《電力電子變流技術(shù)（第二版）》 課件 第五章 有源逆變電路

電力電子變流技術(shù)（第二版）246第五章有源逆變電路247第五章有源逆變電路任務(wù)一任務(wù)二任務(wù)三單相有源逆變電路三相半波有源逆變電路三相橋式有源逆變電路任務(wù)四逆變失敗與逆變角的限制248第五章有源逆變電路249前面學(xué)習(xí)的是交流電變直流電的整流過(guò)程，而某些場(chǎng)合需要將直流電變交流電，即直流電→逆變器→交流電→用電器（或交流電網(wǎng)），這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為逆變。逆變電路在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用非常廣泛。例如，電力、通信行業(yè)中，固定式鉛酸蓄電池和閥控式密封鉛酸蓄電池的每組容量均在100～3000Ah，檢修維護(hù)時(shí)，要采用電阻器或相控（晶閘管）有源逆變蓄電池放電。有源逆變蓄電池放電裝置是一種能將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姴⒎祷仉娋W(wǎng)的裝置，具有安全、易控、節(jié)能、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，如圖5-1所示。圖5-1有源逆變蓄電池放電裝置第五章有源逆變電路250此外，我國(guó)正在發(fā)展的特高壓直流輸電技術(shù)，圖5-2所示，能跨越江河湖海為超遠(yuǎn)距離地區(qū)輸送大容量電能，而遠(yuǎn)距離送電的最后一程，是要將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，這也需要用到逆變電路。還有在繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速裝置中，轉(zhuǎn)子電能也是通過(guò)逆變的方式被回送電網(wǎng)的。圖5-2特高壓直流輸電技術(shù)5.1單相有源逆變電路251學(xué)習(xí)目標(biāo)了解有源逆變和無(wú)源逆變的概念了解逆變電路的能量關(guān)系掌握單相有源逆變電路的基本原理及逆變角β的定義方法252一、有源逆變和無(wú)源逆變逆變電路分為有源逆變與無(wú)源逆變，有源逆變的過(guò)程是：直流電→逆變器→交流電→交流電網(wǎng)，這種將直流電變換為和電網(wǎng)同頻率的交流電并返送到交流電網(wǎng)的過(guò)程稱(chēng)為有源逆變。無(wú)源逆變的過(guò)程是：直流電→逆變器→交流電（頻率可調(diào)）→用電器，這種將直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電直接供負(fù)載使用的過(guò)程稱(chēng)為無(wú)源逆變。253二、直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電能傳遞圖5-3是直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)勵(lì)磁回路沒(méi)有畫(huà)出。圖5-3a中發(fā)電機(jī)向電動(dòng)機(jī)供電，發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)EG大于電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)EM，電流Id從發(fā)電機(jī)正端流向電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)正端，電流值Id=（EG-EM）/R∑（R∑是電路總電阻）。發(fā)電機(jī)送出的電功率PG=EGId，電動(dòng)機(jī)吸收的電功率PM=EMId轉(zhuǎn)變?yōu)檩S上機(jī)械功率輸出。圖5-3b中電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)EM大于EG，方向相對(duì)，電流倒流，電動(dòng)機(jī)軸上輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率傳送給發(fā)電機(jī)。圖5-3c中發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)起來(lái)向R∑供電，由于R∑阻值很小，實(shí)際上是兩個(gè)電源通過(guò)R∑形成短路，這是不允許的。圖5-3

