電力電子技術(shù)基礎(chǔ)10—逆變

1、Fundamentals of Power Electronics Technology 電力電子技術(shù)基礎(chǔ)South China University of Technology3.4 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路直流可逆拖動(dòng)系統(tǒng)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)兩套變流裝置反并聯(lián)連接的可逆電路：三相全控橋接線。電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)行時(shí)由正組變流器供電；反向運(yùn)行時(shí)，則由反組變流器供電有很多生產(chǎn)機(jī)械，要求拖動(dòng)電機(jī)能正反向運(yùn)行，即可逆拖動(dòng)，因此需要采用四象限運(yùn)行的雙變流器為其供電。電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路四象限運(yùn)行工作情況電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路四象

2、限運(yùn)行工作情況電力電子技術(shù)基礎(chǔ)第1象限：正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，正組橋工作在整流狀態(tài)， p p/2，EMUda(下標(biāo)中有表示整流，p表示正組）第2象限，正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，反組橋工作在逆變狀態(tài)，bNp/2），EMUdb(下標(biāo)中有b 表示逆變，N 表示反組）第3象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，反組橋工作在整流狀態(tài)， N p/2，EMUda第4象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，正組橋工作在逆變狀態(tài)，b P p/2），EMUdb電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路電動(dòng)機(jī)反向過程電力電子技術(shù)基礎(chǔ)直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)，將在后繼課電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)或者運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中進(jìn)一步分析討論第1象限正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)從正

3、組橋取得電能 先使電動(dòng)機(jī)迅速制動(dòng)，為此需切換到反組橋工作在逆變狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入第2象限作正轉(zhuǎn)發(fā)電運(yùn)行，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，不斷地調(diào)節(jié) ，使之由小變大直至 （n=0），如繼續(xù)增大 ，即 ，反組橋?qū)⑥D(zhuǎn)入整流狀態(tài)下工作 電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn)進(jìn)入第3象限的電動(dòng)運(yùn)行3.5 變流電路的諧波和功率因數(shù)電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路電力電子裝置對(duì)電網(wǎng)的影響電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 許多電力電子裝置要消耗無功功率，會(huì)對(duì)公用電網(wǎng)帶來不利影響； 電力電子裝置還會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生危害； 許多國(guó)家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，或由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14549-93）電能質(zhì)量 公用電

4、網(wǎng)諧波從1994年3月1日起開始實(shí)施。電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路諧波電力電子技術(shù)基礎(chǔ)滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級(jí)數(shù)基波（fundamental）在傅里葉級(jí)數(shù)中，頻率與工頻相同的分量諧波頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量諧波次數(shù)諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比n次諧波電流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 電流諧波總畸變率THDi（Total Harmonic distortion）定義為 為總諧波電流有效值阻感負(fù)載n=1,3,5,電流中僅含奇次諧波各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路

5、單相橋式全控整流電路諧波分析電力電子技術(shù)基礎(chǔ)其中電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路三相橋式全控整流電路諧波分析電力電子技術(shù)基礎(chǔ)其中電流中僅含6k1（k為正整數(shù)）次諧波各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù) =0時(shí)，m脈波整流電路的整流電壓和整流電流的諧波分析式中，k=1，2，3；且：電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路m脈沖整流電路諧波分析電力電子技術(shù)基礎(chǔ)為了描述整流電壓ud0中所含諧波的總體情況，定義電壓紋波因數(shù) 為ud0中諧波分量有效值UR與整流電壓平均值Ud0之比： 其中： 而：電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路m脈沖整流電路諧波分析電力電子技術(shù)基

