有源逆變電路教材

1、 第四章 有源逆變電路內(nèi)容提要與目的要求1了解逆變的概念，掌握逆變的條件。2掌握三相半波、三相全控橋式逆變電路的工作原理和波形分析。3掌握U =f()的關(guān)系及有關(guān)參數(shù)計算。d4掌握逆變失敗的原因和最小逆變角 限制。min5了解有源逆變應(yīng)用（有環(huán)流反并聯(lián)可逆系統(tǒng)、無環(huán)流反并聯(lián)可逆系統(tǒng)）。第一節(jié)逆變的概念一、整流與逆變1整流 把交流電變成直流電的過程稱為整流。2逆變 把直流電變成其他頻率交流電的過程稱為逆變。3逆變分類 有源逆變和無源逆變1）有源逆變 把直流電逆變成交流電反送電網(wǎng)，稱為有源逆變。2）無源逆變 把直流電逆變成交流電供給負載，稱為無源逆變。在實際應(yīng)用中，有源逆變主要用于直流電動機的可逆

2、調(diào)速，繞線式異步電動機的串級調(diào)速，高壓直流輸電等。蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當需要這些電源向交流負載供電時，就需要無源逆變電路，無源逆變電路的應(yīng)用非常廣泛。二、G-M 發(fā)電機電動機機組的能量轉(zhuǎn)換功率的傳遞兩個直流電源 E 和 E 可有三種相連的電路形式，如圖 3-1 所示。12a) 兩電源同極性相接圖 3-1b) 兩電源同極性另一接法c) 兩電源反極性相接兩直流電源間的功率傳遞圖 3-1a 兩電源同極性相接，設(shè) E E ，電流 I 從 E 流向 E ，大小為1212E EI (3-1)12R式中 R 為回路總電阻。電源 E 發(fā)出的功率 P =E I，電源 E 吸取的功率 P =

3、 E I，電阻111222消耗的功率 P =（E E ）I = I2R。R12圖 3-1b 是將兩電源極性反過來，同時 E E ，則電流方向不變，但功率反送。21圖 3-1c 則為兩電源反極性相連，這時電流大小為E EI (3-2)12R1 / 10 相當于兩個電源順極性相接向電阻 R 供電，此時兩電源都輸出功率，P =E I，P =E I；電阻1122上消耗的功率 P =（E +E ）I。如果電阻R 僅為回路電阻，數(shù)值很小，則會形成很大的電流R1I，實際上相當于兩個電源間短路。2由上述分析可得以下結(jié)論：1) 電流從電源正極端流出者輸出功率，電流從電源正極端流入者為吸收功率。2) 兩個電源同極

4、性相連，電流總是從電勢高的電源流向電勢低的電源，電流大小取決于兩電勢之差和回路電阻。如果回路電阻很小，盡管兩電勢之差不大，也可以產(chǎn)生足夠大的電流，使兩電源間交換很大的功率。3) 兩電源反極性相連時，電勢數(shù)值相加，若回路電阻很小，則形成短路。實際應(yīng)用中要避免發(fā)生這種情況。三、單相雙半波逆變工作狀態(tài)分析有源逆變的工作原理圖 3-2 為兩組單相全控橋式電路，通過開關(guān) S 與直流電機負載相接。假若 S 擲向 1 位置，組晶閘管的控制角 90，電路工作在整流狀態(tài)，輸出波形如圖 3-2b 所示。輸出電壓 U 上正下負，電動機作電動運行，流過電樞的電流為 i ，電動機的反電勢E 上正下d1負。這時交流電源通

5、過晶閘管裝置供出功率，電動機吸收功率。這相當于圖3-1a 所示情況。當開關(guān) S 快速擲向 2，由于機械慣性，電動機的電動勢E 不變，仍為上正下負，同時給組晶閘管加觸發(fā)脈沖，使 90，輸出電壓 U 下正上負，則形成兩電源順極性相連，d因回路的電阻很小，將產(chǎn)生很大電流，相當于短路事故，這是不允許的。這就是圖 3-1c 所示情況。因此，當開關(guān) S 擲向 2 時，應(yīng)同時使單相全控橋電路的控制角 調(diào)整到大于 90，這時輸出電壓為 U =U cos , 因 90，U 為負值，極性為上正下負，且使U E，仍假若電動機轉(zhuǎn)速暫不變，因而E 也不變，晶閘管在 E 和 U 的作用下導(dǎo)通，產(chǎn)生電dd0dd2流 I 。