直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)a）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EG>EMb）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EM>EGc）兩電動(dòng)勢(shì)反極性，形成短路254三、有源逆變的工作原理以單相橋式可控整流電路代替發(fā)電機(jī)給電動(dòng)機(jī)供電，如圖5-4a所示。圖中有兩組橋式整流電路，假定首先將開(kāi)關(guān)S擲向位置1，使Ⅰ組晶閘管的控制角αI<90°，其波形如圖5-4b所示，輸出電壓ud1的極性為上正下負(fù)，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，流過(guò)電樞的電流為i1，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)為E。此時(shí)Ⅰ組晶閘管處于整流狀態(tài)，從電網(wǎng)供出能量，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，吸收晶閘管整流裝置提供的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，這種情況與圖5-3a所示情況一致。1.逆變的產(chǎn)生條件圖5-4有源逆變?cè)硎疽鈭D255三、有源逆變的工作原理1.逆變的產(chǎn)生條件當(dāng)開(kāi)關(guān)S擲向位置2，并使Ⅱ組晶閘管的觸發(fā)脈沖αⅡ>90°時(shí)，其波形如圖5-4c所示，此時(shí)ud2極性為負(fù)，即上正下負(fù)。由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)械慣性，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向未變，反電動(dòng)勢(shì)E也不變，Ⅱ組晶閘管在E和ud2作用下，產(chǎn)生電流i2，方向如圖5-4a所示。這時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞電流反向，運(yùn)行在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，輸出電能，Ⅱ組晶閘管吸收電能送回交流電網(wǎng)，這就是有源逆變，這種情況與圖5-3b所示情況一致。如果開(kāi)關(guān)S擲向位置2，Ⅱ組晶閘管的觸發(fā)脈沖αⅡ<90°，ud2極性為正，即上負(fù)下正，相當(dāng)于E與ud2反極性串聯(lián)，都供出能量施加在回路電阻上。由于回路電阻很小，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的回路電流，相當(dāng)于短路，會(huì)造成事故，這種情況與圖5-3c所示情況一致。256三、有源逆變的工作原理1.逆變的產(chǎn)生條件通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)中有源逆變必須同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)條件：（1）要有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性和晶閘管導(dǎo)通方向一致，且其值大于變流器直流側(cè)平均電壓，電路中串入大電感，才能提供逆變能量。（2）晶閘管的控制角α>90°，并使ud為負(fù)值，才能把直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔芊邓?。電網(wǎng)?；仡櫱懊鎸W(xué)過(guò)的半控橋和有續(xù)流二極管的電路，由于整流電壓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(dòng)勢(shì)，所以不能實(shí)現(xiàn)有源逆變，要實(shí)現(xiàn)有源逆變，只能采用晶閘管全控電路。257三、有源逆變的工作原理2.逆變角通過(guò)上面的分析，變流器工作在逆變狀態(tài)時(shí)，控制角α>90°，cosα<0，平均輸出電壓Ud為負(fù)值。為便于計(jì)算，令β=π-α，稱(chēng)為逆變角。當(dāng)β=0時(shí)，α=π，所以β的起點(diǎn)在α=π處，然后順著電位上升的電壓波形向左計(jì)算，找出β的大小。圖5-5畫(huà)出了兩種不同的控制角，并標(biāo)出了各自對(duì)應(yīng)的β位置。其實(shí)α和β是從兩個(gè)方向表示晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻，表示的是相同的一個(gè)點(diǎn)，但要注意三相和單相起始位置的不同。圖5-5逆變角β的表示法a）三相

b）單相2585.2三相半波有源逆變電路259259學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握三相半波有源逆變電路的基本原理和分析方法260三相半波有源逆變電路比單相逆變電路要復(fù)雜，但掌握了三相半波整流電路和有源逆變的基本概念后，三相半波有源逆變電路的工作原理就不難理解了。三相半波有源逆變電路有共陰極和共陽(yáng)極兩種接法，其工作原理是相同的。第五章有源逆變電路261一、三相半波有源逆變電路及工作原理三相半波有源逆變電路如圖5-8a所示，為了方便分析三相半波有源逆變電路的工作原理，選取逆變角β=60°。圖5-8三相半波有源逆變電路及工作波形a）電路圖

b）ud和ug波形圖

c）uVT1波形圖262一、三相半波有源逆變電路及工作原理當(dāng)β=60°時(shí)，VT1觸發(fā)脈沖如圖5-8b所示，此時(shí)U相電壓uU>0，晶閘管滿(mǎn)足導(dǎo)通條件，VT1導(dǎo)通，先前導(dǎo)通的VT3承受反向電壓關(guān)斷，這與整流的情況一樣，但相對(duì)中性一點(diǎn)，陽(yáng)極處于高電位的晶閘管導(dǎo)通，形成反向電壓去關(guān)斷處于低電位的晶閘管。要注意的是，如果在β<30°往右的位置觸發(fā)脈沖，盡管此時(shí)晶閘管VT1承受反向電源電壓，但在整個(gè)電路中，晶閘管VT1承受正向電壓E，晶閘管導(dǎo)通條件得到滿(mǎn)足，仍然能夠?qū)ǎ闺娏髁鬟^(guò)晶閘管VT1，同時(shí)有ud=uU的電壓輸出。與整流一樣，按照三相交流電源的相序依次換相，每只晶閘管導(dǎo)通120°，ud的波形如圖5-8b所示。263一、三相半波有源逆變電路及工作原理