6、礎(chǔ) =0時(shí)整流電壓、電流中的諧波有如下規(guī)律：（1）m脈波整流電壓ud0的諧波次數(shù)為mk（k=1，2， 3.） 次，即m的倍數(shù)次；整流電流的諧波由整流 電壓的諧波決定，也為mk次；（2）當(dāng)m一定時(shí)，隨諧波次數(shù)增大，諧波幅值迅速減 小，表明最低次（m次）諧波是最主要的，其它 次數(shù)的諧波相對(duì)較少；當(dāng)負(fù)載中有電感時(shí)，負(fù)載 電流諧波幅值dn的減小更為迅速；（3） m增加時(shí)，最低次諧波次數(shù)增大，且幅值迅速減 小，電壓紋波因數(shù)迅速下降。 電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路m脈沖整流電路諧波分析電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路減小諧波的辦法電力電子技術(shù)基礎(chǔ)減小控制角增加整流相數(shù)設(shè)置諧

7、波濾波器電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路功率因數(shù)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)正弦電路中的情況 電路的有功功率就是其平均功率： 視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即S=UI 無功功率定義為： Q=U I sinj 功率因數(shù)l 定義為有功功率P和視在功率S的比值： 此時(shí)無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關(guān)系： 功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差j 決定的：l =cos j 非正弦電路中的情況有功功率、視在功率、功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同。公用電網(wǎng)中，通常電壓的波形畸變很小，而電流波形的畸變可能很大。因此，不考慮電壓畸變，研究電壓波形為正弦波、電流波形為非正弦波的情況有很大的實(shí)際意義。設(shè)正弦波電

8、壓有效值為U，畸變電流有效值為I，基波電流有效值及與電壓的相位差分別為I1和j 1。這時(shí)有功功率為：P=U I1 cosj1 功率因數(shù)為： 電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路功率因數(shù)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)基波因數(shù)(電流畸變因數(shù))即基波電流有效值 和總電流有效值之比位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）cosj 1電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路功率因數(shù)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)單相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路阻感負(fù)載變流器工作于整流狀態(tài)時(shí)，有功功率為正，且隨角的增大而減小；而無功功率增大，功率因數(shù)下降。變流器工作于逆變狀態(tài)時(shí)，有功功率為副，且隨的增大有功功率的絕對(duì)值減??；無功功率增大，功率因數(shù)下降。功率因

9、數(shù)為基波因數(shù)和位移因數(shù)的乘積，欲提高功率因數(shù)，一是設(shè)法減小高次諧波，二是減小控制角。第二部分 電力電子器件6South China University of Technology第四章 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)和保護(hù) 驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義對(duì)器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：將信息電子電路傳來的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)對(duì)全控型器

10、件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)電力電子技術(shù)第二部分 電力電子器件驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路概述電力電子技術(shù)基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離光隔離一般采用光耦合器磁隔離的元件通常是脈沖變壓器光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型電力電子技術(shù)第二部分 電力電子器件驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路概述電力電子技術(shù)基礎(chǔ)4.1 晶閘管的觸發(fā)電路相控電路：晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角a的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小采用晶閘管相控方式時(shí)的交流交流電力變換電路和交交變頻電路（第7章）相控電路的驅(qū)動(dòng)控制為保證相控電

11、路的正常工作，很重要的一點(diǎn)是應(yīng)保證按觸發(fā)角a的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。對(duì)于相控電路這樣使用晶閘管的場(chǎng)合，也習(xí)慣稱為觸發(fā)控制，相應(yīng)的電路習(xí)慣稱為觸發(fā)電路。電力電子技術(shù)第二部分 電力電子器件相控電路以及驅(qū)動(dòng)要求電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)第二部分 電力電子器件單結(jié)晶體管電力電子技術(shù)基礎(chǔ)單結(jié)晶體管（簡(jiǎn)稱UJT）又稱基極二極管，它是一種只有一個(gè)PN結(jié)和兩個(gè)電阻接觸電極的半導(dǎo)體器件，它的基片為條狀的高阻N型硅片，兩端分別用歐姆接觸引出兩個(gè)基極b1和b2。在硅片中間略偏b2一側(cè)用合金法制作一個(gè)P區(qū)作為發(fā)射極e。電力電子技術(shù)第二部分 電力電子器件單結(jié)晶體管電力電子技術(shù)基礎(chǔ)VD導(dǎo)通

