第4章有源逆變電路

本章內(nèi)容:有源逆變電路的工作原理及實施逆變的條件，逆變顛覆及防止措施。觸發(fā)脈沖與主回路電壓的同步，移相工作原理。學(xué)習(xí)要點(diǎn):掌握有源逆變電路的工作狀態(tài)及實施逆變的條件，逆變狀態(tài)時的能量分析及其物理概念；掌握三相橋式逆變電路對觸發(fā)脈沖的要求，逆變顛覆及防止措施。掌握觸發(fā)脈沖與主回路電壓的同步問題，移相工作原理及移相范圍，了解集成觸發(fā)器的工作原理及應(yīng)用。本章學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)1現(xiàn)在是1頁\一共有47頁\編輯于星期日4.1逆變的概念1)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。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)。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(jī)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(fù)載，將在第8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。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱為變流電路。2現(xiàn)在是2頁\一共有47頁\編輯于星期日4.1逆變的概念2)直流發(fā)電機(jī)—電動機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)圖4-1直流發(fā)電機(jī)—電動機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)a）兩電動勢同極性EG

>EM

b）兩電動勢同極性EM>EG

c）兩電動勢反極性，形成短路電路過程分析。兩個電動勢同極性相接時，電流總是從電動勢高的流向低的，回路電阻小，可在兩個電動勢間交換很大的功率。3現(xiàn)在是3頁\一共有47頁\編輯于星期日4.1逆變的概念3)逆變產(chǎn)生的條件單相全波電路代替上述發(fā)電機(jī)圖4-2

單相全波電路的整流和逆變交流電網(wǎng)輸出電功率電動機(jī)輸出電功率a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUd>EMu10udu20u10OOwtwtIdidUd<EMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT14現(xiàn)在是4頁\一共有47頁\編輯于星期日4.1逆變的概念從上述分析中，可以歸納出產(chǎn)生逆變的條件有二：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。晶閘管的控制角

>/2，使Ud為負(fù)值。半控橋或有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現(xiàn)負(fù)值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)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。5現(xiàn)在是5頁\一共有47頁\編輯于星期日4.2三相有源逆變電路逆變和整流的區(qū)別：控制角不同

0<<p

/2時，電路工作在整流狀態(tài)。

p

/2<

<

p時，電路工作在逆變狀態(tài)?？裳赜谜鞯霓k法來處理逆變時有關(guān)波形與參數(shù)計算等各項問題。把a(bǔ)>p/2時的控制角用p-

=b表示，b稱為逆變角。逆變角b和控制角a的計量方向相反，其大小自b=0的起始點(diǎn)向左方計量。6現(xiàn)在是6頁\一共有47頁\編輯于星期日4.2三相有源逆變電路三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)，不同逆變角時的輸出電壓波形及晶閘管兩端電壓波形如圖4-3所示。圖4-3三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時的電壓波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6wt1wt3wt27現(xiàn)在是7頁\一共有47頁\編輯于星期日4.2三相有源逆變電路有源逆變狀態(tài)時各電量的計算：輸出直流電流的平均值亦可用整流的公式，即（4-1）每個晶閘管導(dǎo)通2p/3，故流過晶閘管的電流有效值為：（4-2）從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為：（4-3）當(dāng)逆變工作時，由于EM為負(fù)值，故Pd一般為負(fù)值，表示功率由直流電源輸送到交流電源。（4-4）在三相橋式電路中，變壓器二次側(cè)線電流的有效值為：8現(xiàn)在是8頁\一共有47頁\編輯于星期日4.3逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失?。孀冾嵏玻?/p>

逆變時，一旦換相失敗，外接直流電源就會通過晶閘管電路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變成順向串聯(lián)，形成很大短路電流。觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時等，致使晶閘管不能正常換相。晶閘管發(fā)生故障，該斷時不斷，或該通時不通。交流電源缺相或突然消失。換相的裕量角不足，引起換相失敗。1)逆變失敗的原因9現(xiàn)在是9頁\一共有47頁\編輯于星期日4.3逆變失敗與最小逆變角的限制換相重疊角的影響：圖4-4交流側(cè)電抗對逆變換相過程的影響當(dāng)b>g時，換相結(jié)束時，晶閘管能承受反壓而關(guān)斷。如果b<g時（從圖4-4右下角的波形中可清楚地看到），該通的晶閘管（VT2）會關(guān)斷，而應(yīng)關(guān)斷的晶閘管（VT1)不能關(guān)斷，最終導(dǎo)致逆變失敗。udOOidwtwtuaubucuaubpbgb<gagbb>giVT1iVTiVT3iVTiVT32210現(xiàn)在是10頁\一共有47頁\編輯于星期日4.3逆變失敗與最小逆變角的限制2)確定最小逆變角bmin的依據(jù)逆變時允許采用的最小逆變角b應(yīng)等于bmin=d+g+q′（4-5）d——晶閘管的關(guān)斷時間tq折合的電角度g——

