有源逆變(遠(yuǎn)程)23-25

1、第第 二十三二十三 講講主講教師：王念春主講教師：王念春第三章 有源逆變將直流電轉(zhuǎn)變成交流電，這種對(duì)應(yīng) 于整流的逆向過(guò)程，稱“逆變”。有源逆變則指的是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電后，再將它反送回交流電網(wǎng)。這里的“源”即指交流電網(wǎng)。如晶閘管控制的電力機(jī)車，交流電經(jīng)可控整流后，供電給直流電機(jī)。在正常運(yùn)行時(shí)，從交流電網(wǎng)供給功率來(lái)拖動(dòng)機(jī)車；當(dāng)機(jī)車下坡時(shí)，直流電機(jī)將作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，此時(shí)發(fā)出的直流電能用同一套晶閘管的控制轉(zhuǎn)換成交流電反送回電網(wǎng)。 又如正在運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，要使它迅速停機(jī)，也可讓電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生制動(dòng)，將電機(jī)動(dòng)能轉(zhuǎn)變成電能后反送回電網(wǎng)。有源逆變應(yīng)用廣泛，是研究直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是研究變速恒

2、頻電源必須具有的知識(shí)，還用于其他方面。晶閘管有源逆變和可控整流電路，常常采用一套電路既作整流又作逆變，在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。因此必須注意，在什么條件下是整流，在什么條件下是逆變，在什么條件下可以相互轉(zhuǎn)化。第一節(jié) 電能的流轉(zhuǎn)兩個(gè)直流電電源 和 相連的電路如圖3-1（a）所示?，F(xiàn)分析其電能如何流轉(zhuǎn)。2E1E設(shè) ，電流I從 流向 ，大小為 式中R為回路總電阻。電源 發(fā)出的功率為 ，電源 接收的功率為 ，電阻消耗的功率 。1E2EREEI211E2EIEP11IEP22RIIEEPR221)(21EE 圖3-1（b）的情況是兩個(gè)電源極性都反過(guò)來(lái)，同時(shí) ，則有電流方向不變，但功率反送。12EE圖3-1（

3、c）則為兩個(gè)電源反極性相連的情況，這時(shí)電流大小為 相當(dāng)于兩個(gè)電源順極性串聯(lián)起來(lái)向電阻R供電。REEI21此時(shí)兩電源都輸出功率， ， ，電阻消耗的功 率 。 如果R僅是回路電阻，電流I將很大，此時(shí)實(shí)際上形成了兩個(gè)電源的短路。IEP11IEP22IEEPR)(21由以上分析，可以得出幾點(diǎn)結(jié)論：1.兩各電源同極性相連，電流總是從電勢(shì)高的電源流向電勢(shì)低的電源，大小決定于兩電勢(shì)之差和回路電阻R。如R很小，雖然兩電勢(shì)之差不大，也可產(chǎn)生足夠大的電流，使兩電源間交換很大的功率。2.電流從電源正極性端流出者為發(fā)出功率，從正極性端流入者為吸收功率。3. 兩電源反極性相連時(shí)則形成短路，工作中應(yīng)嚴(yán)防發(fā)生。第二節(jié) 三相

4、半波逆變電路圖3-2示出了三相半波電路，它既 可作整流又可作逆變。為了便于分析問(wèn)題，1.設(shè)電路平波電感L足夠大，可認(rèn)為電流為一水平線。2.忽略電源漏抗，將直流電機(jī)電樞電阻和電感分別歸算到主回路的電阻和電感中，此時(shí)直流電機(jī)可看作是無(wú)內(nèi)阻抗的理想電壓源。下面從整流狀態(tài)分析起，具體說(shuō)明電路工作在整流或逆變狀態(tài)的條件，看整流和逆變?nèi)绾无D(zhuǎn)變。一 整流工作狀態(tài)（ ）每半周期開始以控制角 每隔 依次觸發(fā)晶閘管 ， ， 。20120aTbTcT輸出電壓波形示于圖3-2（a），其平均值 為正。 dU電流 應(yīng)有 方向由電路正極性流出，流入電機(jī)電勢(shì) 的正極性。 電機(jī)吸收功率，作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，整流電路則為輸出電能。dI

