第3章整流電路的有源逆變

1、3.7 整流電路的有源逆變工作狀態(tài)整流電路的有源逆變工作狀態(tài) 3.7.1 逆變的概念逆變的概念 3.7.2 三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài) 3.7.3 逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失敗與最小逆變角的限制 3.7.1 逆變的概念逆變的概念1、什么是逆變？為什么要逆變？什么是逆變？為什么要逆變？ 逆變（逆變（invertion）：把直流電轉(zhuǎn)變成交流電的：把直流電轉(zhuǎn)變成交流電的過(guò)程。過(guò)程。 逆變電路：把直流電逆變成交流電的電路。逆變電路：把直流電逆變成交流電的電路。 當(dāng)交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)時(shí)，為當(dāng)交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)時(shí)，為有源逆變有源逆變電路。電路。 變流電路的交流側(cè)不與

2、電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)載，即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率到負(fù)載，即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負(fù)載，稱為的交流電供給負(fù)載，稱為無(wú)源逆變無(wú)源逆變。 對(duì)于對(duì)于可控整流電路可控整流電路，滿足一定條件就可工作于，滿足一定條件就可工作于有源逆變有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件，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)，稱轉(zhuǎn)變。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱為為變流電路變流電路。3.7.1 逆變的概念逆變的概念2、直流發(fā)電機(jī)、直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)圖圖3-46 直流發(fā)電機(jī)直流

3、發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)a）兩電動(dòng)勢(shì)同極性）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EGEM直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn) M作作電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，EGEM，電流，電流Id從從G流流向向M，電能由，電能由G流向流向M，轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)闉镸軸上輸出軸上輸出的機(jī)械能的機(jī)械能。 回饋制動(dòng)回饋制動(dòng)狀態(tài)中，狀態(tài)中，M作發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)，作發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)，EMEG，電流反向，從電流反向，從M流向流向G， M軸上輸入的機(jī)械軸上輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒o能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒oG。 圖圖3-46 直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)b）兩電動(dòng)勢(shì)同極性）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EMEG 兩電動(dòng)

4、勢(shì)兩電動(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)順向串聯(lián)，向電阻，向電阻R供電，供電，G和和M均輸出功率，均輸出功率，由于由于R一般都很小，實(shí)際上形成短路，在工作中必須嚴(yán)防一般都很小，實(shí)際上形成短路，在工作中必須嚴(yán)防這類事故發(fā)生。這類事故發(fā)生。 兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)同極性相接同極性相接時(shí)，電流總是從電動(dòng)勢(shì)高的流向時(shí)，電流總是從電動(dòng)勢(shì)高的流向電動(dòng)勢(shì)低的，由于回路電阻很小，即使很小的電動(dòng)勢(shì)差值電動(dòng)勢(shì)低的，由于回路電阻很小，即使很小的電動(dòng)勢(shì)差值也能產(chǎn)生大的電流，使兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)之間交換很大的功率，也能產(chǎn)生大的電流，使兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)之間交換很大的功率，這對(duì)分析有源逆變電路是十分有用的。這對(duì)分析有源逆變電路是十分有用的。 圖圖3-46 直流

5、發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)c）兩電動(dòng)勢(shì)反極性，形成短路）兩電動(dòng)勢(shì)反極性，形成短路3.7.1 逆變的概念逆變的概念EMuuua)b)u10udu20u10aOOw wtIdidUdEM10ud2010OOIdidUd /2，使，使Ud為負(fù)值。為負(fù)值。 兩者必須同時(shí)具備才能實(shí)現(xiàn)有源逆變。兩者必須同時(shí)具備才能實(shí)現(xiàn)有源逆變。不能產(chǎn)生有源逆變的電路：不能產(chǎn)生有源逆變的電路： 半控橋或有續(xù)流二極管的電路半控橋或有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓，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)，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變，欲實(shí)現(xiàn)有

6、源逆變，動(dòng)勢(shì)，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變，欲實(shí)現(xiàn)有源逆變，只能采用只能采用全控電路全控電路。3.7.2 三相橋整流電路的有源逆變工作狀三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)態(tài)uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb =4b =3b =6b =4b =3b =6wt1wt3wt2圖圖3-48 三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)的電壓波形三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)的電壓波形 逆變角逆變角 通常把通常把a(bǔ) a /2時(shí)的控制角用時(shí)的控制角用 -a a=b