264二、三相半波有源逆變電路各電量的計(jì)算三相半波有源逆變電路各電量的計(jì)算總結(jié)如下：1.輸出電壓平均值2.輸出電流平均值3.流過(guò)晶閘管的電流平均值4.流過(guò)晶閘管的電流有效值5.流過(guò)變壓器二次側(cè)的電流有效值式中R∑為回路總電阻。265二、三相半波有源逆變電路各電量的計(jì)算由晶閘管的單向?qū)щ娦钥芍?，逆變時(shí)電流的方向與整流時(shí)一樣。通過(guò)電流的方向和電源的極性可以看出，電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E輸出直流電能，由晶閘管變換為與電源同頻率的交流電能，經(jīng)變壓器升壓后返送到電網(wǎng)中去，另一部分消耗在回路電阻上。2665.3三相橋式有源逆變電路267學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握三相橋式有源逆變電路的基本原理和分析方法268三相橋式有源逆變電路是三相橋式全控整流電路在π/2<α<π（對(duì)應(yīng)0<β<π/2）范圍內(nèi)作有源逆變的運(yùn)行方式，因此三相全控橋式整流電路的分析方法在逆變電路分析中完全適用。圖5-11a為三相橋式有源逆變電路的電路圖，為了進(jìn)行逆變，直流電機(jī)應(yīng)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，反電動(dòng)勢(shì)極性上負(fù)下正，與晶閘管的單向?qū)щ姺较蛞恢?。這就要求直流平均電壓Ud的極性也應(yīng)上負(fù)下正，故晶閘管控制角α≥π/2或β≤π/2，以便獲得反極性的ud。一、三相橋式有源逆變電路工作原理269下面以β=30°為例，分析三相橋式有源逆變電路的工作過(guò)程，分析方法與三相半波有源逆變電路的分析方法基本相同。一、三相橋式有源逆變電路工作原理270在圖5-11b所示β=30°處，給VT1～VT6施加觸發(fā)脈沖，圖中標(biāo)注的數(shù)字1～6表示對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)的晶閘管的逆變角初始位置，即β=0°處。從ug1脈沖處分析，由于施加到晶閘管上的是雙窄脈沖，所以此時(shí)VT1、VT6上都有脈沖，VT6由于此時(shí)相電壓uV為正值，滿(mǎn)足導(dǎo)通條件而導(dǎo)通，盡管uU此時(shí)開(kāi)始變?yōu)樨?fù)值，但由于電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E的存在，VT1仍然受正向電壓，也能導(dǎo)通，故此時(shí)VT1、VT6同時(shí)導(dǎo)通，加到ud兩端的電壓為uU和uV組成的線(xiàn)電壓uUV，為負(fù)值，如圖5-11c所示。一、三相橋式有源逆變電路工作原理271當(dāng)通過(guò)60°電角度，ug2脈沖到來(lái)時(shí)，VT2導(dǎo)通，VT6受反向電壓關(guān)斷，VT6、VT2完成換流，而VT1此時(shí)仍接受雙窄脈沖的第二個(gè)補(bǔ)償脈沖，且由于電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E的存在其仍受正壓，即VT1仍然導(dǎo)通，故此60°區(qū)間的輸出電壓為VT1、VT2組成的線(xiàn)電壓uUW，如圖5-11c所示。再過(guò)60°，當(dāng)VT3脈沖到來(lái)時(shí)，VT1、VT3換流，VT2仍然導(dǎo)通。通過(guò)以上分析所以發(fā)現(xiàn)，每過(guò)60°總有兩管換流，換流是在同一組晶閘管之間按VT1、VT3、VT5的順序或VT4、VT6、VT2的順序進(jìn)行，每個(gè)管分別輪流導(dǎo)通120°，導(dǎo)通順序依次為VT1、VT2，VT3、VT4，VT5、VT6。每個(gè)瞬間總有上、下兩個(gè)管保持導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)直流能量經(jīng)三相橋式逆變電路轉(zhuǎn)換成交流能量送回到電網(wǎng)中去，即實(shí)現(xiàn)了有源逆變。一、三相橋式有源逆變電路工作原理272一、三相橋式有源逆變電路工作原理圖5-11三相橋式有源逆變電路及工作波形（β=30°）a）電路圖b）ud和ug波形圖c）ud波形圖d）uVT1波形圖273