5、DEREUIddd二 中間狀態(tài)（ ）當(dāng)增大控制角 ，則電壓 波形與橫坐標(biāo)包圍的正面積減小，負(fù)面積加大，平均值 減小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減小。 dudU2/直到 時(shí)，理想狀態(tài)下，如果忽略電阻R，則輸出電壓 波形的正負(fù)面積相等，因而整流電路輸 出平均電壓為零，電動(dòng)機(jī)反電勢(shì) 為零，電路電流 為零，電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，即 電機(jī)將停轉(zhuǎn)。 2/du0, 0, 0, 0niEUdDddiDE三 逆變工作狀態(tài)從電路工作波形來(lái)分析 ，由于此時(shí)輸出電壓 波形負(fù)面積大于正面積，電路有可能輸出負(fù)平均電壓（圖3-2（c）。 )2/(du 要實(shí)現(xiàn)逆變工作狀態(tài)應(yīng)滿足條件： 1. ，這是電路的內(nèi)部條件；2. ，同時(shí) 反極性，這是外部條件。

6、2/DEDEdU由于此時(shí) 大于 ，電流從電機(jī)的電勢(shì) 正極流出，電機(jī)輸出功率為發(fā)電工作狀態(tài)；電流流入電路 現(xiàn)在的正極性，然后到了交流電網(wǎng)，即交流電源吸收功率，實(shí)現(xiàn)了有源逆變。DEdUdUDE如圖（3-2（c）， =150 作例 分析波形和電路工作過(guò)程。仍然 每隔120 依次觸發(fā)管 ， ， 。aTbTcT1.在 時(shí)觸發(fā) ，雖然此時(shí) =0，但在 作用下， 仍然承受正向電壓而導(dǎo)通，此后電路輸出負(fù)壓 。但由于 ，因此 仍導(dǎo)通，且使電感L儲(chǔ)能。aTaT1tauaTDEdDuE2. 當(dāng) 以后，由于 其絕對(duì)值大小開始大于電機(jī)電勢(shì) 絕對(duì)值，因此電感L開始釋放能量，仍能使晶閘管承受正向電壓而繼續(xù)維持導(dǎo)通，電流 方

7、向不變。2taduu DEdi3. 時(shí)觸發(fā)晶閘管 ，因?yàn)榇?時(shí) ，所以 導(dǎo)通，b相通， 管承受反壓而關(guān)斷。晶閘管在 換相時(shí)承受反向電壓為兩相電壓 之差，即線電壓，這點(diǎn)與整流時(shí) 一樣。3tbTabuu bTaT3.逆變時(shí)電流的大小為 決定于電機(jī)轉(zhuǎn)速， 可調(diào)節(jié)控制角 改變其大小。為了防止過(guò)大電流，可以調(diào)節(jié) 通過(guò)控制 來(lái)控制電流大小。RUEIdDdDEdUdU三相半波電路，在整流和逆變范圍內(nèi)，如電感L足夠大而使電流 波形連續(xù)，則每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120 。di故不管控制角 為何值，直流輸 出電壓 與 角的關(guān)系從輸出電 壓 波形不難求出 (3-1) 此時(shí) 。式（3-1）是 一條余弦曲線。 6562)()s

8、in(2321tdtUdUcoscos17. 102dUUdUdu2017. 1UUd對(duì)于其它電路，它們的輸出電壓 與控制角 的關(guān)系仍服從式（3-1），只是 與電源電壓有效值 的比值不同，見圖（3-3）。dU0dU2U直流電機(jī)電勢(shì)的極性必須改變才 能完成有源逆變。 對(duì)于不可能有負(fù)壓輸出的電路， 如橋式半控電路或有續(xù)流二極管 的電路，均不可能實(shí)現(xiàn)有源逆變。第第 二十四二十四 講講主講教師：王念春主講教師：王念春四 晶閘管的電壓波形圖3-4中分別畫出了控制角為 /3， /2，2 /3和5 /6時(shí)輸出電壓 的波形和晶閘管 兩端的電壓 波形。 duaTTau可見，在整流狀態(tài)，晶閘管不導(dǎo)通時(shí)主要承受反向

