有源逆變電路基本知識(shí)(共11頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一節(jié) 有源逆變電路基本知識(shí)第二節(jié)一、 整流與逆變的關(guān)系前面兩章討論的是把交流電能通過晶閘管變換為直流電能并供給負(fù)載的可控整流電路。但生產(chǎn)實(shí)際中，往往還會(huì)出現(xiàn)需要將直流電能變換為交流電能的情況。例如，應(yīng)用晶閘管的電力機(jī)車，當(dāng)機(jī)車下坡運(yùn)行時(shí)，機(jī)車上的直流電機(jī)將由于機(jī)械能的作用作為直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，此時(shí)就需要將直流電能變換為交流電能回送電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)。又如， 運(yùn)轉(zhuǎn)中的直流電機(jī)，要實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，較理想的辦法是將該直流電機(jī)作為直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，并利用晶閘管將直流電能變換為交流電能回送電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的發(fā)電機(jī)制動(dòng)。 相對(duì)于整流而言，逆變是它的逆過程，一般習(xí)慣于稱整流為順

2、變，則逆變的含義就十分明顯了。下面的有關(guān)分析將會(huì)說明，整流裝置在滿足一定條件下可以作為逆變裝置應(yīng)用。即同一套電路，既可以工作在整流狀態(tài)，也可以工作在逆變狀態(tài)， 這樣的電路統(tǒng)稱為變流裝置。 變流裝置如果工作在逆變狀態(tài)，其交流側(cè)接在交流電網(wǎng)上，電網(wǎng)成為負(fù)載， 在運(yùn)行中將直流電能變換為交流電能并回送到電網(wǎng)中去， 這樣的逆變稱為“有源逆變”。 如果逆變狀態(tài)下的變流裝置，其交流側(cè)接至交流負(fù)載，在運(yùn)行中將直流電能變換為某一頻率或可調(diào)頻率的交流電能供給負(fù)載，這樣的逆變則稱為“無源逆變”或變頻電路。 二、 電源間能量的變換關(guān)系圖 4-1 兩個(gè)電源間能量的傳送(a) 同極性連接E1E2； (b) 同極性連接E2

3、E1； (c) 反極性連接 圖4-1(a)表示直流電源E1和E2同極性相連。當(dāng)E1E2時(shí)， 回路中的電流為 式中R為回路的總電阻。此時(shí)電源E1輸出電能E1I，其中一部分為R所消耗的I2R，其余部分則為電源E2所吸收的E2I。 注意上述情況中，輸出電能的電源其電勢(shì)方向與電流方向一致，而吸收電能的電源則二者方向相反。 在圖4-1(b)中，兩個(gè)電源的極性均與圖4-1(a)中相反，但還是屬于兩個(gè)電源同極性相連的形式。如果電源E2E1，則電流方向如圖，回路中的電流I為 此時(shí)，電源E2輸出電能，電源E1吸收電能。 在圖4-1(c)中，兩個(gè)電源反極性相連， 則電路中的電流I為此時(shí)電源E1和E2均輸出電能，輸

4、出的電能全部消耗在電阻R上。如果電阻值很小，則電路中的電流必然很大；若R=0，則形成兩個(gè)電源短路的情況。 綜上所述， 可得出以下結(jié)論： (1) 兩電源同極性相連，電流總是從高電勢(shì)流向低電勢(shì)電源， 其電流的大小取決于兩個(gè)電勢(shì)之差與回路總電阻的比值。如果回路電阻很小，則很小的電勢(shì)差也足以形成較大的電流，兩電源之間發(fā)生較大能量的交換。 (2) 電流從電源的正極流出，該電源輸出電能；而電流從電源的正極流入，該電源吸收電能。電源輸出或吸收功率的大小由電勢(shì)與電流的乘積來決定，若電勢(shì)或者電流方向改變，則電能的傳送方向也隨之改變。(3) 兩個(gè)電源反極性相連，如果電路的總電阻很小，將形成電源間的短路， 應(yīng)當(dāng)避免

