電力電子應(yīng)用技術(shù)之晶閘管有源逆變電路

1、第三章第三章 晶閘管有源逆變電路晶閘管有源逆變電路第一節(jié)第一節(jié) 有源逆變的工作原理有源逆變的工作原理 第二節(jié)第二節(jié) 晶閘管直流可逆拖動(dòng)的工作原理晶閘管直流可逆拖動(dòng)的工作原理第三節(jié)第三節(jié) 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速與高壓直流輸電繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速與高壓直流輸電第四節(jié)第四節(jié) 晶閘管裝置的功率因數(shù)、諧波與對(duì)電網(wǎng)的影響晶閘管裝置的功率因數(shù)、諧波與對(duì)電網(wǎng)的影響 第一節(jié)第一節(jié) 有源逆變的工作原理有源逆變的工作原理 一、有源逆變的工作原理一、有源逆變的工作原理 逆變逆變（invertion）把把直流電轉(zhuǎn)變成交流電直流電轉(zhuǎn)變成交流電，為整流的逆過(guò)為整流的逆過(guò)程。程。逆變電路逆變電路把直流電逆變成交流電

2、的電路；把直流電逆變成交流電的電路；有源逆變電路有源逆變電路交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)，即交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)，即電網(wǎng)為負(fù)載電網(wǎng)為負(fù)載。 應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào) 速以及高壓直流輸電等；速以及高壓直流輸電等；對(duì)于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆對(duì)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。變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉(zhuǎn)變。既可工既可工作在整流狀態(tài)又可工作在逆變狀態(tài)，稱為變流電路（作在整流狀態(tài)又可工作在逆變狀態(tài)，稱為變流電路（converter）。）。無(wú)源逆變電路無(wú)源逆變

3、電路變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到普通負(fù)載，將在第七章介紹。到普通負(fù)載，將在第七章介紹。直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn) 圖圖a M電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，EGEM，電流，電流Id從從G流向流向M，M吸收電功率，相當(dāng)于反吸收電功率，相當(dāng)于反電勢(shì)負(fù)載。電勢(shì)負(fù)載。 圖圖b 回饋制動(dòng)狀態(tài)，回饋制動(dòng)狀態(tài)，M作發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)，作發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)，EMEG，電流反向，從，電流反向，從M流流向向G，M輸出電功率，輸出電功率，G則吸收電功率，則吸收電功率，M軸上輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娸S上輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒o能反送給G。 圖圖c 注意：

4、注意： 兩電動(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)，向電阻兩電動(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)，向電阻R供電，供電，G和和M均輸出功率，由均輸出功率，由于于R 一般都很小，實(shí)際上形成一般都很小，實(shí)際上形成短路短路，在工作中屬發(fā)生事故。，在工作中屬發(fā)生事故。c)b)a)MGMGMGEGEMIdREGEMIdREGEMIdR a）兩電動(dòng)勢(shì)同極性）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EG EM b）兩電動(dòng)勢(shì)同極性）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EM EG c）兩電動(dòng)勢(shì)反極性，形成）兩電動(dòng)勢(shì)反極性，形成短路短路c)b)a)MGMGMGEGEMIdREGEMIdREGEMIdRa）兩電動(dòng)勢(shì)同極性）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EG EM b）兩電動(dòng)勢(shì)同極性）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EM EG c）兩電動(dòng)勢(shì)反極性

5、，形成短路）兩電動(dòng)勢(shì)反極性，形成短路電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行電能由發(fā)電機(jī)電能由發(fā)電機(jī) 流向電動(dòng)機(jī)流向電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)電能由電動(dòng)機(jī)電能由電動(dòng)機(jī) 回流發(fā)電機(jī)回流發(fā)電機(jī)短路短路（應(yīng)避免）（應(yīng)避免）兩個(gè)電勢(shì)源同極性相連接時(shí)，兩個(gè)電勢(shì)源同極性相連接時(shí)，電流的流向：高電勢(shì)電流的流向：高電勢(shì)低電勢(shì)低電勢(shì)電能的流向：是電能的流向：是隨著隨著E或或I方向的改變方向的改變 而改變。而改變。 使用單相雙半波電路（單相全波）代替上述發(fā)電機(jī)使用單相雙半波電路（單相全波）代替上述發(fā)電機(jī)G。 圖圖3.1a M電動(dòng)運(yùn)行電動(dòng)運(yùn)行，全波電路工作在整流狀態(tài)，全波電路工作在整流狀態(tài)， 在在0/2間，間，Ud為正