9、電壓；而在逆變工作時(shí)，晶閘管未導(dǎo)通時(shí)主要承受正向電壓。 晶閘管承受的最大正向或最大反向電壓均為線電壓峰值 。lU22五 逆變角為了分析和計(jì)算方便，通常把逆變工作時(shí)的控制角用 表示，稱“逆變角”。規(guī)定 時(shí)， = 0 ， 而 ， = 。逆變時(shí)， 在 之間，對(duì)應(yīng)于 在 之間。2/02/全逆變時(shí)晶閘管也在自然換向點(diǎn) 換相，此時(shí)輸出負(fù)壓最大，然后向左，即以與控制角 計(jì)量相反的方向計(jì)量逆變角 大小。逆變狀態(tài)輸出電壓平均值可寫成 (3-2) 可見，當(dāng) =0時(shí)，輸出電壓平均值 達(dá)到負(fù)最大值。 cos0ddUUdU六 對(duì)觸發(fā)電路的要求現(xiàn)在以 和 為例，來(lái)說(shuō)明整流和逆變兩種工作狀態(tài)對(duì)觸發(fā)脈沖的不同要求。工作波形見

10、圖3-5。60601. 對(duì)于整流狀態(tài)，一套觸發(fā)脈沖 電路可以同時(shí)供給三個(gè)晶閘 管 ， ， 。2. 對(duì)于逆變工作狀態(tài)，則只能依 次觸發(fā)晶閘管 ， ， 。aTbTcTcTbTaT如 時(shí)，見圖3-5(a)，應(yīng)換相到b相，此時(shí)b相電壓最高，可以保證順利換向?，F(xiàn)在a相c相電壓均低，與之相連的晶閘管雖被供給觸發(fā)脈沖，但不會(huì)導(dǎo)通。1t如 時(shí)，見圖3-5（b），由a相換流到b相，此時(shí)只能觸發(fā) ，因?yàn)榇藭r(shí) ，再要像整流狀態(tài)那樣將觸發(fā)脈沖同時(shí)供給三個(gè)晶閘管是不行的。aT2tcbuu u三相半波逆變電路，接線比較簡(jiǎn)單，所以元件也少，但容量和動(dòng)態(tài)響應(yīng)均較橋式線路為差。第三節(jié) 三相橋式逆變電路一 三相橋式逆變電路工作原

11、理三相橋式整流電路，如果工作時(shí)滿足實(shí)現(xiàn)有源逆變的兩個(gè)條件，就稱為三相橋式逆變電路。三相橋式電路工作時(shí)，晶閘管必須成對(duì)導(dǎo)通。每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角為2 /3，每隔 /3換流一次，元件仍按 順序依次導(dǎo)通。bcabcaTTTTTT設(shè)晶閘管 和 已經(jīng)導(dǎo)通， 1. 時(shí)觸發(fā) ，此時(shí)a相電壓高于c相， 導(dǎo)通， 承受反壓而關(guān)斷，直流側(cè)輸出 ，且為負(fù)壓cTbT3/1taTaTcTabu電流 從 正極性流出經(jīng) 流入 b相，再由a相流出，經(jīng) 回到 負(fù)極，電能從直流電源流向交流電源。2. 時(shí)觸發(fā) ，由于此時(shí)c相電壓 低于b相電壓，因此 導(dǎo)通而 關(guān) 斷， 和 形成通路，直流側(cè)輸 出 ，且有 0。 2tcTcTbTaTcTac