5、發(fā)生這種情況。 三、有源逆變電路的工作原理 圖 4-2 直流卷揚(yáng)系統(tǒng)(a) 提升重物； (b) 放下重物 1整流工作狀態(tài) 由第章的學(xué)習(xí)已知，對(duì)于單相全控整流橋，當(dāng)控制角在0/2之間的某個(gè)對(duì)應(yīng)角度觸發(fā)晶閘管時(shí)，上述變流電路輸出的直流平均電壓為Ud=Udo cos，因?yàn)榇藭r(shí)均小于/2，故Ud為正值。在該電壓作用下，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，卷揚(yáng)機(jī)將重物提升起來，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的反電勢(shì)為ED，且ED略小于輸出直流平均電壓Ud，此時(shí)電樞回路的電流為 2 中間狀態(tài)（=/2） 當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)將重物提升到要求高度時(shí)，自然就需在某個(gè)位置停住，這時(shí)只要將控制角調(diào)到等于/2的位置，變流器輸出電壓波形中，其正、負(fù)面積相等，電壓平均

6、值Ud為零， 電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)（實(shí)際上采用電磁抱閘斷電制動(dòng)），反電勢(shì)ED也同時(shí)為零。此時(shí)，雖然Ud為零，但仍有微小的直流電流存在，有關(guān)波形如圖4-3(b)所示。注意，此時(shí)電路處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，與電路切斷、電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)具有本質(zhì)的不同。 3 有源逆變工作狀態(tài)（/2 上述卷揚(yáng)系統(tǒng)中，當(dāng)重物放下時(shí)，由于重力對(duì)重物的作用， 必將牽動(dòng)電機(jī)使之向與重物上升相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)產(chǎn)生的反電勢(shì)ED的極性也將隨之反相。如果變流器仍工作在/2 的整流狀態(tài)，從上面曾分析過的電源能量流轉(zhuǎn)關(guān)系不難看出，此時(shí)將發(fā)生電源間類似短路的情況。為此，只能讓變流器工作在/2的狀態(tài)，因?yàn)楫?dāng)/2時(shí)，其輸出直流平均電壓Ud為負(fù)，出現(xiàn)類似圖4-1(b

7、)中兩電源極性同時(shí)反向的情況，此時(shí)如果能滿足EDUd，則回路中的 電流為 電流的方向是從電勢(shì)ED的正極流出，從電壓Ud的正極流入，電流方向未變。顯然，這時(shí)電動(dòng)機(jī)為發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，對(duì)外輸出電能，變流器則吸收上述能量并饋送回交流電網(wǎng)去，此時(shí)的電路進(jìn)入到有源逆變工作狀態(tài)。 上述三種變流器的工作狀態(tài)可以用圖4-3所示波形表示。 圖中反映出隨著控制角的變化，電路分別從整流到中間狀態(tài)，然后進(jìn)入有源逆變的過程。 圖 4-3 直流卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)的電壓電流波形(a) 整流； (b) 中間狀態(tài)； (c) 有源逆變 現(xiàn)在應(yīng)深入分析的問題是，上述電路在/2時(shí)是否能夠工作？如何理解此時(shí)輸出直流平均電壓Ud為負(fù)值的含義?上述晶

8、閘管供電的卷揚(yáng)系統(tǒng)中，當(dāng)重物下降，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)并進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)電勢(shì)ED實(shí)際上成了使晶閘管正向?qū)ǖ碾娫础．?dāng)/2時(shí)，只要滿足Ed|u2|，晶閘管就可以導(dǎo)通工作，在此期間，電壓ud大部分時(shí)間均為負(fù)值， 其平均電壓Ud自然為負(fù)，電流則依靠電機(jī)電勢(shì)ED及電感Ld兩端感應(yīng)電勢(shì)的共同作用加以維持。正因?yàn)樯鲜龉ぷ魈攸c(diǎn)，才出現(xiàn)了電機(jī)輸出能量，變流器吸收并通過變壓器向電網(wǎng)回饋能量的情況。 1） 外部條件務(wù)必要有一個(gè)極性與晶閘管導(dǎo)通方向一致的直流電勢(shì)源。這種直流電勢(shì)源可以是直流電機(jī)的電樞電勢(shì)，也可以是蓄電池電勢(shì)。它是使電能從變流器的直流側(cè)回饋交流電網(wǎng)的源泉，其數(shù)值應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)輸出的直流平均電壓。