換相重疊角q′——安全裕量角tq大的可達(dá)200~300ms，折算到電角度約4~5。隨直流平均電流和換相電抗的增加而增大。主要針對脈沖不對稱程度（一般可達(dá)5）。值約取為10。11現(xiàn)在是11頁\一共有47頁\編輯于星期日4.3逆變失敗與最小逆變角的限制g——

換相重疊角的確定：查閱有關(guān)手冊舉例如下：整流電壓整流電流變壓器容量短路電壓比Uk%g220V800A240kV。A5%15~20參照整流時g的計算方法（4-6）（4-7）根據(jù)逆變工作時，并設(shè)，上式可改寫成12現(xiàn)在是12頁\一共有47頁\編輯于星期日4.3逆變失敗與最小逆變角的限制（4-8）逆變時要求bmin>

g

，故這樣，bmin一般取30~35。

換相重疊角g與Id

和XB有關(guān)，電路參數(shù)確定后，g就有定值13現(xiàn)在是13頁\一共有47頁\編輯于星期日4.4逆變工作狀態(tài)時的直流電動機(jī)機(jī)械特性1)電流連續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性電流連續(xù)時的機(jī)械特性由決定的。逆變時由于，反接，得因為EM=Cen，可求得電動機(jī)的機(jī)械特性方程式（4-9)（4-10)圖4-5

電動機(jī)在四象限中的機(jī)械特性正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=b'1;a'1=b1a2=b'2;a'2=b2a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向14現(xiàn)在是14頁\一共有47頁\編輯于星期日4.4逆變工作狀態(tài)時的直流電動機(jī)機(jī)械特性2)電流斷續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性可沿用整流時電流斷續(xù)的機(jī)械特性表達(dá)式，把代入式，便可得EM、n與Id的表達(dá)式。三相半波電路為例：(4-11)(4-12)(4-13)15現(xiàn)在是15頁\一共有47頁\編輯于星期日4.4逆變工作狀態(tài)時的直流電動機(jī)機(jī)械特性逆變電流斷續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性，與整流時十分相似：圖4-5

電動機(jī)在四象限中的機(jī)械特性理想空載轉(zhuǎn)速上翹很多，機(jī)械特性變軟，且呈現(xiàn)非線性。逆變狀態(tài)的機(jī)械特性是整流狀態(tài)的延續(xù)?？v觀控制角變化時，機(jī)械特性得變化。第1、4象限中和第3、2象限中的特性是分別屬于兩組變流器的，它們輸出整流電壓的極性彼此相反，故分別標(biāo)以正組和反組變流器。正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=b'1;a'1=b1a2=b'2;a'2=b2a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向16現(xiàn)在是16頁\一共有47頁\編輯于星期日4.5直流可逆電力拖動系統(tǒng)圖4-6

兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路圖4-6a與b是兩組反并聯(lián)的可逆電路a三相半波有環(huán)流接線b三相全控橋無環(huán)流接線c對應(yīng)電動機(jī)四象限運(yùn)行時兩組變流器工作情況17現(xiàn)在是17頁\一共有47頁\編輯于星期日4.5直流可逆電力拖動系統(tǒng)兩套變流裝置反并聯(lián)連接的可逆電路的相關(guān)概念和結(jié)論：環(huán)流是指只在兩組變流器之間流動而不經(jīng)過負(fù)載的電流。正向運(yùn)行時由正組變流器供電；反向運(yùn)行時，則由反組變流器供電。根據(jù)對環(huán)流的處理方法，反并聯(lián)可逆電路又可分為不同的控制方案，如配合控制有環(huán)流（）、可控環(huán)流、邏輯控制無環(huán)流和錯位控制無環(huán)流等。電動機(jī)都可四象限運(yùn)行?？筛鶕?jù)電動機(jī)所需運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來決定哪一組變流器工作及其工作狀態(tài)：整流或逆變。18現(xiàn)在是18頁\一共有47頁\編輯于星期日4.5直流可逆電力拖動系統(tǒng)直流可逆拖動系統(tǒng)，除能方便地實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)外，還能實現(xiàn)電動機(jī)的回饋制動。電動機(jī)反向過程分析：詳見P79a=b配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)對正、反兩組變流器同時輸入觸發(fā)脈沖，并嚴(yán)格保證a=b

