有源逆變與 相控變流器特性 - 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院

1、有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-0有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-1 理解和掌握單相、三相有源逆變電路的工作原理解和掌握單相、三相有源逆變電路的工作原理，有源逆變的應(yīng)用和整流電路的功率因數(shù)及理，有源逆變的應(yīng)用和整流電路的功率因數(shù)及其改善的方法其改善的方法。 重點(diǎn)：重點(diǎn)：波形分析法，有源逆變的條件和有源逆波形分析法，有源逆變的條件和有源逆變失敗的原因變失敗的原因。有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-2 根據(jù)逆變輸出交流電能去向分類：根據(jù)逆變輸出交流電能去向分類： 有源逆變有源逆變 以電網(wǎng)為負(fù)載以電網(wǎng)為負(fù)載 變流

2、裝置變流裝置（變流器）（變流器） 無源逆變無源逆變 以用電器為負(fù)載以用電器為負(fù)載 變頻器變頻器有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-3(a) E1 E2 時(shí)時(shí) (b) E2 E1 時(shí)時(shí) (c) 電源反電源反 極性相連極性相連REEI21REEI12REEI21有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-4 電流從電源的正極流出者，該電源為輸出電流從電源的正極流出者，該電源為輸出功率；功率； 電流從電源的負(fù)極流出者，該電源為輸入電流從電源的負(fù)極流出者，該電源為輸入功率。功率。 兩個(gè)電源反極性相連時(shí)，如果電路總電阻兩個(gè)電源反極性相連時(shí)，如果電路總電阻很小，

3、會(huì)形成電源間短路故障。很小，會(huì)形成電源間短路故障。有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-5 變流器工作于變流器工作于整流狀態(tài)（整流狀態(tài)（ 0 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-6 變流器工作于變流器工作于逆變狀態(tài)（逆變狀態(tài)（ 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E 有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-7 有一個(gè)直流電源，極性為有一個(gè)直流電源，極性為上上 “ ” 下下 “ + ”； 變流器的變流器的 2 ，即，即 Ud 0 Ud E E 約等于約等于 Ud 半控電路或具有續(xù)流二極管

4、的電路，半控電路或具有續(xù)流二極管的電路，不能不能實(shí)實(shí)現(xiàn)有源逆變，因?yàn)椋含F(xiàn)有源逆變，因?yàn)椋?不能輸出負(fù)電壓不能輸出負(fù)電壓 E的極性不能為上的極性不能為上 “ ” 下下 “ + ”；有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-8 某些機(jī)械能隨著工況的不同自動(dòng)改變某些機(jī)械能隨著工況的不同自動(dòng)改變E的的 極性（如直流卷揚(yáng)機(jī)）。極性（如直流卷揚(yáng)機(jī)）。 改變勵(lì)磁電流方向。改變勵(lì)磁電流方向。 反接電樞回路。反接電樞回路。 在可逆拖動(dòng)系統(tǒng)中，通常采用兩套變流器在可逆拖動(dòng)系統(tǒng)中，通常采用兩套變流器 相互切換。相互切換。有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-9 變流器工作

5、于變流器工作于整流狀態(tài)（整流狀態(tài)（ 0 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-10 變流器工作于變流器工作于逆變狀態(tài)（逆變狀態(tài)（ 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E 有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-11有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-12 為了方便，電路進(jìn)入逆變狀態(tài)時(shí)，通常用逆變?yōu)榱朔奖悖娐愤M(jìn)入逆變狀態(tài)時(shí)，通常用逆變角角 （或稱引前觸發(fā)角）（或稱引前觸發(fā)角）表示。表示。 規(guī)定：規(guī)定： 角計(jì)算的角計(jì)算的起始點(diǎn)起始點(diǎn)為控制角為控制角 = 處，處，計(jì)算方法為自計(jì)算方法為自

6、= （ = 0 ）的起始點(diǎn)）的起始點(diǎn)向左向左方方計(jì)量。計(jì)量。 、 的關(guān)系：的關(guān)系： = 或或 = 有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-13 變流器直流側(cè)電壓計(jì)算公式變流器直流側(cè)電壓計(jì)算公式 考慮換相重疊角考慮換相重疊角cosU17. 1cos U1.17U22ddBIx23cosU17. 1U2d有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-14 變流器工作于變流器工作于逆變狀態(tài)（逆變狀態(tài)（ 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E 有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-15 定義：定義： 逆變運(yùn)行時(shí)，一旦發(fā)生換相失敗，使整流逆變

7、運(yùn)行時(shí)，一旦發(fā)生換相失敗，使整流電路由逆變工作狀態(tài)進(jìn)入整流工作狀態(tài)，電路由逆變工作狀態(tài)進(jìn)入整流工作狀態(tài)，Ud又重新又重新變成正值變成正值，使輸出平均電壓和直，使輸出平均電壓和直流電勢變成流電勢變成順向串聯(lián)順向串聯(lián)，外接的直流電源通，外接的直流電源通過過SCR電路形成短路，這種情況稱為電路形成短路，這種情況稱為逆變逆變失敗失敗，或稱為，或稱為逆變顛覆逆變顛覆。有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-16 觸發(fā)電路工作不可靠觸發(fā)電路工作不可靠 觸發(fā)脈沖丟失（見左圖）觸發(fā)脈沖丟失（見左圖） 觸發(fā)脈沖延遲（見右圖）觸發(fā)脈沖延遲（見右圖）有源逆變 March 3, 2000北方交通

