電子電力技術(shù)教程 第3章

第3章有源逆變電路3.1逆變的概念3.2三相半波逆變電路3.3三相橋式逆變電路3.4逆變失敗緣由分析及逆變角的限制習(xí)題及思索題3.1逆變的概念3.1.1整流與逆變的關(guān)系

前面兩章討論的是把交流電能經(jīng)過晶閘管變換為直流電能并供應(yīng)負(fù)載的可控整流電路。但消費(fèi)實(shí)踐中，往往還會(huì)出現(xiàn)需求將直流電能變換為交流電能的情況。例如，運(yùn)用晶閘管的電力機(jī)車，當(dāng)機(jī)車下坡運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)車上的直流電機(jī)將由于機(jī)械能的作用作為直流發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)就需求將直流電能變換為交流電能回送電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)。又如，運(yùn)轉(zhuǎn)中的直流電機(jī)，要實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，較理想的方法是將該直流電機(jī)作為直流發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并利用晶閘管將直流電能變換為交流電能回送電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的發(fā)電機(jī)制動(dòng)。相對(duì)于整流而言，逆變是它的逆過程，普通習(xí)慣于稱整流為順變，那么逆變的含義就十清楚顯了。下面的有關(guān)分析將會(huì)闡明，整流安裝在滿足一定條件下可以作為逆變安裝運(yùn)用。即同一套電路，既可以任務(wù)在整流形狀，也可以任務(wù)在逆變形狀，這樣的電路統(tǒng)稱為變流安裝。變流安裝假設(shè)任務(wù)在逆變形狀，其交流側(cè)接在交流電網(wǎng)上，電網(wǎng)成為負(fù)載，在運(yùn)轉(zhuǎn)中將直流電能變換為交流電能并回送到電網(wǎng)中去，這樣的逆變稱為“有源逆變〞。假設(shè)逆變形狀下的變流安裝，其交流側(cè)接至交流負(fù)載，在運(yùn)轉(zhuǎn)中將直流電能變換為某一頻率或可調(diào)頻率的交流電能供應(yīng)負(fù)載，這樣的逆變那么稱為“無源逆變〞或變頻電路。3.1.2電源間能量的變換關(guān)系圖3-1兩個(gè)電源間能量的傳送(a)同極性銜接E1>E2;(b)同極性銜接E2>E1；(c)反極性銜接圖3-1(a)表示直流電源E1和E2同極性相連。當(dāng)E1＞E2時(shí)，回路中的電流為式中R為回路的總電阻。此時(shí)電源E1輸出電能E1I，其中一部分為R所耗費(fèi)的I2R，其他部分那么為電源E2所吸收的E2I。留意上述情況中，輸出電能的電源其電勢(shì)方向與電流方向一致，而吸收電能的電源那么二者方向相反。在圖3-1(b)中，兩個(gè)電源的極性均與圖3-1(a)中相反，但還是屬于兩個(gè)電源同極性相連的方式。假設(shè)電源E2＞E1，那么電流方向如圖，回路中的電流I為此時(shí)，電源E2輸出電能，電源E1吸收電能。在圖3-1(c)中，兩個(gè)電源反極性相連，那么電路中的電流I為此時(shí)電源E1和E2均輸出電能，輸出的電能全部耗費(fèi)在電阻R上。假設(shè)電阻值很小，那么電路中的電流必然很大；假設(shè)R=0，那么構(gòu)成兩個(gè)電源短路的情況。綜上所述，可得出以下結(jié)論：(1)兩電源同極性相連，電流總是從高電勢(shì)流向低電勢(shì)電源，其電流的大小取決于兩個(gè)電勢(shì)之差與回路總電阻的比值。假設(shè)回路電阻很小，那么很小的電勢(shì)差也足以構(gòu)成較大的電流，兩電源之間發(fā)生較大能量的交換。(2)電流從電源的正極流出，該電源輸出電能；而電流從電源的正極流入，該電源吸收電能。電源輸出或吸收功率的大小由電勢(shì)與電流的乘積來決議，假設(shè)電勢(shì)或者電流方向改動(dòng)，那么電能的傳送方向也隨之改動(dòng)。(3)兩個(gè)電源反極性相連，假設(shè)電路的總電阻很小，將構(gòu)成電源間的短路，該當(dāng)防止發(fā)生這種情況。