12、后，電阻Rb1迅速減小電力電子技術(shù)第二部分 電力電子器件單結(jié)晶體管組成的簡(jiǎn)易觸發(fā)電路電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)第二部分 電力電子器件同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路電力電子技術(shù)基礎(chǔ)輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的電路），也可為單窄脈沖三個(gè)基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)。此外，還有強(qiáng)觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)1 同步環(huán)節(jié) 同步要求觸發(fā)脈沖的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定鋸齒波是由開關(guān)V2管來控制的V2開關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率由同步變壓器所接的交流電壓決定V2由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波鋸齒波起點(diǎn)基本就是同步電壓由正變負(fù)的過零點(diǎn)V2截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時(shí)間就

13、是鋸齒波的寬度取決于充電時(shí)間常數(shù)R1C1電力電子技術(shù)第二部分 電力電子器件同步環(huán)節(jié)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)2. 鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)電路組成鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等恒流源電路方案，由V1、V2、V3和C2等元件組成 V1、VS、RP2和R3為一 恒流源電路電力電子技術(shù)第二部分 電力電子器件鋸齒波形成和脈沖移相電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 工作原理：V2截止時(shí)，恒流源電流I1c對(duì)電容C2充電， 調(diào)節(jié)RP2，即改變C2的恒定充電電流I1c，可見RP2是 用來調(diào)節(jié)鋸齒波斜率的。V2導(dǎo)通時(shí)，因R4很小故C2迅速放電，ub3電位迅速降到零伏附近V2周期性地通斷，ub3便形成一鋸齒波，同

14、樣ue3也是一個(gè)鋸齒波tICtICuccc111d1=電力電子技術(shù)第二部分 電力電子器件鋸齒波形成和脈沖移相電力電子技術(shù)基礎(chǔ)射極跟隨器V3的作用是減小控制回路電流對(duì)鋸齒波電壓ub3的影響V4基極電位由鋸齒波電壓、控制電壓uco、直流偏移電壓up三者作用的疊加所定如果uco=0，up為負(fù)值時(shí)，b4點(diǎn)的波形由uh+ 確定當(dāng)uco為正值時(shí)，b4點(diǎn)的波形由uh+ + 確定M點(diǎn)是V4由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也就是脈沖的前沿加up的目的是為了確定控制電壓uco=0時(shí)脈沖的初始相位pu電力電子技術(shù)第二部分 電力電子器件鋸齒波形成和脈沖移相電力電子技術(shù)基礎(chǔ)pu3脈沖形成環(huán)節(jié) V4、V5 脈沖形成 V7、V8 脈

15、沖放大 控制電壓uco加在V4基極上。uco對(duì)脈沖的控制作用及脈沖形成：uco=0時(shí)，V4截止。V5飽和導(dǎo)通。V7、V8處于截止?fàn)顟B(tài)，無脈沖輸出。電容C3充電，充滿后電容兩端電壓接近2E1(30V)電力電子技術(shù)第二部分 電力電子器件脈沖形成環(huán)節(jié)電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 時(shí)，V4導(dǎo)通，A點(diǎn)電位由+E1(+15V) 1.0V左右，V5基極電位 約-2E1(-30V)， V5立即截止。V5集電極電壓由-E1(-15V) +2.1V，V7、V8導(dǎo)通，輸出觸發(fā)脈沖。電容C3放電和反向充電，使V5基極電位 ，直到ub5-E1(-15V)，V5又重新導(dǎo)通。使V7、V8截止，輸出脈沖終止。脈沖前沿由V4導(dǎo)通時(shí)刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時(shí)間常數(shù)R11C3有關(guān)電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側(cè)輸出，其一次繞組接在V5集電極電路中