第四章：有源逆變PPT課件

1、2021-11-17 4-1概 述 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。v實(shí)例：電力機(jī)車再生制動(dòng)行駛，機(jī)車的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，反送到交流電網(wǎng)中去。 逆變電路把直流電逆變成交流電的電路。v有源逆變電路逆變電路的交流側(cè)和電網(wǎng)連接，將直流電逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電反送到電網(wǎng)。（本章介紹）第1頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-2v無源逆變電路變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)連接，而直接接到負(fù)載，將直流電逆變成固定頻率或可調(diào)頻率的交流電供給負(fù)載。（將在第6章介紹） 對(duì)于全控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件發(fā)生改變

2、。既可工作在整流狀態(tài)又可工作在逆變狀態(tài)的電路又稱為變流電路。第2頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-3本章內(nèi)容4.1 有源逆變電路的工作原理（概念）4.2 三相有源逆變電路4.3 有源逆變的應(yīng)用4.4 變流電路的功率因數(shù)及改善方法第3頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-4一、有源逆變的概念1、直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn) 圖a M電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，EGEM，電流Id從G流向M，M吸收電功率。 圖b 回饋制動(dòng)狀態(tài)，M作發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)，EMEG，電流反向，從M流向G。故M輸出電功率，G則吸收電功率，M軸上輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒oG。 圖c 兩電動(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)，向電阻R供電，G和M均輸出功率。由于R

3、 一般都很小，實(shí)際上形成短路。c)b)a)MGMGMGEGEMIdREGEMIdREGEMIdR4 . 1 有源逆變電路的工作原理第4頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-52、變流電路 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)用單相全波電路代替上述發(fā)電機(jī)a)b)圖2-45R+-電能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM電能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUd E EM M，才能輸出I Id d。交流電網(wǎng)輸出電功率電動(dòng)機(jī)輸入電功率電動(dòng)機(jī)輸出電功率交流電網(wǎng)輸入電功率圖圖b M回饋制動(dòng)，因晶閘管單向?qū)щ?，回饋制?dòng)，因晶閘管

4、單向?qū)щ?，Id方向不變，欲改變電能的輸送方方向不變，欲改變電能的輸送方向，只能改變向，只能改變EM、 Ud的極性，即的極性，即Ud應(yīng)為負(fù)值，且應(yīng)為負(fù)值，且|EM | |Ud |。 U Ud d可通過改變 來進(jìn)行調(diào)節(jié)，逆變狀態(tài)時(shí)U Ud d為負(fù)值，逆變時(shí) 在 /2 /2 之間。第5頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-63、實(shí)現(xiàn)有源逆變的條件 從上述分析中，可以歸納出要實(shí)現(xiàn)有源逆變，必須滿足下列條件： （1）有直流電動(dòng)勢(shì)，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。（外部條件） （2）晶閘管的控制角 /2，使Ud為負(fù)值。（內(nèi)部條件） 半控橋或輸出端有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓

5、ud不能出現(xiàn)負(fù)值，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。欲實(shí)現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。第6頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-74、改變電樞電勢(shì) E 極性的方法（1）某些機(jī)械能隨著工況的不同自動(dòng)改變E的 極性（如直流卷?yè)P(yáng)機(jī)）。（2）改變勵(lì)磁電流方向。（3）反接電樞回路。第7頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-85、逆變角 為了方便，電路進(jìn)入逆變狀態(tài)時(shí)，通常用逆變角 （或稱引前觸發(fā)角）表示相控角度。 規(guī)定： 角計(jì)算的起始點(diǎn)為控制角 = 處，計(jì)算方法為：自 = （ = 0 ）的起始點(diǎn)向左方計(jì)量。 、 的關(guān)系： = 或 = 第8頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-9二、單相橋式有源逆變電路1、變流器工作于整

6、流狀態(tài)（ 0 2 ） Ud 0 , E 0，Ud E，M工作于電動(dòng)狀態(tài)第9頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-102、變流器工作于逆變狀態(tài)（ 2 ）電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，由于Id方向不能改變，因而要求：E 0 （反極性），Ud 0 （反極性）且Ud E第10頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-113、單相橋式電路逆變電壓的計(jì)算 變流器直流側(cè)電壓計(jì)算公式 考慮換相重疊角 其它的電量，如負(fù)載電流平均值、晶閘管電流平均值和有效值，變壓器的容量計(jì)算等，均可按照整流電路的計(jì)算原則進(jìn)行 。cosU9 . 0cos0.9UU22ddBIx2cosU9 . 0U2d222coscos(UIx)dB第11頁(yè)

7、/共47頁(yè)2021-11-17 4-124. 2 三相有源逆變電路 一、 三相半波有源逆變電路1、變流器工作于整流狀態(tài)（ 0 2 ） Ud 0 , E 0， Ud E， M工作于電動(dòng)狀態(tài)第12頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-132、變流器工作于逆變狀態(tài)（ 2 ）電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，由于Id方向不能改變，因而要求：Ud 0 （反極性） , E 0 （反極性）Ud E第13頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-14第14頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-153、三相半波電路逆變電壓的計(jì)算 變流器直流側(cè)電壓計(jì)算 考慮換相重疊角cosU17. 1cos U1.17U22ddBIx23cos