6、此時電動機供出能量，運行在發(fā)電制動狀態(tài)，晶閘管裝置吸收能量送回電網(wǎng)。這就是2有源逆變，與圖 3-1b 所示情況一樣。a)單相橋式電路b)整流工作波形c) 逆變工作原理圖 3-2 單相橋式電路的整流與逆變原理2 / 10 由圖 3-2b 中波形可見，單相全控橋式電路工作在逆變時的輸出電壓控制原理與整流時相同，只是控制角 大于 90，表示為U =0.9U cosd2為計算方便起見，引入逆變角 ，令 = ，用電角度表示時為 =180 ，所以U =0.9U cos =0.9U cos（180 ）d22=0.9U cos(3-3)2逆變角為 時的觸發(fā)脈沖位置可從 =180時刻向左移 來確定。由以上分析可

7、見，在有源逆變時，晶閘管在交流電源的負半周導(dǎo)通的時間較長，即輸出u 電壓波形負面積大于正面積，電壓平均值 U 0,直流平均功率的傳遞方向是由電動機返dd送到交流電源；當裝置工作在整流時，為正面積大于負面積，平均電壓 U 0 ,直流平均d功率的傳遞方向是交流電源經(jīng)變流器送往直流負載。所以同一套變流裝置當 90時工作在整流狀態(tài)；當 90時，工作在逆變狀態(tài)；當 = = 90時，輸出電壓平均值 U =0，d電流 I 也為零，交直流兩側(cè)無能量交換。d實現(xiàn)有源逆變的條件：1) 外部條件 變流裝置的直流側(cè)必須外接有電壓極性與晶閘管導(dǎo)通方向一致的直流電源 E，且 E 的數(shù)值要大于 U 。d2) 內(nèi)部條件 變流

8、器必須工作在 90（ 90）區(qū)間，使 U 0，才能將直流d功率逆變?yōu)榻涣鞴β史邓碗娋W(wǎng)。3)為了保證變流裝置回路中的電流連續(xù)，逆變電路中一定要串接大電抗。不能實現(xiàn)有源逆變的電路：凡具有續(xù)流作用，不能輸出負U 波形的電路，均不能實現(xiàn)有源逆變。對于半控橋式晶閘d管電路或直流側(cè)并接有續(xù)流二極管的電路，不可能輸出負電壓，所以不能實現(xiàn)有源逆變。第二節(jié) 三相有源逆變電路常用的有源逆變電路除單相全控橋可控電路外，還有三相半波和三相全控橋電路等。由于有源逆變是將直流電變?yōu)榻涣麟姺邓碗娋W(wǎng)，電路中既有直流電，又有交流電，控制逆變工作的開關(guān)元件受兩種電壓的疊加作用。傳統(tǒng)的有源逆變電路開關(guān)元件通常采用普通晶閘管，但近年

9、來研制出的可關(guān)斷晶閘管除具有普通晶閘管的優(yōu)點外，還具有自關(guān)斷能力，而且工作頻率高，在逆變電路的應(yīng)用中，大有取代普通晶閘管的趨勢。一、三相半波有源逆變電路圖 3-4 a 為三相半波有源逆變電路，電動機電動勢E 的極性符合有源逆變的條件，晶閘管 VT 、VT 、VT 的控制角 必須大于 90，即 90，當EU 時，由于電135路中接有大電感，電路可工作在有源逆變狀態(tài)，變流器輸出的直流電壓為dU = U cos = -U cos = -1.17U cos(3-4)dd0d0公式中輸出電壓為負，說明電壓的極性與整流時相反。輸出直流電流平均值的計算公式為2E UI dd（3-5）R式中 R 回路的總電阻

10、。3 / 10 a) 三相半波有源逆變電路b) 工作波形分析圖 3-4 三相半波有源逆變電路及工作波形下面以 30為例分析其工作過程。當 30時，給 VT 觸發(fā)脈沖，見圖 3-4 b 所1示，此時U 相電壓 U 0，但是整個電路中，VT 晶閘管承受正向電壓 E，滿足晶閘管導(dǎo)通A1條件，VT 導(dǎo)通。由 E 提供能量，有電流 I 流過晶閘管 VT ，輸出電壓波形 u =u 。由于有1d1dA相互間隔 120的脈沖輪流觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管，因此就得到了圖3-4b 中有陰影部分的 U 電d壓波形，其直流平均電壓 U 為負值，由于接有大電感 L ，因而 i 為平直連續(xù)的直流電流dddI 。d逆變電路與整流電

