電力電子技術課件有源逆變

電力電子技術課件有源逆變第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一2.兩電源之間的能量傳遞

同極性相連;EG＞EM;同極性相連;EM＞EG;反極性相連

電動運行發(fā)電運行短路第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一3.有源逆變的工作原理及條件

(1)α＜90°,輸出Ud為正值,M電動運行,EM上正下負。晶閘管裝置工作在整流狀態(tài)，供能；M吸收能量,電動運行。第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一(2)α＞90°,且使Ud＜EM，Ud與前整流時Ud極性相反，VT會導通。

M供能，工作于發(fā)電制動狀態(tài)；晶閘管裝置吸收能量，并送交流電網，實現有源逆變。

總結：在一周期內，并不是每一瞬時都進行有源逆變，只是一周期內逆變時間大于整流時間（因為α＞90°），總的來看，電路工作在有源逆變狀態(tài)。

第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一實現有源逆變的條件：

必要條件（1）要有直流電源E，且滿足E的方向為使晶閘管導通的方向及E的數值應大于變流器直流側的平均電壓；（2）要求α＞90°，使Ud為負值。

充分條件：要有足夠大的電感L，以使逆變連續(xù)進行。

逆變和整流的區(qū)別：控制角不同

0<<p

/2時，電路工作在整流狀態(tài)。

p

/2<

<

p時，電路工作在逆變狀態(tài)。問題:單相橋式全控整流電路帶阻感性負載，當工作在0<<p

/2時，是否在一個周期內都處于整流狀態(tài)？第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一討論：

以下電路哪些可以實現有源逆變？為什么？半控橋或有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現負值，也不允許直流側出現負極性的電動勢，故不能實現有源逆變。第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一2.7.2三相整流電路的有源逆變工作狀態(tài)

1.逆變角

β定義:α=π-β,即α+β=π,則β=π-α。

Ud=Udo×cosα=-Udo×cosβα、β是從兩個方向表示晶閘管的觸發(fā)時刻。

第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一2.三相半波有源逆變電路

能量傳遞關系：EM的正極流出電流，因此它提供能量，經晶閘管電路把直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔芑仞侂娋W。第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一3.三相橋式全控整流電路的有源逆變狀態(tài)

第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一計算:(以三相電路為例）

Ud、EM均為負值

EM為負值，Pd

故為負值，表示功率由直流側送交流電源

注意：在變流器中確定電網是輸入功率還是輸出功率一般從直流側來分析決定。第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一逆變時，一旦換相失敗，外接直流電源就會通過晶閘管電路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變成順向串聯，形成很大短路電流。2.7.3逆變失敗與最小逆變角的限制

逆變失敗提出的原因

整流：逆變：第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一一.失敗的原因1.觸發(fā)電路的原因

脈沖丟失、脈沖分布不均勻。2.晶閘管本身的原因3.交流電源方面的原因缺相、電源突然斷電、電網電壓波動使同步電壓波動,造成脈沖丟失。4.逆變角β太小

β＞γ(換相重疊角),正常。

若β＜γ:即β=0時換流還沒有結束，前一相繼續(xù)導通，換相失敗。第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一二.最小逆變角βmin的確定

1.考慮的因素

(1).換相重疊角γ(15°～25°),可查手冊或由公式計算。(2).晶閘管的關斷時間tq所對應的電角度δ,可達200～300μs,δ為4°～5°。(3).安全裕量θ＇,取10°。βmin=γ+δ+θ＇=(15°～25°)+（4°～5°）+10°=30°～35°2.限制方法

(1).觸發(fā)電路在β=βmin處附加一組固定脈沖。(2).逆變角保護電路

(3).Uc加限幅電路。

第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一提示：哪些地方會用到有源逆變呢？繞線轉子異步電動機的晶閘管串級調速

高壓直流輸電晶閘管直流電動機可逆拖動系統(tǒng)第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一晶閘管直流電動機系統(tǒng)——晶閘管可控整流裝置帶直流電動機負載組成的系統(tǒng)。是電力拖動系統(tǒng)中主要的一種。是可控整流裝置的主要用途之一。2.8晶閘管直流電動機系統(tǒng)