8、大學(xué)電氣工程系3-17 晶閘管發(fā)生故障晶閘管發(fā)生故障（見左圖）（見左圖） 換相的裕量角不足換相的裕量角不足（見右圖）（見右圖） 交流電源發(fā)生異常現(xiàn)象交流電源發(fā)生異?，F(xiàn)象有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-18 采用可靠的觸發(fā)電路；采用可靠的觸發(fā)電路； 選用可靠的選用可靠的SCR，防止誤導(dǎo)通；，防止誤導(dǎo)通； 加快速熔斷器或快速開關(guān)；加快速熔斷器或快速開關(guān)； 逆變角逆變角 不能太小不能太小，必須限制在某一允許，必須限制在某一允許的最小角度內(nèi)。的最小角度內(nèi)。有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-19 最小逆變角最小逆變角 min = + + : SC

9、R的關(guān)斷時(shí)間的關(guān)斷時(shí)間 tq 折合的電角度，折合的電角度， 叫恢復(fù)阻斷角，叫恢復(fù)阻斷角， = tq : 換相重疊角換相重疊角 : 安全裕量角安全裕量角 在可逆直流拖動(dòng)系統(tǒng)中，一般要求在可逆直流拖動(dòng)系統(tǒng)中，一般要求 min min 有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-20 固定逆變角固定逆變角 固定固定 min max + 在大部分工作期間是以過大的在大部分工作期間是以過大的 角運(yùn)行，使角運(yùn)行，使得電機(jī)再生制動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)下降，電流和得電機(jī)再生制動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)下降，電流和電壓波形畸變加大，增加了干擾。電壓波形畸變加大，增加了干擾。 自調(diào)逆變角（固定恢復(fù)阻斷角）自調(diào)逆變角

10、（固定恢復(fù)阻斷角） 隨負(fù)載變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)，隨負(fù)載變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)， min = + 有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-21 Ud = E IdR Ud = Ud0cos E = Ce n 改變勵(lì)磁電流改變勵(lì)磁電流 改變變壓器電壓改變變壓器電壓 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 角角有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-22 高壓直流輸電高壓直流輸電有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-23 繞線式異步電動(dòng)機(jī)晶閘管串級調(diào)速繞線式異步電動(dòng)機(jī)晶閘管串級調(diào)速有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-24 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)直流可逆

11、電力拖動(dòng)系統(tǒng)有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-25 任何周期性波形都可以分解為任何周期性波形都可以分解為直流分量直流分量、正弦正弦波基波分量波基波分量和一系列頻率為基波整數(shù)倍的和一系列頻率為基波整數(shù)倍的諧波諧波分量分量。 整流電路的諧波包括：整流電路的諧波包括： 變流器變流器直流側(cè)直流側(cè)諧波諧波 交流交流電源側(cè)電源側(cè)諧波諧波有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-26 在（在（ m m） 傅立葉級數(shù)分析傅立葉級數(shù)分析 ud 以以2 m為周期為周期tUudcos22mknnddtnbUucos)2cos()2(coscosmntnmtntn有源逆

12、變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-27 因此因此 在整流輸出電壓中，諧波級次在整流輸出電壓中，諧波級次 n 一定是脈波一定是脈波數(shù)數(shù) m 的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。 根據(jù)根據(jù)傅立葉級數(shù)分析傅立葉級數(shù)分析 結(jié)果結(jié)果mkn mmnttdntUmbcoscos2/12mknddtnnkUucos1cos2120有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-28 兩相半波電路（兩相半波電路（m=2） 三相半波電路（三相半波電路（m=3）.756cos2534cos2312cos212sin222tttUud.1089cos2756cos2423cos213sin322t

13、ttUud有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-29 三相橋式電路（三相橋式電路（m=6） 脈波數(shù)（相數(shù)）的增加使諧波中最低次諧波的脈波數(shù)（相數(shù)）的增加使諧波中最低次諧波的頻率增加，同時(shí)其幅值迅速減少。頻率增加，同時(shí)其幅值迅速減少。 增加整流器的脈波數(shù)增加整流器的脈波數(shù) m ，對減少直流側(cè)諧波、，對減少直流側(cè)諧波、改善輸出波形質(zhì)量有重要的作用。改善輸出波形質(zhì)量有重要的作用。.191718cos2131112cos2756cos216sin622tttUud有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-30 空載直流電壓的空載直流電壓的 n 次諧波的有效值

14、次諧波的有效值 整流器輸出直流電壓中的諧波分量，將隨延整流器輸出直流電壓中的諧波分量，將隨延遲角遲角 的增大而顯著上升。的增大而顯著上升。22202)(sincos12nUnUdnd有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-31 對于理想的對于理想的 m 脈波整流器，則在交流側(cè)只有下脈波整流器，則在交流側(cè)只有下列級次的諧波電流：列級次的諧波電流： = mk 1 每個(gè)諧波電流分量的幅值為基波電流的每個(gè)諧波電流分量的幅值為基波電流的 1 / ，即諧波電流分量的大小與其頻率成反比。即諧波電流分量的大小與其頻率成反比。 實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)需要比較精確的檢測變流器交實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)需要比較精確的檢測變流器交流側(cè)諧波電流時(shí)，必需同時(shí)考慮到脈波數(shù)流側(cè)諧波電流時(shí)，必需同時(shí)考慮到脈波數(shù) m、延遲角延遲角 和重迭角和重迭角 三個(gè)參數(shù)的影響。三個(gè)參數(shù)的影響。有源逆變 March 3, 2000北方交通大學(xué)電氣工程系3-32 定義定義 整流電路電網(wǎng)側(cè)有功功率與視在功率之比整流電路電網(wǎng)側(cè)有功功率與視在功率之比 計(jì)算方法計(jì)算方法 = cos cos ：位移系數(shù)：位移系數(shù) : 電流畸變系數(shù)電流畸變系數(shù) 也可用也可用 = Pd / S 計(jì)