8、U17. 1U2d262coscos(UIx)dB 其它的電量，如負(fù)載電流平均值、晶閘管電流平均值和有效值，變壓器的容量計(jì)算等，均可按照整流電路的計(jì)算原則進(jìn)行 。第15頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-16二、三相橋式全控有源逆變電路1、變流器工作于逆變狀態(tài)（ 2 ） Ud 0 , E 0 ，Ud E第16頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-172、三相橋式電路逆變電壓的計(jì)算 變流器直流側(cè)電壓計(jì)算公式 考慮換相重疊角 其它的電量，如負(fù)載電流平均值、晶閘管電流平均值和有效值，變壓器的容量計(jì)算等，均可按照整流電路的計(jì)算原則進(jìn)行 。cosU34. 2cos2.34UU22ddBIx3cosU3

9、4. 2U2d262coscos(UIx)dB第17頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-18三、逆 變 失 敗及最小逆變角的限制 1、定義 逆變運(yùn)行時(shí)，一旦發(fā)生換相失敗，整流電路就由逆變工作狀態(tài)進(jìn)入整流工作狀態(tài)，使輸出平均電壓Ud和直流電勢(shì)變成順向串聯(lián)，或者使外接直流電勢(shì)通過SCR電路形成短路，這種情況稱為逆變失敗，或稱為逆變顛覆。第18頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-192、逆變失敗的原因（1）觸發(fā)脈沖丟失T2的觸發(fā)脈沖ug2丟失以三相半波可控電路為例第19頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-202、逆變失敗的原因（續(xù)）（2）觸發(fā)脈沖延遲T2的觸發(fā)脈沖ug2延遲第20頁(yè)/共47頁(yè)2

10、021-11-17 4-21（3）晶閘管發(fā)生故障（指晶閘管失去阻斷能力或失去導(dǎo)通能力）T3失去阻斷能力2、逆變失敗的原因（續(xù)）第21頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-22（4）換相的裕量角不足2、逆變失敗的原因（續(xù)）第22頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-23（5）交流電源發(fā)生異常現(xiàn)象，如 交流電源突然斷電 交流電源電壓太低 交流電源缺相 不論什么原因，逆變失敗的后果都是造成電流急劇上升！2、逆變失敗的原因（續(xù)）第23頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-243、避免逆變失敗的措施（1）預(yù)防措施 采用可靠的觸發(fā)電路，保證觸發(fā)脈沖不丟失、不延遲； 選用有足夠阻斷能力的SCR，防止誤導(dǎo)通；

11、 逆變角 不能太小，必須限制在某一允許的最小角度內(nèi)。（2）保護(hù)措施：裝快速熔斷器或快速開關(guān)；第24頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-254、確定最小逆變角 min 的依據(jù)（1）最小逆變角 min = + + : 換相重疊角（約為1520 ） : 恢復(fù)阻斷角SCR的關(guān)斷時(shí)間 tq 折合的電角， = tqtq約為200300s，折算成電角度約45 : 安全裕量角（一般取10 ）最小逆變角min一般可取3035。角越大，逆變?cè)娇煽?，但功率因?shù)越低！第25頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-26例4-1 三相全控橋式整流電路接阻感反電勢(shì)負(fù)載。已知整流變壓器副邊線電壓 UAB=220V，交流側(cè)電感

12、LB=0.5mH，R=2，E= -290V， =150，=100 ，Ld足夠大，求直流端電壓、電流和交流電源的功率因數(shù)。解：交流側(cè)電抗為 輸出直流平均電壓為 輸出電壓又可表示為)(157. 0105 . 01003BBLxdBABdddIxUUUU26150cos35. 1cos0 ERIUdd第26頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-27例 4-1（續(xù)）負(fù)載側(cè)的功率為負(fù)載功率為負(fù)值，表明負(fù)載側(cè)實(shí)際是發(fā)出電能回饋到電網(wǎng)。所以交流電源的功率因數(shù)為)(396026.155 .259WIUPddd83. 077.4744396022026.153233960SPd)(5 .259290226.15

13、)(26.1515. 022 .25729026150cos35. 1)26(150cos35. 1VERIUAxRUEIxRIUEddBABdBdAB所以第27頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-28例4-2 三相半波整流電路如圖例4.2所示，已知電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定的發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，濾波電抗Xd足夠大，輸出電流連續(xù)而平直，電樞回路總電阻Ra0.5，電機(jī)端壓Ua220V，變壓器副邊相電壓U2220V，交流側(cè)換流電抗XB0.21。試完成下列要求： 1說明圖中整流器輸出電壓U Ud d和電動(dòng)機(jī)端電壓U Ua a的極性；2 2說明變流器控制角的調(diào)節(jié)范圍；3 3如何調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)強(qiáng)度？4 4當(dāng)制動(dòng)電流I