7、 b表示，表示，b b稱為逆變角稱為逆變角。 b b的大小自的大小自b b=0的起始點(diǎn)向的起始點(diǎn)向左方左方計(jì)量。計(jì)量。 三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)，不同逆變角時(shí)的輸出電壓波形及晶閘三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)，不同逆變角時(shí)的輸出電壓波形及晶閘管兩端電壓波形如圖管兩端電壓波形如圖3-48所示。所示。 3.7.2 三相橋整流電路的有源逆變工作狀三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)態(tài)IIIddVT577. 03REUIMdd基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 三相橋式電路的輸出電壓三相橋式電路的輸出電壓Ud=-2.34U2cosb b=-1.35U2lLcosb b輸出直流電流的平均值輸出直流電流的平均

8、值 流過(guò)晶閘管的電流有效值流過(guò)晶閘管的電流有效值從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為變壓器二次側(cè)線電流的有效值變壓器二次側(cè)線電流的有效值 當(dāng)逆變工作時(shí)，由于當(dāng)逆變工作時(shí)，由于EM為負(fù)值，故為負(fù)值，故Pd一般為負(fù)值一般為負(fù)值，表示功率由直流電，表示功率由直流電源輸送到交流電源。源輸送到交流電源。 (3-105)(3-106)(3-107)(3-108)IEIRPdMdd2IIIIddVT816. 032223.7.3 逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失敗與最小逆變角的限制逆變運(yùn)行時(shí)，逆變運(yùn)行時(shí)，一旦發(fā)生換相失敗，一旦發(fā)生換相失敗，外接的直流電外接的直流電源就會(huì)通

9、過(guò)晶閘管電路形成短路，源就會(huì)通過(guò)晶閘管電路形成短路，或者使變流器或者使變流器的輸出平均電壓和直流電動(dòng)勢(shì)變成順向串聯(lián)，的輸出平均電壓和直流電動(dòng)勢(shì)變成順向串聯(lián)，由由于逆變電路的內(nèi)阻很小，形成很大的短路電流，于逆變電路的內(nèi)阻很小，形成很大的短路電流，這種情況稱為這種情況稱為逆變失敗逆變失敗，或稱為，或稱為逆變顛覆逆變顛覆。逆變失敗的原因逆變失敗的原因 1）觸發(fā)電路觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時(shí)、準(zhǔn)工作不可靠，不能適時(shí)、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時(shí)等，致使晶閘管不能正常換相。脈沖延時(shí)等，致使晶閘管不能正常換相。 2）晶閘管晶閘管發(fā)生故障，該斷時(shí)不斷，

10、或該發(fā)生故障，該斷時(shí)不斷，或該通時(shí)不通。通時(shí)不通。 3）交流電源交流電源缺相或突然消失。缺相或突然消失。 4）換相的換相的裕量角裕量角不足，引起換相失敗。不足，引起換相失敗。3.7.3 逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失敗與最小逆變角的限制udOOidwtwtuaubucuaubpbgb giVT1iVTiVT3iVTiVT322考慮變壓器漏抗引起重疊角考慮變壓器漏抗引起重疊角對(duì)對(duì)逆變電路換相的影響逆變電路換相的影響 以以VT3和和VT1的換相過(guò)程來(lái)分析，的換相過(guò)程來(lái)分析，在在b bg g時(shí)，經(jīng)過(guò)換相過(guò)程后，時(shí)，經(jīng)過(guò)換相過(guò)程后，a相電相電壓壓ua仍高于仍高于c相電壓相電壓uc，所以換相結(jié)，所以換

11、相結(jié)束時(shí)，能使束時(shí)，能使VT3承受反壓而承受反壓而關(guān)斷關(guān)斷。 當(dāng)當(dāng)b bg g時(shí)，換相尚未結(jié)束，電路時(shí)，換相尚未結(jié)束，電路的工作狀態(tài)到達(dá)自然換相點(diǎn)的工作狀態(tài)到達(dá)自然換相點(diǎn)p點(diǎn)之后，點(diǎn)之后，uc將高于將高于ua，晶閘管，晶閘管VT1承受反壓而承受反壓而重新重新關(guān)斷關(guān)斷，使得應(yīng)該關(guān)斷的，使得應(yīng)該關(guān)斷的VT3不能不能關(guān)斷卻繼續(xù)關(guān)斷卻繼續(xù)導(dǎo)通導(dǎo)通，且，且c相電壓隨著時(shí)相電壓隨著時(shí)間的推遲愈來(lái)愈高，電動(dòng)勢(shì)間的推遲愈來(lái)愈高，電動(dòng)勢(shì)順向串順向串聯(lián)聯(lián)導(dǎo)致逆變失敗。導(dǎo)致逆變失敗。 為了防止逆變失敗，不僅逆變?yōu)榱朔乐鼓孀兪?，不僅逆變角角b b不能等于零，而且不能太小，必不能等于零，而且不能太小，必須限制在某一允