9、2） 內(nèi)部條件要求變流器中晶閘管的控制角/2， 這樣才能使變流器直流側(cè)輸出一個(gè)負(fù)的平均電壓，以實(shí)現(xiàn)直流電源的能量向交流電網(wǎng)的流轉(zhuǎn)。 上述兩個(gè)條件必須同時(shí)具備才能實(shí)現(xiàn)有源逆變。必須指出，對(duì)于半控橋或者帶有續(xù)流二極管的可控整流電路，因?yàn)樗鼈冊(cè)谌魏吻闆r下均不可能輸出負(fù)電壓，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)反極性的直流電勢(shì)，所以不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。 有源逆變條件的獲得，必須視具體情況進(jìn)行分析。例如上述直流電機(jī)拖動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)電勢(shì)ED的極性可隨重物的“提升”與“下降”自行改變并滿足逆變的要求。對(duì)于電力機(jī)車，上、下坡道行駛時(shí)，因車輪轉(zhuǎn)向不變，故在下坡發(fā)電制動(dòng)時(shí)，其電機(jī)電勢(shì)ED的極性不能自行改變，為此必須采取相應(yīng)措施，

10、 例如可利用極性切換開關(guān)來改變電機(jī)電勢(shì)ED的極性， 否則系統(tǒng)將不能進(jìn)入有源逆變狀態(tài)運(yùn)行。 圖 4-4 三相半波共陰極逆變電路及有關(guān)波形(a) 整流工作狀態(tài)； (b) 逆變工作狀態(tài) 一、 電路的整流工作狀態(tài)（0/2圖4-4(a)所示電路中，=30時(shí)依次觸發(fā)晶閘管，其輸出電壓波形如圖黑實(shí)線所示。因負(fù)載回路中接有足夠大的平波電感，故電流連續(xù)。對(duì)于=30的情況，輸出電壓瞬時(shí)值均為正，其平均電壓自然為正值。對(duì)于在0/2范圍內(nèi)的其它移相角，即使輸出電壓的瞬時(shí)值ud有正也有負(fù)，但正面積總是大于負(fù)面積，輸出電壓的平均值Ud也總為正，其極性如圖為上正下負(fù)，而且Ud略大于ED。此時(shí)電流Id從Ud的正端流出，從ED

11、的正端流入，能量的流轉(zhuǎn)關(guān)系為交流電網(wǎng)輸出能量，電機(jī)吸收能量以電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行。 二、電路的逆變工作狀態(tài)（/2假設(shè)此時(shí)電動(dòng)機(jī)端電勢(shì)已反向，即下正上負(fù)，設(shè)逆變電路移相角=150，依次觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管，如圖在t1時(shí)刻觸發(fā)a相晶閘管V1，雖然此時(shí)ua=0，但晶閘管V1因承受ED 的作用，仍可滿足導(dǎo)電條件而工作，并相應(yīng)輸出ua相電壓。V1被觸發(fā)導(dǎo)通后， 雖然ua已為負(fù)值，因 ED的存在，且| ED |ua|，V1仍然承受正向電壓而導(dǎo)通， 即使不滿足| ED | ua |，由于平波電感的存在，釋放電能，L的感應(yīng)電勢(shì)也仍可使V1承受正向電壓繼續(xù)導(dǎo)通。因電感L足夠大，故主回路電流連續(xù)，V1導(dǎo)電120后由于V2的被