14、 Ia a103A103A時(shí)，系統(tǒng)向交流電網(wǎng)回饋的功率有多大？此時(shí)變流器的逆變角為多少？第28頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-29例 4-2（續(xù)）解： 1. 由于電機(jī)處于穩(wěn)定的再生制動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)向交流電網(wǎng)回饋電能 ，而晶閘管不能逆向?qū)娏?，?jù)此可以確定整流器輸出電壓Ud和電動(dòng)機(jī)端電壓Ua的極性為下“+”上“-”。 2. 逆變工作時(shí)控制角的理論范圍是90180 ，為防止逆變顛覆，有最小逆變角min限制，即控制角有最大值max的限制。min 受換流電流、交流側(cè)換相電抗及元件關(guān)斷時(shí)間的影響，min 大約在35 左右。因此逆變工作時(shí)控制角的范圍大致是90150 。 第29頁(yè)/共47頁(yè)2021

15、-11-17 4-30例 4-2（續(xù)）解：4VRIUUaaad5 .1685 . 0103220kWIUPadd36.171035 .168VIxUUaBd5 .16823cos17. 12BaxIU,21 .52負(fù)號(hào)說明電網(wǎng)吸收電功率 代入 得 ：3. 通過調(diào)節(jié) 角來調(diào)節(jié)制動(dòng)強(qiáng)度，當(dāng) 較大時(shí)，變流器輸出逆變電壓較小，制動(dòng)電流大，制動(dòng)力就強(qiáng)，反之亦然。第30頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-31 高壓直流輸電4. 3 有源逆變的應(yīng)用兩組晶閘管變流器的交流側(cè)分別與兩個(gè)交流系統(tǒng)u u1 1、u u2 2連接，變流器的直流側(cè)相互關(guān)聯(lián)。 通過分別控制兩個(gè)變流器的工作狀態(tài)，就可控制功率的流向。 在送

16、電端，變流器工作于整流工況，在受電端變流器工作于逆變工況。 第31頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-32 繞線式異步電動(dòng)機(jī)晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子在不同的轉(zhuǎn)速下感應(yīng)出轉(zhuǎn)差頻率的電壓，經(jīng)一組不控的三相橋式變流器變成直流電壓， 此電壓再經(jīng)一組全控橋式變流器實(shí)現(xiàn)有源逆變，把電能（轉(zhuǎn)差功率）饋送回電網(wǎng)中去， 改變逆變角的大小，即可改變饋送回電網(wǎng)電能的多少，從而達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 第32頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-33 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)第一象限，變流器的控制角 1900，Ud1E，整流狀態(tài)，電機(jī)正轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)行； 第二象限，變流器的控制角 900，UdE，有源逆變狀態(tài)，電機(jī)正轉(zhuǎn)發(fā)電制動(dòng)

17、機(jī)運(yùn)行； 第三象限，變流器的控制角 900， UdE，整流狀態(tài)，電機(jī)反轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)行； 第四象限，變流器的控制角 1900，Ud1E，有源逆變狀態(tài)，電機(jī)反轉(zhuǎn)發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行。 第33頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-344. 4 變流電路的功率因數(shù)及改善方法一、變流電路的功率因數(shù)1、定義 變流電路電網(wǎng)側(cè)有功功率與視在功率之比。2、計(jì)算方法1 = P/ S 若忽略變流電路損耗，P應(yīng)等于整流負(fù)載功率。第34頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-353、計(jì)算方法2 = cos cos ：相位移系數(shù)（基波的有功功率與基波的視在功率之比） : 電流畸變系數(shù)（基波電流有效值與總電流有效值之比），即： =I1/

18、I第35頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-36例：?jiǎn)蜗嗳貥蚴诫娐饭β室驍?shù)計(jì)算 計(jì)算方法1cos9 . 0/cos9 . 0/cos9 . 0cos2222220ddddddddddIUIUSPIUIUSIUIUIUP第36頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-37例：?jiǎn)蜗嗳貥蚴诫娐饭β室驍?shù)計(jì)算 計(jì)算方法2cos9 . 0 tttIid5sin513sin31sin4119 . 09 . 024IIIIdd9 . 011II第37頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-38二、功率因數(shù)的改善方法1、全控變流器的半控工作狀態(tài)（提高基波功率因數(shù)） 整流波形 逆變波形第38頁(yè)/共47頁(yè)2021-

19、11-17 4-392、強(qiáng)迫換相（1）熄滅角控制（使基波電流超前電壓，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)有利）第39頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-402、強(qiáng)迫換相（續(xù)）（2）對(duì)稱角控制（使基波功率因數(shù)=1）第40頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-412、強(qiáng)迫換相（續(xù)）（3）脈沖寬度控制（使基波功率因數(shù)=1，同時(shí)提高電流畸變系數(shù)）第41頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-423、串聯(lián)變流器的順序控制（主要是提高基波功率因數(shù)）第42頁(yè)/共47頁(yè)2021-11-17 4-43課 堂 思 考 1、下列電路中能用于有源逆變的有：(1) 單相橋式全控整流電路(2) 單相橋式半控整流電路(3) 單相橋式不可控整流電路(4) 三相橋式全控整流電路(5) 三相橋式半控整流電路(6) 三