11、路一樣，晶閘管的關(guān)斷是靠承受反壓或電壓過零地來實現(xiàn)的，圖 3-4b中當 30時，觸發(fā)VT ，因此時VT 已導(dǎo)通，VT 承受 U 正向電壓，故 VT 具備了導(dǎo)11AC1通條件。一旦 VT 導(dǎo)通后，若不考慮換相重疊角的影響，則 VT 承受反向電壓 u 而被迫關(guān)1CA斷，完成了由 VT 向 VT 的換相過程。其它晶閘管的換相過程可以此類推。31逆變時晶閘管兩端電壓波形的畫法與整流時一樣。如圖 3-4c 所示畫出了 =30時 VT1管承受的電壓波形 u .在一個周期內(nèi)導(dǎo)通 120，緊接著后面的 120內(nèi) VT 導(dǎo)通，VT 關(guān)T11斷，VT 承受 u 電壓，最后 120內(nèi) VT 導(dǎo)通，VT 承受 u 電

12、壓。由波形可見，逆變時1AB1AC總是正面積大于負面積，當 =0時正面積最大；而整流時晶閘管兩端的電壓波形總是負面積大于正面積；只有當 = 時，正負面積才相等。晶閘管可能承受的最大正反向電壓也6U為。2二、三相全控橋有源逆變電路4 / 10 a) 三相全控橋帶電動機負載的電路圖 3-5 三相橋式逆變電路b) =60時的 U 波形d圖 3-5a 為三相全控橋帶電動機負載的電路，當 90時，電路工作在整流狀態(tài)；當 90時，電路工作在逆變狀態(tài)。晶閘管的控制過程與三相全控橋整流電路原理相同，只是控制角 的移相范圍為 180，輸出直流電壓的計算公式分別為整流時：U = U cos =2.34U cos(

13、當 90(3-6)dd02逆變時：U = U cos =2.34U cos =-2.34U cos(當 90 90(3-7)dd022圖 3-5b 為 =60時的 U 波形。d第三節(jié) 逆變失敗與最小逆變角限制逆變失敗 逆變失敗是指某種原因造成的外加直流電源通過變流器形成的短路或順向串聯(lián)。工作在有源逆變狀態(tài)時，若出現(xiàn)輸出電壓平均值與直流電源 E 順極性串聯(lián)，必然形成很大的短路電流流過晶閘管和負載，造成事故。這種現(xiàn)象稱為逆變失敗或逆變顛復(fù)。一、逆變換相分析由于整流變壓器漏抗 L 的存在，電流不能突變，使得換相過程中的兩只晶閘管同時導(dǎo)B通，產(chǎn)生了換相重疊角。逆變電路換相期間的 U 波形多出一塊負面積

14、，使輸出電壓平均值d略有增加。換相重疊角 對逆變電路有很大影響，如予忽略，就會造成逆變失敗。1 在 角度內(nèi)完成了換相，逆變器正常工作。2 在 角度內(nèi)沒有完成換相，換相失敗，逆變器不能正常工作。二、逆變失敗的原因造成逆變失敗的原因主要有：1觸發(fā)脈沖丟失2快熔熔斷造成電源缺相3晶閘管突然損壞或誤觸發(fā)4逆變角 調(diào)節(jié)的過小防止逆變失敗的措施是：對逆變裝置所用晶閘管參數(shù)和性能進行合理選擇，并設(shè)置的過壓過流保護環(huán)節(jié)，觸發(fā)電路工作一定要安全可靠，輸出的觸發(fā)脈沖逆變角最小值要嚴格加以限制。三、 逆變角限制min確定逆變角最小值1. 換相重疊角應(yīng)考慮以下因素：min此值與整流變壓器漏抗、變流器接線型式以及工作電