12、許的須限制在某一允許的最小角度最小角度內(nèi)。內(nèi)。 圖圖3-49 交流側(cè)電抗對(duì)逆交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過(guò)程的影響變換相過(guò)程的影響 3.7.3 逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失敗與最小逆變角的限制udOOidw wtw wtuaubucuaubpb bg gb b g giVT1iVTiVT3iVTiVT322圖圖3-49 交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過(guò)程的影響交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過(guò)程的影響 udOOidw wtw wtubucuaubucpb bg gb b g giVT2iVTiVT1iVTiVT133圖圖3-49 交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過(guò)程的影響交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過(guò)程的影響 ua3.7.3 逆變失敗與最

13、小逆變角的限制逆變失敗與最小逆變角的限制mUXIBdgsin21cos2mUXIBdgaasin2)cos(cos2確定最小逆變角確定最小逆變角b bmin的依據(jù)的依據(jù) 逆變時(shí)允許采用的逆變時(shí)允許采用的最小逆變角最小逆變角b b應(yīng)等于：應(yīng)等于： 為晶閘管的關(guān)斷時(shí)間為晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq折合的電角度折合的電角度,約約4 5 g g為換相重疊角，為換相重疊角，可查閱相關(guān)手冊(cè)，也可根據(jù)表可查閱相關(guān)手冊(cè)，也可根據(jù)表3-2計(jì)算，即：計(jì)算，即： 根據(jù)逆變工作時(shí)根據(jù)逆變工作時(shí)a a= -b b，并設(shè)并設(shè)b b=g g，上式可改寫成：，上式可改寫成： 為安全裕量角為安全裕量角，主要針對(duì)脈沖不對(duì)稱程度（一般可達(dá)

14、，主要針對(duì)脈沖不對(duì)稱程度（一般可達(dá)5 ），約），約取為取為10 。設(shè)計(jì)逆變電路時(shí)，必須保證設(shè)計(jì)逆變電路時(shí)，必須保證 ，因此常在觸發(fā)電路，因此常在觸發(fā)電路中附加一保護(hù)環(huán)節(jié)，保證觸發(fā)脈沖不進(jìn)入小于中附加一保護(hù)環(huán)節(jié)，保證觸發(fā)脈沖不進(jìn)入小于b bmin的區(qū)域內(nèi)。的區(qū)域內(nèi)。 minbbmingb(3-109)(3-110)(3-111)27三相全控橋變流器，反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載，三相全控橋變流器，反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載，R R=1=1，L L=，U U2 2=220V=220V，L LB B=1mH=1mH，當(dāng)當(dāng)E EM M=-400V=-400V，=60 時(shí)求時(shí)求U Ud d、I Id d與與的值，此時(shí)送回電網(wǎng)

15、的有的值，此時(shí)送回電網(wǎng)的有功功率是多少？功功率是多少？解：解：由題意可列出如下由題意可列出如下3個(gè)等式：個(gè)等式： U Ud d2.342.34U U2 2cos(-cos(-) )U Ud d U Ud d-3-3X XB BI Idd I Id d（U Ud dE EM M）R R 三式聯(lián)立求解，得：三式聯(lián)立求解，得： U Ud d？I Id d？ 由下式可計(jì)算換流重疊角：由下式可計(jì)算換流重疊角： ？ 送回電網(wǎng)的有功功率為：送回電網(wǎng)的有功功率為：IEIRPdMdd22828單相全控橋，反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載，單相全控橋，反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載，R R=1=1，L L=，U U2 2=100V=100V，L LB B=0.5mH=0.5mH，當(dāng)當(dāng)E EM M=-99V=-99V，=60=60 時(shí)求時(shí)求U Ud d、I Id d和和的值。的值。解：由題意可列出如下解：由題意可列出如下3個(gè)等式：個(gè)等式： U Ud d0.90.9U U2 2cos(-)cos(-)U Ud d U Ud d-2-2X XB BI Id d I Id