對該系統(tǒng)的研究包括兩個方面：其一是在帶電動機負載時整流電路的工作情況。其二是由整流電路供電時電動機的工作情況。本節(jié)主要從第二個方面進行分析。第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一直流電動機的四象限運行？？問題1有些場合要求電力拖動系統(tǒng)能夠提供正、反向運行并能實現快速制動，具有上述功能的系統(tǒng)，由于其機械特性分別位于四個象限，故稱具有四象限的電力拖動系統(tǒng)。？問題2他勵直流電動機改變轉向的方法？電樞反接勵磁繞組反接？問題3他勵直流電動機的制動方法？能耗制動反接制動回饋制動第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一nT0第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一指能夠控制電動機正反轉的自動控制系統(tǒng)。很多生產設備如起重提升設備、電梯、軋鋼機軋輥等均要求電動機能夠正反雙向運轉，這就是可逆拖動問題。利用變流裝置供電的直流可逆拖動系統(tǒng)，除了能方便地實現正反轉外，還能實現回饋制動。對于直流他勵電動機來說，改變電樞兩端電壓的極性或改變勵磁繞組兩端電壓的極性均可改變其運轉方向，這可根據應用場合和設備容量的不同要求加以選用。按照所用晶閘管變流裝置組數的不同，一般又可通過兩種方法實現電動機的正反轉控制：1）一種是采用一組晶閘管變流器給電動機供電、用接觸器控制電樞電壓極性的電路；2）另一種是采用兩組晶閘管變流器反極性連接組成的可逆電路。2.8.1直流可逆拖動系統(tǒng)第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.兩組晶閘管反并聯組成的α=β工作制的有環(huán)流系統(tǒng)電路中的環(huán)流：環(huán)流是指只在兩組變流器之間流動而不經過負載的電流。橋式電路有兩個環(huán)流回路，三相半波電路同一時期只有一條環(huán)流回路。環(huán)流一般不作有用功，環(huán)流產生的損耗可使電器元件發(fā)熱，甚至還會造成短路事故，因此必須設法使變流裝置不產生環(huán)流。

第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一用一個控制電壓Uc控制I、Ⅱ兩組變流橋的控制角，使它們同步的向相反的方向變化。（1）開始時，αI=βⅡ=90°，電動機轉速為零。（2）αI＜90°，I組進入整流狀態(tài)，交流電源供能，電動機正轉電動運行βⅡ＜90°（且αI=βⅡ），此時Ⅱ組橋雖可以有輸出電壓Ud，但因不滿足|EM

|＞|Ud|而沒有逆變電流，稱這種狀態(tài)為待逆變狀態(tài)。α=β工作制觸發(fā)脈沖的具體實施如下：第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一（3）正轉到反轉：使αI和βⅡ同時增大分別進入逆變和整流區(qū)本組逆變：αI↑＞90°（即βI

＜90°）Id↓=0反組待整流：βⅡ

↑＞90°（即

αⅡ＜90°）反組逆變（正轉）:αⅡ↑＞90°（即βⅡ＜90°）且使|EM|＞|UdⅡ|正組待整流：αI=βⅡ＜90°電感儲能回送電網，電動機正轉電動運行。機械能回送電網，電動機回饋制動。βⅡ↑第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一（4）反轉運行：βⅡ↑=90°n↓=0,EM=0,αⅡ

＜90°，Ⅱ組進入整流狀態(tài)，交流電源供能，電動機反轉電動運行βI＜90°，因不滿足|EM

|＞|Ud|而沒有逆變電流，待逆變狀態(tài)。第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一

α=β

配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)對正、反兩組變流器同時輸入觸發(fā)脈沖，并嚴格保證α=β的配合控制關系。假設正組為整流，反組為逆變，即有αⅠ=βⅡ

，UdⅠ=UdⅡ，且極性相抵，兩組變流器之間沒有直流環(huán)流。但兩組變流器的輸出電壓瞬時值不等，會產生脈動環(huán)流。串入環(huán)流電抗器LC限制環(huán)流。一個回路要有兩只環(huán)流電抗器，因為其中一只會流過負載電流而飽和，從而起不到抑制環(huán)流的作用。

特點：快速性好，但需加環(huán)流電抗器，適合于中小容量的系統(tǒng)。第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一邏輯控制無環(huán)流可逆電路就是利用邏輯單元來控制變流器之間的切換過程，使電路在任何時間內只允許兩組橋路中的一組橋路工作而另一組橋路處于阻斷狀態(tài)，這樣在任何瞬間都不會出現兩組變流橋同時導通的情況，也就不會產生環(huán)流。

2.邏輯無環(huán)流系統(tǒng)