12、觸發(fā)而截止，V2被觸發(fā)導(dǎo)通后，由于此時(shí)ubua，故V1承受反壓關(guān)斷，完成V1與V2之間的換流，這時(shí)電路輸出電壓為ub，如此循環(huán)往復(fù)。 電路輸出電壓的波形如圖4-4(b)中黑實(shí)線所示。當(dāng)在/2范圍內(nèi)變化時(shí)，其輸出電壓的瞬時(shí)值ud在整個(gè)周期內(nèi)也是有正有負(fù)或者全部為負(fù)，但是負(fù)電壓面積將總是大于正面積，故輸出電壓的平均值Ud為負(fù)值。其極性如圖為下正上負(fù)。此時(shí)電機(jī)端電勢(shì)ED稍大于Ud ，主回路電流Id方向依舊，但它從ED的正極流出，從Ud的正極流入，這時(shí)電機(jī)向外輸出能量，以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，交流電網(wǎng)吸收能量，電路以有源逆變狀態(tài)運(yùn)行。因晶閘管V1、V2、V3的交替導(dǎo)通工作完全與交流電網(wǎng)變化同步， 從而可以保

13、證能夠把直流電能變換為與交流電網(wǎng)電源同頻率的交流電回饋電網(wǎng)。一般均采用直流側(cè)的電壓和電流平均值來分析變流器所連接的交流電網(wǎng)究竟是輸出功率還是輸入功率。這樣，變流器中交流電源與直流電源能量的流轉(zhuǎn)就可以按有功功率Pd=UdId來分析，整流狀態(tài)時(shí)，Ud0，Pd0則表示電網(wǎng)輸出功率； 逆變狀態(tài)時(shí)，Ud 0， Pd 0則表示電網(wǎng)吸收功率。 在整流狀態(tài)中，變流器內(nèi)的晶閘管在阻斷時(shí)主要承受反向電壓， 而在逆變狀態(tài)工作中，晶閘管阻斷時(shí)主要承受正向電壓。變流器中的晶閘管，無論在整流或是逆變狀態(tài)，其阻斷時(shí)承受的正向或反向電壓峰值均應(yīng)為線電壓的峰值，在選擇晶閘管額定參數(shù)時(shí)應(yīng)予注意。為分析和計(jì)算方便，通常把逆變工作時(shí)

14、的控制角改用表示，令=-，稱為逆變角。規(guī)定=時(shí)作為計(jì)算的起點(diǎn)，和的計(jì)量方向相反，的計(jì)量方向是由右向左。變流器整流工作時(shí)，/2， 相應(yīng)的/2， 而在逆變工作時(shí)， /2而/2。 逆變時(shí)，其輸出電壓平均值的計(jì)算公式可改寫成 從/2逐漸減小時(shí)，其輸出電壓平均值Ud的絕對(duì)值逐漸增大，其符號(hào)為負(fù)值。逆變電路中，晶閘管之間的換流完全由觸發(fā)脈沖控制，其換流趨勢(shì)總是從高電壓向更低的陽極電壓過渡。這樣，對(duì)觸發(fā)脈沖就提出了格外嚴(yán)格的要求，其脈沖必須嚴(yán)格按照規(guī)定的順序發(fā)出，而且要保證觸發(fā)可靠，否則極容易造成因晶閘管之間的換流失敗而導(dǎo)致的逆變顛覆。 第三節(jié) 三相橋式逆變電路一、 逆變工作原理及波形分析 圖 4-5 三相

15、橋式有源逆變電路及有關(guān)波形(a) 電路； (b) 輸入電壓； (c) 輸出電壓 圖 4-5 三相橋式有源逆變電路及有關(guān)波形(a) 電路； (b) 輸入電壓； (c) 輸出電壓 二、逆變工作原理及波形分析三相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)如圖4-5(a)所示。如果變流器輸出電壓Ud與直流電機(jī)電勢(shì)ED的極性如圖所示（均為上負(fù)下正）， 當(dāng)電勢(shì)ED略大于平均電壓Ud時(shí)，回路中產(chǎn)生的電流Id為 電流Id的流向是從ED的正極流出而從Ud的正極流入，即電機(jī)向外輸出能量，以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行；變流器則吸收能量并以交流形式回饋到交流電網(wǎng)，此時(shí)電路即為有源逆變工作狀態(tài)。 電勢(shì)ED的極性由電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)決定，而變流器輸出電壓Ud的極性