一、三相橋式有源逆變電路工作原理274二、三相橋式有源逆變電路各電量的計(jì)算1.輸出電壓平均值2.輸出電流平均值3.流過(guò)晶閘管的電流平均值4.流過(guò)晶閘管的電流有效值5.流過(guò)變壓器二次側(cè)的電流有效值三相橋式有源逆變時(shí)各電量的計(jì)算歸納如下：2755.4逆變失敗與逆變角的限制276學(xué)習(xí)目標(biāo)了解逆變失敗的原因和對(duì)逆變角的限制學(xué)會(huì)通過(guò)故障現(xiàn)象、故障波形檢修線(xiàn)路277晶閘管變流電路工作在整流狀態(tài)時(shí)，如果出現(xiàn)晶閘管損壞、主電路快熔燒斷或觸發(fā)電路脈沖丟失，造成的后果至多是缺相，輸出的直流電壓減小。但當(dāng)變流電路運(yùn)行在逆變狀態(tài)時(shí)，由于晶閘管大部分時(shí)間或全部時(shí)間都導(dǎo)通在電壓負(fù)半周期，如果某種原因?qū)е戮чl管換相失敗，本來(lái)應(yīng)該在負(fù)半周期導(dǎo)通的晶閘管會(huì)一直導(dǎo)通到正半周期，從而產(chǎn)生輸出電壓ud極性反向的現(xiàn)象，這樣就會(huì)造成ud和直流電動(dòng)勢(shì)E順極性串聯(lián)，形成極大的短路電流，這種情況被稱(chēng)為逆變失敗或逆變顛覆。第五章有源逆變電路278一、逆變失敗的原因1.觸發(fā)電路脈沖丟失如圖5-14b所示，正常情況下，ug1、ug2、ug3間隔為120°，輪流觸發(fā)VT1、VT2、VT3導(dǎo)通。但如果由于某種原因?qū)е聈g2脈沖本應(yīng)該到來(lái)時(shí)而沒(méi)有來(lái)，那么先前已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管VT1就不會(huì)關(guān)斷而是繼續(xù)導(dǎo)通；到ug3脈沖來(lái)臨時(shí)，由于此時(shí)U相電壓趨于變大，W相電壓趨于變小，VT3承受反向電壓也不能導(dǎo)通，則VT1繼續(xù)導(dǎo)通，U相電壓出現(xiàn)在正半周期，輸出直流電壓ud極性反轉(zhuǎn)，變?yōu)樯险仑?fù)，與電動(dòng)勢(shì)E反極性串聯(lián)，形成短路，造成逆變失敗。圖5-14三相半波逆變電路及逆變失敗的波形279一、逆變失敗的原因2.逆變角β太小在實(shí)際電路中，換相過(guò)程不是瞬時(shí)完成的，而是需要持續(xù)一段時(shí)間，這個(gè)換相過(guò)程持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)的電角度，就是換相重疊角γ。當(dāng)β<γ時(shí)，圖5-15所示放大部分在ωt1時(shí)刻觸發(fā)晶閘管VT2，由于β角太小，在過(guò)ωt2時(shí)刻（β=0°）換流仍未結(jié)束，此時(shí)U相電壓uU已經(jīng)大于V相電壓uV，這樣VT1仍受正壓繼續(xù)導(dǎo)通，VT2在換相重疊角范圍內(nèi)短時(shí)間導(dǎo)通后又受反向電壓關(guān)斷，相當(dāng)于ug2脈沖丟失，造成逆變失敗。圖5-15逆變角β太小換相失敗波形280一、逆變失敗的原因3.晶閘管自身的原因在整流（逆變）電路中，晶閘管均按照一定的規(guī)律導(dǎo)通或關(guān)斷，電路處于正常工作狀態(tài)。如果晶閘管發(fā)生故障，應(yīng)阻斷時(shí)失去阻斷能力，應(yīng)導(dǎo)通時(shí)不能導(dǎo)通，都會(huì)造成逆變失敗。4.電源缺相如果電路運(yùn)行中發(fā)生電源缺相（如某一相的熔斷器熔斷），則與該相連接的晶閘管無(wú)法導(dǎo)通，這將導(dǎo)致參與換相的晶閘管無(wú)法換相而繼續(xù)工作到相應(yīng)電壓的正半周期，從而造成逆變器電壓ud與電機(jī)電動(dòng)勢(shì)E反極性