工程上使用較廣泛，不需設置環(huán)流電抗器。只有一組橋投入工作（另一組關斷），兩組橋之間不存在環(huán)流。第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一兩組橋之間的切換過程：電動機正轉：給Ｉ組變流橋加觸發(fā)脈沖，αＩ＜90°，為整流狀態(tài)；Ⅱ組橋封鎖阻斷。電動機為“正轉電動”運行，工作在第一象限。電動機由正轉到反轉：觸發(fā)脈沖后移到αＩ＞90°

，電抗器Ld中的一部分儲能經I組橋逆變反送回電網Id=0I組橋封鎖

延時3－10ms

Ⅱ組加觸發(fā)脈沖，且使βⅡ

＜90°，進入有源逆變狀態(tài)βⅡ↑=90°，n↓=0βⅡ

＞90°則Ⅱ組橋進入整流狀態(tài)，電動機開始反轉，進入第三象限的“反轉電動”運行狀態(tài)。第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一特點：可省去環(huán)流電抗器，沒有附加的環(huán)流損耗。由于延時造成了電流換向死區(qū)，影響過渡過程的快速性。首先應使已導通橋的晶閘管斷流，要妥當處理使主回路電流變?yōu)榱悖乖瓕ňчl管恢復阻斷能力。隨后再開通原封鎖著的晶閘管，使其觸發(fā)導通。

這種無環(huán)流可逆系統(tǒng)中，變流器之間的切換過程由邏輯單元控制，故稱為邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)。此系統(tǒng)，將在后繼課“電力拖動自動控制系統(tǒng)”中進一步分析討論。邏輯無環(huán)流系統(tǒng)第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一2.8.2工作于整流狀態(tài)時的機械特性整流電路接反電動勢負載時，負載電流斷續(xù)，對整流電路和電動機的工作都很不利。通常在電樞回路串聯一平波電抗器，保證整流電流在較大范圍內連續(xù)。udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一一.電流連續(xù)時直流電動機的機械特性Ri為整流電路的等效內阻電動機電樞回路的電壓平衡方程式

對于三相半波可控整流電路有

稱為電動機電樞回路總的等效電阻第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一用轉速與負載電流表示的機械特性為其機械特性是一組平行的直線，其斜率由于內阻不一定相同而稍有差異。調節(jié)a

角，即可調節(jié)電動機的轉速。當負載減小時，平波電抗器中的電感儲能減小，致使電流不再連續(xù)，此時其機械特性也就呈現出非線性。第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一二.電流斷續(xù)時直流電動機的機械特性

1.

電動機的理想空載轉速no升高2.機械特性變軟

3.隨著α的增大，進入斷續(xù)區(qū)的臨界電流值增大機械特性中電流斷續(xù)時的特性和電流連續(xù)時的特性的交界點的電流，定義為臨界電流，用IdK來表示。

第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一為使電動機運行在較好的工作狀態(tài)，一般要求系統(tǒng)的最小工作電流（一般取電動機額定電流的5％～10％）要大于IdK，這樣就能保證電動機工作在電流連續(xù)的機械特性較好的直線段。為此，就要選用電感量足夠大的平波電抗器。

L不僅包括了平波電抗器電感量，還包括由變壓器的漏感LT、電動機電樞電感LD。單相橋式全控整流電路

三相半波可控整流電路

三相橋式全控整流電路

單位是mH第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一2.8.3工作于有源逆變狀態(tài)時的機械特性電流連續(xù)時的機械特性由決定的。逆變時由于，反接，得因為EM=Cen，可求得電動機的機械特性方程式正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=b'1;a'1=b1a2=b'2;a'2=b2a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一逆變電流斷續(xù)時電動機的機械特性，與整流時十分相似：理想空載轉速上翹很多，機械特性變軟，且呈現非線性。逆變狀態(tài)的機械特性是整流狀態(tài)的延續(xù)。第1、4象限中和第3、2象限中的特性是分別屬于兩組變流器的，它們輸出整流電壓的極性彼此相反，故分別標以正組和反組變流器。正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=b'1;a'1=b1a2=b'2;a'2=b2a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一5.三相半波可控整流電路對直流電動機供電，α=60°時，電動機理想空載轉速為no=1000r／min。求：α=30°和α=120°時no為多少？解：因為α=30°時α=120°時第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一3.單相橋式半控整流電路，由220V經變壓器供電。負載為大電感負載并接有續(xù)流二極管。要求整流電壓20V～80V連續(xù)可調，最大負載電流為20A。最小控制角為30°。求：VT、VD、VDR的額定電流以及TR的二次側容量。解（1）Ud=80V時，αmin=30°。Ud=20V時，對應αmax（2）計