3.1.3有源逆變電路的任務(wù)原理圖3-2直流卷揚(yáng)系統(tǒng)(a)提升重物；(b)放下重物1．整流任務(wù)形狀〔0＜α＜π/2〕由第１章的學(xué)習(xí)知，對(duì)于單相全控整流橋，當(dāng)控制角α在0～π/2之間的某個(gè)對(duì)應(yīng)角度觸發(fā)晶閘管時(shí)，上述變流電路輸出的直流平均電壓為Ud=Udocosα，由于此時(shí)α均小于π/2，故Ud為正值。在該電壓作用下，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，卷揚(yáng)機(jī)將重物提升起來，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的反電勢(shì)為ED，且ED略小于輸出直流平均電壓Ud，此時(shí)電樞回路的電流為2．中間形狀〔α=π/2〕當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)將重物提升到要求高度時(shí)，自然就需在某個(gè)位置停住，這時(shí)只需將控制角α調(diào)到等于π/2的位置，變流器輸出電壓波形中，其正、負(fù)面積相等，電壓平均值Ud為零，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)〔實(shí)踐上采用電磁抱閘斷電制動(dòng)〕，反電勢(shì)ED也同時(shí)為零。此時(shí)，雖然Ud為零，但仍有微小的直流電流存在，有關(guān)波形如圖3-3(b)所示。留意，此時(shí)電路處于動(dòng)態(tài)平衡形狀，與電路切斷、電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)具有本質(zhì)的不同。3．有源逆變?nèi)蝿?wù)形狀〔π/2＜α＜π〕上述卷揚(yáng)系統(tǒng)中，當(dāng)重物放下時(shí)，由于重力對(duì)重物的作用，必將牽動(dòng)電機(jī)使之向與重物上升相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)產(chǎn)生的反電勢(shì)ED的極性也將隨之反相。假設(shè)變流器仍任務(wù)在α＜π/2的整流形狀，從上面曾分析過的電源能量流轉(zhuǎn)關(guān)系不難看出，此時(shí)將發(fā)生電源間類似短路的情況。為此，只能讓變流器任務(wù)在α＞π/2的形狀，由于當(dāng)α＞π/2時(shí)，其輸出直流平均電壓Ud為負(fù)，出現(xiàn)類似圖3-1(b)中兩電源極性同時(shí)反向的情況，此時(shí)假設(shè)能滿足ED＞Ud，那么回路中的電流為電流的方向是從電勢(shì)ED的正極流出，從電壓Ud的正極流入，電流方向未變。顯然，這時(shí)電動(dòng)機(jī)為發(fā)電形狀運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)外輸出電能，變流器那么吸收上述能量并饋送回交流電網(wǎng)去，此時(shí)的電路進(jìn)入到有源逆變?nèi)蝿?wù)形狀。上述三種變流器的任務(wù)形狀可以用圖3-3所示波形表示。圖中反映出隨著控制角α的變化，電路分別從整流到中間形狀，然后進(jìn)入有源逆變的過程。圖3-3直流卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)的電壓電流波形(a)整流；(b)中間形狀；(c)有源逆變?nèi)缃駪?yīng)深化分析的問題是，上述電路在α＞π/2時(shí)能否可以任務(wù)？如何了解此時(shí)輸出直流平均電壓Ud為負(fù)值的含義?上述晶閘管供電的卷揚(yáng)系統(tǒng)中，當(dāng)重物下降，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)并進(jìn)入發(fā)電形狀運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)電勢(shì)ED實(shí)踐上成了使晶閘管正導(dǎo)游通的電源。當(dāng)α＞π/2時(shí)，只需滿足Ed＞|u2|，晶閘管就可以導(dǎo)通任務(wù)，在此期間，電壓ud大部分時(shí)間均為負(fù)值，其平均電壓Ud自然為負(fù)，電流那么依托電機(jī)電勢(shì)ED及電感Ld兩端感應(yīng)電勢(shì)的共同作用加以維持。