6、值，并且只有當(dāng)為正值，并且只有當(dāng)Ud EM，才能輸出，才能輸出Id 。交流電網(wǎng)輸出電交流電網(wǎng)輸出電功率，電動(dòng)機(jī)輸入電功率。功率，電動(dòng)機(jī)輸入電功率。 圖圖3.1b M回饋制動(dòng)回饋制動(dòng)，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕琁d方向不變，方向不變，欲改變電能的輸送方向，只能改變欲改變電能的輸送方向，只能改變EM極性。為了防止兩電動(dòng)極性。為了防止兩電動(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)，勢(shì)順向串聯(lián)，Ud極性也必須反過(guò)來(lái)，即極性也必須反過(guò)來(lái)，即Ud應(yīng)為負(fù)值，且應(yīng)為負(fù)值，且|EM | |Ud |，才能把電能從直流側(cè)送到交流側(cè)。，才能把電能從直流側(cè)送到交流側(cè)。 電能（注意不是電流）電能（注意不是電流）的流向與整流時(shí)相反

7、的流向與整流時(shí)相反,M輸出電功率輸出電功率,電電網(wǎng)吸收電功率。網(wǎng)吸收電功率。 Ud可通過(guò)改變可通過(guò)改變 來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，逆變狀態(tài)時(shí)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，逆變狀態(tài)時(shí)Ud為負(fù)值，為負(fù)值， 在在 /2 間。間。圖3-1 單相全波電路的整流和逆變a)b)R+-電能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOwtwtIdidUdEMEM電能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOwtwtIdidUd90900 0，c o s c o s 計(jì)算不方計(jì)算不方便，所以引入逆變角便，所以引入逆變角 ，令，令=180=1800 0-，故，故注意：注意： 逆變角逆變角和控制角和控制角

8、的計(jì)量方向相反，其大小的計(jì)量方向相反，其大小自自 =0的起始點(diǎn)向左方計(jì)量。的起始點(diǎn)向左方計(jì)量。 實(shí)現(xiàn)有源實(shí)現(xiàn)有源逆變的條件：逆變的條件： 1）外部條件外部條件：有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性和晶閘管導(dǎo)通：有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性和晶閘管導(dǎo)通 方向一致，其絕對(duì)值大于變流器直流側(cè)平均電壓。方向一致，其絕對(duì)值大于變流器直流側(cè)平均電壓。 2）內(nèi)部條件內(nèi)部條件：晶閘管的控制角：晶閘管的控制角 /2，使使Ud為為 負(fù)值。負(fù)值。 3）充分條件：要有足夠大的電感，以保證有源逆變連）充分條件：要有足夠大的電感，以保證有源逆變連 續(xù)進(jìn)行。續(xù)進(jìn)行。 半控橋或有續(xù)流二極管的電路半控橋或有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓，因其整流電壓

9、ud不能出不能出現(xiàn)負(fù)值（最小為零），也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)極性的現(xiàn)負(fù)值（最小為零），也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)極性的電動(dòng)勢(shì)，故電動(dòng)勢(shì)，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。二、常用晶閘管有源逆變電路二、常用晶閘管有源逆變電路（一）三相半波有源逆變電路（一）三相半波有源逆變電路下圖為三相半波電動(dòng)機(jī)負(fù)載電路，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)下圖為三相半波電動(dòng)機(jī)負(fù)載電路，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)E E的極性符合有源逆變條件，的極性符合有源逆變條件，當(dāng)當(dāng)d d且且90 時(shí)，換相結(jié)束時(shí)，晶時(shí)，換相結(jié)束時(shí)，晶閘管能承受反壓而關(guān)斷。閘管能承受反壓而關(guān)斷。如果如果 （從圖（從圖3.6右右下角的波形中可清楚地下角的波形中可清楚地看到），該通的晶閘管看