12、uacudIDEDEbTaT時(shí)觸發(fā) ，使 和 形成通路輸出 。如此循環(huán)下去，實(shí)現(xiàn)了有源逆變。在一個(gè)周期內(nèi)，輸出電壓脈動(dòng)六次，因而波形中最低次諧波為六倍基頻，電壓的紋波因數(shù)較三相半波為小。3tbTbTcTbcu二 電參數(shù)計(jì)算逆變電路的參數(shù)計(jì)算與整流相似。設(shè)電路內(nèi)電流連續(xù)，其輸出負(fù)平均電壓 為 （3-3） 或 （3-4） dUcos34. 22UUdcos35. 12ldUU直流電流平均值為 （3-5） 其中 變壓器次級(jí)繞組電阻； 電路直流側(cè)包括電機(jī)電樞電阻在內(nèi)的總電阻。輸出電壓 和電機(jī)電勢(shì) 的極性和整流時(shí)相反。式（3-5）中 和 均為負(fù)值。REUIDddDBRRRBRDRdUdUDEDE輸出電流

13、有效值I，應(yīng)等于 （3-6） 式中 紋波電流有效值； 第n次諧波電流有效值。222,nRRdIIIIIRInI當(dāng)把I理解為等效直流電流大小時(shí)，不難得到流過(guò)每個(gè)晶閘管的有效電流 和平均值電流 分別為 （3-7） （3-8）TITavITavI3)(213202ItdIIT3/I交流電源送到直流側(cè)的有功功率為： 逆變時(shí)， 為負(fù)值，則一般 也 為負(fù)值，表示功率從直流電源送到 交流電源。dDdIEIRP2DEdP從線路和工作波形可知，三相橋式電路電流每周期內(nèi)流通時(shí)間為 ，為每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角 的兩倍。因此變壓器次級(jí)線電流有效值為 （3-9）3/43/2TII22I32三相電源的視在功率 功率因數(shù)仍為IU

14、Sl22SPd/cos例 三相橋式電路中， ，工作于逆變狀態(tài)， ， ，設(shè)電流連續(xù)。計(jì)算：輸出電流平均值輸出電流有效值晶閘管電流有效值交流電源端功率因數(shù),8 . 0 RVUl2302VED2906/,5mHL第第 二十五講二十五講主講教師：王念春主講教師：王念春解：6/cos23035. 1cos35. 12ldUUV269AREUIDdd3 .268 . 0269290) 1 (由圖2-25可得 則六次諧波電流有效值可得 17. 0226lUC2/12322/12226)1055026(8 . 023017. 0)6(17. 0LRUIlA13. 4（2）六次諧波電流有效值已明顯小于 ，故忽略

15、六次以上高次諧波分量，由式（3-6）可求出電流有效值 （3）晶閘管電流有效值dIAI6 .2613. 43 .2622AIIT4 .1533 .263（4） 負(fù)號(hào)表示功率送給交流電源，電路工作于逆變狀態(tài)。 故 dDdIEIRP23 .26)290()6 .26(8 . 02W31006. 7VAIUSl321065. 86 .2623022816. 01065. 81006. 7cos33第四節(jié) 逆變失敗和控制角的限制在整流電路中，如觸發(fā)不可靠造成丟失脈沖，其后果可能是某相無(wú)電壓輸出或全無(wú)輸出，造成停止供電。而在逆變電路中，如觸發(fā)不可靠，將使換相失敗，形成交流與直流兩電源的順極性串聯(lián)，造成短路而使逆變失敗，稱“逆變顛覆”。一.逆變失敗以三相半波為例，圖3-7（a）表示當(dāng)丟失觸發(fā)脈沖時(shí)的工作波形。在 時(shí)，應(yīng)有觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管 使 a 相導(dǎo)通 ，設(shè)此時(shí)觸發(fā)脈沖丟失， 將繼續(xù)導(dǎo)通，直到后來(lái)輸出電源電壓正半周期時(shí)，形成與電勢(shì) 的順極性串聯(lián)，即短路。bT1taTDE圖3-7（b）是觸發(fā)脈沖延遲出現(xiàn)的情況。在 時(shí)應(yīng)有觸發(fā)脈沖觸發(fā) 使b相導(dǎo)通，由于觸發(fā)電路故障，結(jié)果到 時(shí)才觸發(fā) ，此時(shí) ，a相電壓已變得高于b相電壓，結(jié)果b相的 將承受反壓而不能導(dǎo)通，而 將繼續(xù)導(dǎo)通，a相繼續(xù)輸出直到出現(xiàn)