的配合控制關(guān)系。假設(shè)正組為整流，反組為逆變，即有aP=bN

，UdaP=UdbN，且極性相抵，兩組變流器之間沒有直流環(huán)流。但兩組變流器的輸出電壓瞬時值不等，會產(chǎn)生脈動環(huán)流。串入環(huán)流電抗器LC限制環(huán)流。19現(xiàn)在是19頁\一共有47頁\編輯于星期日4.5直流可逆電力拖動系統(tǒng)第1象限：正轉(zhuǎn)電動運(yùn)行，此時1組工作于整流狀態(tài)，由α1＝β2，2組工作于逆變狀態(tài)，且Ud1=Ud2,但由于二極管的單相導(dǎo)電性，2組橋沒有電流流過。工作在待逆變狀態(tài)。同樣，由于Ud1和Ud2的瞬時值不相等，所以有交流的環(huán)流在兩者間流動。必需加上環(huán)流電抗器Lc加以限制。α1＝β2,，即α1＋β

2＝π20現(xiàn)在是20頁\一共有47頁\編輯于星期日4.5直流可逆電力拖動系統(tǒng)第2象限：正轉(zhuǎn)制動運(yùn)行。當(dāng)需要正轉(zhuǎn)制動（剎車）時，將α1增大但<900，此時由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，其E不能突變，所以此時E>Ud1=Ud2，此時2組立刻工作于逆變狀態(tài)。由二極管的單相導(dǎo)電性，1組橋沒有電流流過。工作在待整流狀態(tài)。21現(xiàn)在是21頁\一共有47頁\編輯于星期日4.5直流可逆電力拖動系統(tǒng)第3象限：將α2調(diào)節(jié)至<900

，Ud2變?yōu)樯县?fù)下正，由α1＝β2Ud1變?yōu)樯县?fù)下正，由于二極管的單相導(dǎo)電性，2組橋有電流流過。工作在整流狀態(tài)，1組橋沒有電流流過。工作在待逆變狀態(tài)。此時電機(jī)反轉(zhuǎn)，E電壓為上負(fù)下正。22現(xiàn)在是22頁\一共有47頁\編輯于星期日4.5直流可逆電力拖動系統(tǒng)第4象限：反轉(zhuǎn)制動運(yùn)行，和第二象限類似，當(dāng)將α2增大但保持<900，E>Ud1=Ud2此時1組工作于逆變狀態(tài)，由于二極管的單相導(dǎo)電性，2組橋沒有電流流過。工作在待整流狀態(tài)。23現(xiàn)在是23頁\一共有47頁\編輯于星期日圖4-7

兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路等效圖n24現(xiàn)在是24頁\一共有47頁\編輯于星期日4.5直流可逆電力拖動系統(tǒng)邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)工程上使用較廣泛，不需設(shè)置環(huán)流電抗器。只有一組橋投入工作（另一組關(guān)斷），兩組橋之間不存在環(huán)流。兩組橋之間的切換過程：首先應(yīng)使已導(dǎo)通橋的晶閘管斷流，要妥當(dāng)處理使主回路電流變?yōu)榱?，使原?dǎo)通晶閘管恢復(fù)阻斷能力。隨后再開通原封鎖著的晶閘管，使其觸發(fā)導(dǎo)通。

這種無環(huán)流可逆系統(tǒng)中，變流器之間的切換過程由邏輯單元控制，稱為邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)。直流可逆電力拖動系統(tǒng)，將在后繼課“電力拖動自動控制系統(tǒng)”中進(jìn)一步分析討論。25現(xiàn)在是25頁\一共有47頁\編輯于星期日4.6變流裝置的功能指標(biāo)主要性能指標(biāo)變流裝置的效率電壓調(diào)整率功率因素26現(xiàn)在是26頁\一共有47頁\編輯于星期日4.6變流裝置的功能指標(biāo)晶閘管裝置的功率因數(shù)及其改善１、晶閘管裝置的功率因數(shù)單相全橋為0.9三相橋式電路為0.955位移系數(shù)畸變系數(shù)27現(xiàn)在是27頁\一共有47頁\編輯于星期日4.6變流裝置的功能指標(biāo)晶閘管裝置的功率因數(shù)及其改善２、采用的改善功率因數(shù)的方法小控制角運(yùn)行采用兩組變流器的串聯(lián)供電增加整流相數(shù)設(shè)置補(bǔ)償電容因為功率因數(shù)與畸變系數(shù)和位移系數(shù)有關(guān)，所以要采用下列措施改善功率因數(shù)：28現(xiàn)在是28頁\一共有47頁\編輯于星期日4.6變流裝置的功能指標(biāo)二、晶閘管裝置對電網(wǎng)的影響變流裝置可能會對電網(wǎng)造成什么影響？引起諧振，造成熱損壞、振動、閃爍等事故。對通信線路產(chǎn)生雜音對變壓器鐵心產(chǎn)生噪音，損耗增加使電機(jī)產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，損耗增加影響電壓和電流的相位差，測量精確度下降導(dǎo)致計算機(jī)誤動作29現(xiàn)在是29頁\一共有47頁\編輯于星期日如：三相全控橋式電路變壓器電流波形4.6變流裝置的功能指標(biāo)30現(xiàn)在是30頁\一共有47頁\編輯于星期日4.6變流裝置的功能指標(biāo)