正由于上述任務(wù)特點(diǎn)，才出現(xiàn)了電機(jī)輸出能量，變流器吸收并經(jīng)過變壓器向電網(wǎng)回饋能量的情況。1〕外部條件務(wù)必要有一個(gè)極性與晶閘管導(dǎo)通方向一致的直流電勢(shì)源。這種直流電勢(shì)源可以是直流電機(jī)的電樞電勢(shì)，也可以是蓄電池電勢(shì)。它是使電能從變流器的直流側(cè)回饋交流電網(wǎng)的源泉，其數(shù)值應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)輸出的直流平均電壓。2〕內(nèi)部條件要求變流器中晶閘管的控制角α＞π/2，這樣才干使變流器直流側(cè)輸出一個(gè)負(fù)的平均電壓，以實(shí)現(xiàn)直流電源的能量向交流電網(wǎng)的流轉(zhuǎn)。上述兩個(gè)條件必需同時(shí)具備才干實(shí)現(xiàn)有源逆變。必需指出，對(duì)于半控橋或者帶有續(xù)流二極管的可控整流電路，由于它們?cè)谌魏吻闆r下均不能夠輸出負(fù)電壓，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)反極性的直流電勢(shì)，所以不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。有源逆變條件的獲得，必需視詳細(xì)情況進(jìn)展分析。例如上述直流電機(jī)拖動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)電勢(shì)ED的極性可隨重物的“提升〞與“下降〞自行改動(dòng)并滿足逆變的要求。對(duì)于電力機(jī)車，上、下坡道行駛時(shí)，因車輪轉(zhuǎn)向不變，故在下坡發(fā)電制動(dòng)時(shí)，其電機(jī)電勢(shì)ED的極性不能自行改動(dòng)，為此必需采取相應(yīng)措施，例如可利用極性切換開關(guān)來改動(dòng)電機(jī)電勢(shì)ED的極性，否那么系統(tǒng)將不能進(jìn)入有源逆變形狀運(yùn)轉(zhuǎn)。3.2三相半波逆變電路圖3-4三相半波共陰極逆變電路及有關(guān)波形(a)整流任務(wù)形狀；(b)逆變?nèi)蝿?wù)形狀3.2.1電路的整流任務(wù)形狀〔0＜α＜π/2〕圖3-4(a)所示電路中，α=30°時(shí)依次觸發(fā)晶閘管，其輸出電壓波形如圖黑實(shí)線所示。因負(fù)載回路中接有足夠大的平波電感，故電流延續(xù)。對(duì)于α=30°的情況，輸出電壓瞬時(shí)值均為正，其平均電壓自然為正值。對(duì)于在0＜α＜π/2范圍內(nèi)的其它移相角，即使輸出電壓的瞬時(shí)值ud有正也有負(fù)，但正面積總是大于負(fù)面積，輸出電壓的平均值Ud也總為正，其極性如圖為上正下負(fù)，而且Ud略大于ED。此時(shí)電流Id從Ud的正端流出，從ED的正端流入，能量的流轉(zhuǎn)關(guān)系為交流電網(wǎng)輸出能量，電機(jī)吸收能量以電動(dòng)形狀運(yùn)轉(zhuǎn)。3.2.2電路的逆變?nèi)蝿?wù)形狀〔π/2＜α＜π〕假設(shè)此時(shí)電動(dòng)機(jī)端電勢(shì)已反向，即下正上負(fù)，設(shè)逆變電路移相角α=150°，依次觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管，如圖在ωt1時(shí)辰觸發(fā)a相晶閘管V1，雖然此時(shí)ua=0，但晶閘管V1因接受ED的作用，仍可滿足導(dǎo)電條件而任務(wù)，并相應(yīng)輸出ua相電壓。V1被觸發(fā)導(dǎo)通后，雖然ua已為負(fù)值，因ED的存在，且|ED|＞|ua|，V1依然接受正向電壓而導(dǎo)通，即使不滿足|ED|＞|ua|，由于平波電感的存在，釋放電能，L的感應(yīng)電勢(shì)也仍可使V1接受正向電壓繼續(xù)導(dǎo)通。因電感L足夠大，故主回路電流延續(xù)，V1導(dǎo)電120°后由于V2的被觸發(fā)而截止，V2被觸發(fā)導(dǎo)通后，由于此時(shí)ub＞ua，故V1接受反壓關(guān)斷，完成V1與V2之間的換流，這時(shí)電路輸出電壓為ub，如此循環(huán)往復(fù)。