)出轉(zhuǎn)差頻率的電壓，經(jīng)一組不控的三相橋式變流器變成直流電壓，,此電壓再經(jīng)一組全控橋式變流器實現(xiàn)有源逆變，把電能（轉(zhuǎn)差功率）饋送回電網(wǎng)中去，,改變逆變角的大小，即可改變饋送回電網(wǎng)電能的多少，從而達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-35,直流可逆電力拖動系統(tǒng),有源逆變的應(yīng)用（續(xù)）,第一象限，變流器的控制角1900，Ud1E，整流狀態(tài)，電機正轉(zhuǎn)電動運行；,第二象限，變流器的控制角900，UdE，有源逆變狀態(tài)，電機正轉(zhuǎn)發(fā)電制動機運行；,第三象限，變流器的控制角900，UdE，整流狀態(tài)，電機反轉(zhuǎn)電動運行；,第四象限，變流器的控制角1900，Ud1E，有源逆變狀態(tài)，電機反轉(zhuǎn)發(fā)電制動運行。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-36,本章內(nèi)容,4.1有源逆變電路的工作原理（概念）4.2三相有源逆變電路4.3有源逆變的應(yīng)用4.4整流電路的諧波和功率因數(shù)4.6變流電路的功率因數(shù)及改善方法,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-37,4.4整流電路的諧波和功率因數(shù),任何周期性波形都可以分解為直流分量、正弦波基波分量和一系列頻率為基波整數(shù)倍的諧波分量。整流電路的諧波包括：變流器直流側(cè)諧波交流電源側(cè)諧波,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-38,4.4.1變流器直流側(cè)諧波分析（=0）,在（mm）傅立葉級數(shù)分析ud以2m為周期,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-39,直流側(cè)諧波分析（=0）（續(xù)）,因此在整流輸出電壓中，諧波級次n一定是脈波數(shù)m的整數(shù)倍。根據(jù)傅立葉級數(shù)分析結(jié)果,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-40,直流側(cè)諧波分析（=0）（續(xù)）,兩相半波電路（m=2）三相半波電路（m=3）,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-41,直流側(cè)諧波分析（=0）（續(xù)）,三相橋式電路（m=6）脈波數(shù)（相數(shù)）的增加使諧波中最低次諧波的頻率增加，同時其幅值迅速減少。增加整流器的脈波數(shù)m，對減少直流側(cè)諧波、改善輸出波形質(zhì)量有重要的作用。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-42,直流側(cè)諧波分析（0）,空載直流電壓的n次諧波的有效值整流器輸出直流電壓中的諧波分量，將隨延遲角的增大而顯著上升。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-43,4.4.2交流電源側(cè)諧波電流分析,對于理想的m脈波整流器，則在交流側(cè)只有下列級次的諧波電流：=mk1每個諧波電流分量的幅值為基波電流的1/，即諧波電流分量的大小與其頻率成反比。實際應(yīng)用中，當(dāng)需要比較精確的檢測變流器交流側(cè)諧波電流時，必需同時考慮到脈波數(shù)m、延遲角和重迭角三個參數(shù)的影響。,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-44,本章內(nèi)容,4.1有源逆變電路的工作原理（概念）4.2三相有源逆變電路4.3有源逆變的應(yīng)用4.4整流電路的諧波和功率因數(shù)4.6變流電路的功率因數(shù)及改善方法,2020/5/16,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4-45,4.6變流電路的功率因數(shù)及改善方法,一、變流電路的功率因數(shù)1、定義變流電路電網(wǎng)側(cè)有功功率與視在功率之比。2、