為減小對電網(wǎng)的影響，晶閘管的電流波形應(yīng)為什么形狀？具體措施：小控制角運(yùn)行三相電路盡量采用橋式電路變流變壓器采用Ｄ/Ｙ或Y/D聯(lián)接增加整流相數(shù)采用諧波濾波器31現(xiàn)在是31頁\一共有47頁\編輯于星期日抑制諧波的濾波器4.6變流裝置的功能指標(biāo)32現(xiàn)在是32頁\一共有47頁\編輯于星期日4.7變流裝置的觸發(fā)電路同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路集成觸發(fā)器觸發(fā)電路的定相33現(xiàn)在是33頁\一共有47頁\編輯于星期日4.7變流裝置的觸發(fā)電路·引言觸發(fā)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。觸發(fā)電路的驅(qū)動控制為保證觸發(fā)電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角a的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。大、中功率的變流器廣泛應(yīng)用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多。34現(xiàn)在是34頁\一共有47頁\編輯于星期日4.7.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個晶閘管同時導(dǎo)通的電路），也可為單窄脈沖。三個基本環(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)。圖4-8同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路35現(xiàn)在是35頁\一共有47頁\編輯于星期日4.7.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路1)脈沖形成環(huán)節(jié)V4、V5—脈沖形成V7、V8—脈沖放大控制電壓uco加在V4基極上圖4-8同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路脈沖前沿由V4導(dǎo)通時刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時間常數(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V8集電極電路中。36現(xiàn)在是36頁\一共有47頁\編輯于星期日4.7.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路2)鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)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；本電路采用恒流源電路。恒流源電路方案，由V1、V2、V3和C2等元件組成V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路圖4-8

同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路37現(xiàn)在是37頁\一共有47頁\編輯于星期日4.7.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路3)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)的時間就是鋸齒波的寬度——取決于充電時間常數(shù)R1C1。38現(xiàn)在是38頁\一共有47頁\編輯于星期日4.7.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路4)雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)內(nèi)雙脈沖電路

V5、V6構(gòu)成“或”門當(dāng)V5、V6都導(dǎo)通時，V7、V8都截止，沒有脈沖輸出。只要V5、V6有一個截止，都會使V7、V8導(dǎo)通，有脈沖輸出。第一個脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對應(yīng)的控制角

產(chǎn)生。隔60的第二個脈沖是由滯后60相位的后一相觸發(fā)單元產(chǎn)生（通過V6）。三相橋式全控整流電路的情況(自學(xué))39現(xiàn)在是39頁\一共有47頁\編輯于星期日圖示為正弦波觸發(fā)電路原理圖，適用于三相全控橋。V1起綜合信號和放大作用。脈寬形成環(huán)節(jié)和功放由V2組成的單穩(wěn)態(tài)電路、V3和脈沖變壓器TP組成。V1關(guān)斷時，C4極性左正右負(fù)，V2飽和導(dǎo)通，V3截止。V1導(dǎo)通瞬間，C4上電壓不能突變，所以V2截止，V3導(dǎo)通輸出脈沖。4.7.2同步信號為正弦波的觸發(fā)電路40現(xiàn)在是40頁\一共有47頁\編輯于星期日正弦波同步信號的形成和移相控制：使用uα

和uβ來限制αmin

和βmin,us為正弦波同步信號，uco為控制電壓。使用這四個電壓來進(jìn)行同步和移相。注意，為了防止干擾。uα

、uβ和us在輸入時都經(jīng)過RC濾波。該濾波器的移相角一般為600。4.7.2同步信號為正弦波的觸發(fā)電路41現(xiàn)在是41頁\一共有47頁\編輯于星期日圖示為正弦波觸發(fā)電路原理圖，適用于三相全控橋。V1起綜合信號和放大作用。脈寬形成環(huán)節(jié)和功放由V2組成的單穩(wěn)態(tài)電路、V3和脈沖變壓器TP組成。V1關(guān)斷時，C4極性左正右負(fù)，V2飽和導(dǎo)通，V3截止。V1導(dǎo)通瞬間，C4上電壓不能突變，所以V2截止，V3導(dǎo)通輸出脈沖。

4.7.2同步信號為正弦波的觸發(fā)電路42現(xiàn)在是42頁\一共有47頁\編輯于星期日正弦波同步信號的形成和移相控制：先不考慮uα

和uβ的作用。對于電感性負(fù)載，當(dāng)UCO=0時，要求輸出電壓Ud=0,即此時輸出的控制脈沖對準(zhǔn)α＝900的位置，即要求US的負(fù)到正的過零點(diǎn)在α＝900處。根據(jù)此要求，選擇滯后U