10、到），該通的晶閘管（VT2）反而關(guān)斷，而）反而關(guān)斷，而應(yīng)關(guān)斷的晶閘管（應(yīng)關(guān)斷的晶閘管（VT1)繼續(xù)導(dǎo)通。這樣會(huì)使得繼續(xù)導(dǎo)通。這樣會(huì)使得Ud的波形中正部分大于的波形中正部分大于負(fù)部分，從而使得負(fù)部分，從而使得Ud和和EM順向串聯(lián)，最終導(dǎo)致順向串聯(lián)，最終導(dǎo)致逆變失敗。逆變失敗。 Labc+-MudidEMLBLBLBVT1VT2VT3oudOOidwtwtuaubucuaubpiVT1iVT2iVT3iVT1iVT2iVT3iVT1iVT3圖3.6 交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過(guò)程的影響2. 確定最小逆變角確定最小逆變角 minmin的依據(jù)的依據(jù)逆變時(shí)允許采用的最小逆變角逆變時(shí)允許采用的最小逆變角 應(yīng)等于

11、應(yīng)等于 minmin= + + = + + : :晶閘管的關(guān)斷時(shí)間晶閘管的關(guān)斷時(shí)間t tq q折合的電角度，折合的電角度，t tq q大的可達(dá)大的可達(dá)200300ms200300ms，折算到電角度約，折算到電角度約4 4 55 ； ：換相重疊角，隨：換相重疊角，隨I Id d和和X XB B的增加而增大；的增加而增大； 舉例如下：某裝置整流電壓為舉例如下：某裝置整流電壓為220V220V，整流電流，整流電流800A800A，整流，整流變壓器容量為變壓器容量為240kVA240kVA，短路電壓比，短路電壓比U Uk k% %為為5%5%的三相線路，其的三相線路，其值約為值約為1515 2020

12、。 ：為安全裕量角，（一般可達(dá)：為安全裕量角，（一般可達(dá)5 5 ）值約取為）值約取為1010 。 一般取一般取 minmin=30=303535一、一、由晶閘管橋路供電、用接觸器控制直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)由晶閘管橋路供電、用接觸器控制直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn) 第二節(jié)第二節(jié) 晶閘管直流可逆拖動(dòng)的工作原理晶閘管直流可逆拖動(dòng)的工作原理二、采用兩組變流橋的可逆電路二、采用兩組變流橋的可逆電路 最最常用的是反并聯(lián)電路。常用的是反并聯(lián)電路。當(dāng)電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)方向不變時(shí)，正轉(zhuǎn)時(shí)由當(dāng)電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)方向不變時(shí)，正轉(zhuǎn)時(shí)由組橋供電；組橋供電；反轉(zhuǎn)時(shí)由反轉(zhuǎn)時(shí)由組橋供電，采用反并聯(lián)供電可使直流電動(dòng)組橋供電，采用反并聯(lián)供電可使直流電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限內(nèi)運(yùn)行。機(jī)在四個(gè)象限內(nèi)運(yùn)行。第三節(jié)第三節(jié) 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速與高壓直流輸電繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速與高壓直流輸電一、繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)晶閘管串級(jí)調(diào)速一、繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)晶閘管串級(jí)調(diào)速串級(jí)調(diào)速主電路如圖所示，逆變電壓串級(jí)調(diào)速主電路如圖所示，逆變電壓U Udd為引入轉(zhuǎn)子電路的為引入轉(zhuǎn)子電路的反電動(dòng)勢(shì)，改變逆變角反電動(dòng)勢(shì)，改變逆變角 即可改變反電動(dòng)勢(shì)大小，達(dá)到改變轉(zhuǎn)速即可改變反電動(dòng)勢(shì)大小，達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。的目的。U Ud d是轉(zhuǎn)子整流后的直流電壓，其值為是轉(zhuǎn)子整