15、流都有關(guān)系。若逆變角 小于換相重疊角 ，就會造成逆變失敗?？捎蓤D 3-3 加以說明。5 / 10 a) 三相半波有源逆變電路b) 小于 造成逆變失敗圖 3-3 有源逆變換流失敗波形從圖中放大的圓內(nèi)部分可見，觸發(fā)脈沖在 t 處發(fā)出后，使 u 和 u 兩相所接的晶閘管1ABVT 、VT 同時導(dǎo)通，即出現(xiàn)換相過程，到u 和 u 兩相電壓交點 t 處，換相沒有結(jié)束，一13AB2直延續(xù)到 t ，此時 u u ，VT 晶閘管關(guān)不斷，VT 不能導(dǎo)通，逆變失敗。一般 角應(yīng)3AB13考慮 1525電角度。2. 晶閘管關(guān)斷時間 t 所對應(yīng)的角度q0t 的大小由管子參數(shù)決定，一般約為 200300 s，對應(yīng)的電角度

16、為 46。q3. 安全裕量角考慮觸發(fā)脈沖間隔不均勻、電網(wǎng)波動、畸變與溫度的影響，還必須留有一個安全裕量角，一般取 為 10左右。綜合以上因素，最小逆變角為 + + 3035min0為了防止觸發(fā)脈沖進入?yún)^(qū)內(nèi)，可在觸發(fā)電路中加一保護電路，使得調(diào)整 角減小min時，不能進入?yún)^(qū)內(nèi)；也可以在處設(shè)置產(chǎn)生附加安全脈沖的裝置，此脈沖位置固定，minmin一旦工作脈沖移入?yún)^(qū)內(nèi)，則安全脈沖保證在處發(fā)出觸發(fā)晶閘管，防止逆變失敗。minmin第四節(jié) 逆變工作狀態(tài)時的機械特性一、電流連續(xù)時電動機的機械特性整流時：U = 2.34U cosd2逆變時：U = U cosdd0二、電流斷續(xù)時電動機的機械特性1機械特性2理想

17、空載轉(zhuǎn)速3電流斷續(xù)特性變軟的原因4最小連續(xù)電流第五節(jié) 有源逆變應(yīng)用電路6 / 10 一、直流可逆拖動可逆拖動分類反磁場反電樞 有環(huán)流反并聯(lián)可逆系統(tǒng)無環(huán)流反并聯(lián)可逆系統(tǒng)1有環(huán)流反并聯(lián)可逆系統(tǒng)圖 3-6 所示為兩組變流電路反并聯(lián)組成的直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)。兩組電路由同一交流電源供電，采用反并聯(lián)連接，即一組晶閘管的電流流出端接另一組晶閘管的電流流入端。若工作中兩組變流器只允許一組晶閘管處于工作狀態(tài)，另一組晶閘管脈沖封鎖處于阻斷狀態(tài)，即始終只有一組晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，這種控制方式稱為邏輯無環(huán)流控制；若兩組晶閘管同時都有觸發(fā)脈沖作用，處于連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，這時兩組之間出現(xiàn)交流環(huán)流，稱為有環(huán)流系統(tǒng)。該系統(tǒng)可使電

18、動機實現(xiàn)四象限運行，當由一種運行狀態(tài)變?yōu)榱硪环N運行狀態(tài)時，負載電流的反向是連續(xù)變化的，動態(tài)性能比較好。該裝置一般用于中小容量的可逆拖動系統(tǒng)。下面具體分析其工作原理。a) 單相全波b) 三相半波c) 單相橋式d) 三相橋式圖 3-6 兩組變流器反并聯(lián)的直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)工作時，為了防止兩組變流器之間出現(xiàn)直流環(huán)流，特別設(shè)置為當一組工作在整流狀態(tài)時，另一組必須工作在有源逆變狀態(tài)，且 = ，由式（3-3）和式（3-4）可以看出，這樣使得兩組直流側(cè)電壓大小相等方向相反。我們將這一運行方式稱為 = 工作制。工作過程中，觸發(fā)脈沖的安排如下：當控制電壓U =0 時，使、兩組變流器的控制角均為90，即c=

19、= 90，則電動機轉(zhuǎn)速為零。增大 U ，使組變流器觸發(fā)脈沖左移，即 90，c進入整流狀態(tài)，同時使組變流器觸發(fā)脈沖右移相同角度使 90，進入待逆變狀態(tài)(此時沒有電能返送電源）。由于交流電源通過組變流器向電動機供出能量，電動機電動正轉(zhuǎn)。要使 電動機反轉(zhuǎn)，只要使 U 減小，組的控制角 與組的逆變角 同時逐漸增大，c7 / 10 則兩組變流器的直流電壓 U 、U 立即減小。由于電動機具有機械慣性，電動勢E 還末來dd得及變化，出現(xiàn) E U = U ，E 給組變流器以反向電壓，給組變流器以正向電壓，dd使組變流器滿足有源逆變條件而導(dǎo)通，從待逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)為逆變狀態(tài)，電動機電流反向，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使電動機轉(zhuǎn)速