16、則取決于觸發(fā)脈沖的控制角。欲得到上述有源逆變的運(yùn)行狀態(tài)，顯然電機(jī)應(yīng)以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，而變流器晶閘管的觸發(fā)控制角應(yīng)大于/2，或者逆變角小于/2。有源逆變工作狀態(tài)下，電路中輸出電壓的波形如圖4-5(c)實(shí)線所示。此時(shí)，晶閘管導(dǎo)通的大部分區(qū)域均為交流電的負(fù)電壓， 晶閘管在此期間由于ED的作用仍承受極性為正的相電壓，所以輸出的平均電壓就為負(fù)值。 三相橋式逆變電路一個(gè)周期中的輸出電壓由6個(gè)形狀相同的波頭組成，其形狀隨的不同而不同。該電路要求6個(gè)脈沖，兩脈沖之間的間隔為/3， 分別按照1， 2， 3， ， 6的順序依次發(fā)出，其脈沖寬度應(yīng)大于/3或者采用“雙窄脈沖”輸出。 上述電路中， 晶閘管阻斷期間主要承受

17、正向電壓， 而且最大值為線電壓的峰值。 三、電路中基本電量的計(jì)算由于三相橋式逆變電路相當(dāng)于兩組三相半波逆變電路的串聯(lián)， 故該電路輸出平均電壓應(yīng)為三相半波逆變電路輸出平均電壓的兩倍，即 中U2為交流側(cè)變壓器副邊相電壓有效值。 輸出電流平均值為式中，RB為變壓器繞組的等效電阻；RD為變流器直流側(cè)總電阻。 輸出電流的有效值為 式中IN為第N次諧波電流有效值。N的取值由波形的諧波分析展開式確定。 晶閘管流過電流的平均值為 晶閘管流過電流的有效值為四、逆變失敗原因分析及逆變角的限制電路在逆變狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，如果出現(xiàn)晶閘管換流失敗，則變流器輸出電壓與直流電壓將順向串聯(lián)并相互加強(qiáng)， 由于回路電阻很小，必將產(chǎn)生很

18、大的短路電流，以至可能將晶閘管和變壓器燒毀，上述事故稱之為逆變失敗或叫做逆變顛覆。 造成逆變失敗的原因很多， 大致可歸納為以下四個(gè)方面。1. 觸發(fā)電路工作不可靠因?yàn)橛|發(fā)電路不能適時(shí)、準(zhǔn)確地供給各晶閘管觸發(fā)脈沖，造成脈沖丟失或延遲以及觸發(fā)功率不夠，均可導(dǎo)致?lián)Q流失敗。一旦晶閘管換流失敗，勢(shì)必形成一只元件從承受反向電壓導(dǎo)通延續(xù)到承受正向電壓導(dǎo)通，Ud反向后將與ED順向串聯(lián)，出現(xiàn)逆變顛覆。2. 晶閘管出現(xiàn)故障如果晶閘管參數(shù)選擇不當(dāng)，例如額定電壓選擇裕量不足，或者晶閘管存在質(zhì)量問題，都會(huì)使晶閘管在應(yīng)該阻斷的時(shí)候喪失了阻斷能力，而應(yīng)該導(dǎo)通的時(shí)候卻無法導(dǎo)通。 讀者不難從有關(guān)波形圖上分析發(fā)現(xiàn)，晶閘管出現(xiàn)故障也將導(dǎo)致電路的逆變失敗。 3. 交流電源出現(xiàn)異常從逆變電路電流公式 可看出，電路在有源逆變狀態(tài)下，如果交流電源突然斷電或者電源電壓過低，上述公式中的Ud都將為零或減小，從而使電流Id