20、降低。繼續(xù)增大 和 ，使 E 始終稍大于 U ，電動機在減速d過程中一直產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)快速制動。在這一過程中， 組變流器雖輸出直流電壓U 為正，但 E U ,所以沒有直流輸出，這種狀態(tài)稱為待整流狀態(tài)（沒有電能送給電動dd機）。繼續(xù)增大組和組的控制角，使 90即 90,則組變流器轉(zhuǎn)入待逆變狀態(tài)；組變流器因 90進入整流狀態(tài)，直流電壓改變極性，電動機反轉(zhuǎn)。同樣我們可以分析其它運行狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程，所以在 = 工作制中，改變兩組變流器的控制角可以實現(xiàn)四象限運行，如圖 3-7 所示。圖 3-7兩組反并聯(lián)可逆系統(tǒng)四象限運行圖該系統(tǒng)工作時，兩組變流器之間雖不存在直流環(huán)流，但存在著交流環(huán)流， 限制反并聯(lián)系

21、統(tǒng)環(huán)流的辦法是加電抗器，因橋式電路有兩條環(huán)流通路，所以必須設(shè)置四只限制環(huán)流的電抗器，見圖 3-6d 中的 L L 。這是因為工作時只有一組變流器通過電動機負載電流，接在14該組兩端的兩只電抗器已經(jīng)或接近飽和，起不到限制環(huán)流的作用，須由另外兩只電抗器分別限制上下兩側(cè)交流環(huán)流。此外與電動機串接的電抗器L 是為了使流過負載的電流平滑連續(xù),d稱為平波電抗器。2無環(huán)流反并聯(lián)可逆?zhèn)鲃用}沖切換原則二、繞線式異步電動機的串級調(diào)速三相繞線式異步電動機起動轉(zhuǎn)矩大，并可在一定的范圍內(nèi)調(diào)速，在需要重負荷起動的場合應(yīng)用較多。但傳統(tǒng)的調(diào)速方法是在轉(zhuǎn)子回路中串接三相電阻，用改變電阻值的方法進行調(diào)速。這種方法使得設(shè)備的體積大

22、，且有大量的電能消耗在電阻上，現(xiàn)在已逐漸被淘汰，改用在轉(zhuǎn)子回路中引入附加電動勢來實現(xiàn)調(diào)速，這就是串級調(diào)速。繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子電動勢的大小和頻率都與其轉(zhuǎn)速有關(guān)，若在轉(zhuǎn)子回路中串接與轉(zhuǎn)子電動勢頻率一致、相位相反的交流附加電動勢進行調(diào)速，實現(xiàn)起來技術(shù)復(fù)雜、價格昂貴，因此通常采用將轉(zhuǎn)子電動勢整流為直流，引入直流附加反電動勢并進行調(diào)節(jié)的辦法實現(xiàn)調(diào)速。圖 3-8 為串級調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖。8 / 10 圖 3-8串級調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖圖中繞線式異步電動機定子繞組通過自動開關(guān)QS 和交流接觸器 KM 接電源，轉(zhuǎn)子繞組1通過接觸器 KM 接有頻敏變阻器，起動時KM 接通頻敏變阻器，以限制起動電流。起動后22斷開 KM ，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)過二極管整流電路將交流電動勢變?yōu)橹绷鳌?繞線式異步電動機工作時轉(zhuǎn)子線電動勢可表示為E =sE(3-8)2l20式中 E 轉(zhuǎn)子開路線電動勢（轉(zhuǎn)速 n=0)20s 電機的轉(zhuǎn)差率。將轉(zhuǎn)子線電動勢經(jīng)三相橋式不可控整流得到直流電壓U = 1.35E(3-9)d2L由晶閘管 VT VT 組成的有源逆變電路將轉(zhuǎn)子能量返送電網(wǎng)，逆變電壓U 即為引入的反16d電動勢。當電動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，忽略直流回路電阻，則