電路輸出電壓的波形如圖3-4(b)中黑實(shí)線所示。當(dāng)α在π/2～π范圍內(nèi)變化時(shí)，其輸出電壓的瞬時(shí)值ud在整個(gè)周期內(nèi)也是有正有負(fù)或者全部為負(fù)，但是負(fù)電壓面積將總是大于正面積，故輸出電壓的平均值Ud為負(fù)值。其極性如圖為下正上負(fù)。此時(shí)電機(jī)端電勢(shì)ED稍大于Ud，主回路電流Id方向照舊，但它從ED的正極流出，從Ud的正極流入，這時(shí)電機(jī)向外輸出能量，以發(fā)電機(jī)形狀運(yùn)轉(zhuǎn)，交流電網(wǎng)吸收能量，電路以有源逆變形狀運(yùn)轉(zhuǎn)。因晶閘管V1、V2、V3的交替導(dǎo)通任務(wù)完全與交流電網(wǎng)變化同步，從而可以保證可以把直流電能變換為與交流電網(wǎng)電源同頻率的交流電回饋電網(wǎng)。普通均采用直流側(cè)的電壓和電流平均值來分析變流器所銜接的交流電網(wǎng)終究是輸出功率還是輸入功率。這樣，變流器中交流電源與直流電源能量的流轉(zhuǎn)就可以按有功功率Pd=UdId來分析，整流形狀時(shí)，Ud＞0，Pd＞0那么表示電網(wǎng)輸出功率；逆變形狀時(shí)，Ud＜0，Pd＜0那么表示電網(wǎng)吸收功率。在整流形狀中，變流器內(nèi)的晶閘管在阻斷時(shí)主要接受反向電壓，而在逆變形狀任務(wù)中，晶閘管阻斷時(shí)主要接受正向電壓。變流器中的晶閘管，無論在整流或是逆變形狀，其阻斷時(shí)接受的正向或反向電壓峰值均應(yīng)為線電壓的峰值，在選擇晶閘管額定參數(shù)時(shí)應(yīng)予留意。為分析和計(jì)算方便，通常把逆變?nèi)蝿?wù)時(shí)的控制角改用β表示，令β=π-α，稱為逆變角。規(guī)定α=π時(shí)作為計(jì)算β的起點(diǎn)，和α的計(jì)量方向相反，β的計(jì)量方向是由右向左。變流器整流任務(wù)時(shí)，α＜π/2，相應(yīng)的β＞π/2，而在逆變?nèi)蝿?wù)時(shí)，α＞π/2而β＜π/2。逆變時(shí)，其輸出電壓平均值的計(jì)算公式可改寫成β從π/2逐漸減小時(shí)，其輸出電壓平均值Ud的絕對(duì)值逐漸增大，其符號(hào)為負(fù)值。逆變電路中，晶閘管之間的換流完全由觸發(fā)脈沖控制，其換流趨勢(shì)總是從高電壓向更低的陽極電壓過渡。這樣，對(duì)觸發(fā)脈沖就提出了格外嚴(yán)厲的要求，其脈沖必需嚴(yán)厲按照規(guī)定的順序發(fā)出，而且要保證觸發(fā)可靠，否那么極容易呵斥因晶閘管之間的換流失敗而導(dǎo)致的逆變顛覆。3.3三相橋式逆變電路3.3.1逆變?nèi)蝿?wù)原理及波形分析圖3-5三相橋式有源逆變電路及有關(guān)波形(a)電路；(b)輸入電壓；(c)輸出電壓(a)電路圖3-5三相橋式有源逆變電路及有關(guān)波形(a)電路；(b)輸入電壓；(c)輸出電壓3.3.1逆變?nèi)蝿?wù)原理及波形分析三相橋式逆變電路構(gòu)造如圖3-5(a)所示。假設(shè)變流器輸出電壓Ud與直流電機(jī)電勢(shì)ED的極性如下圖〔均為上負(fù)下正〕，當(dāng)電勢(shì)ED略大于平均電壓Ud時(shí)，回路中產(chǎn)生的電流Id為電流Id的流向是從ED的正極流出而從Ud的正極流入，即電機(jī)向外輸出能量，以發(fā)電形狀運(yùn)轉(zhuǎn)；變流器那么吸收能量并以交流方式回饋到交流電網(wǎng)，此時(shí)電路即為有源逆變?nèi)蝿?wù)形狀。電勢(shì)ED的極性由電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)形狀決議，而變流器輸出電壓Ud的極性那么取決于觸發(fā)脈沖的控制角。欲得到上述有源逆變的運(yùn)轉(zhuǎn)形狀，顯然電機(jī)應(yīng)以發(fā)電形狀運(yùn)轉(zhuǎn)，而變流器晶閘管的觸發(fā)控制角α應(yīng)大于π/2，或者逆變角β小于π/2。有源逆變?nèi)蝿?wù)形狀下，電路中輸出電壓的波形如圖3-5(c)實(shí)線所示。此時(shí)，晶閘管導(dǎo)通的大部分區(qū)域均為交流電的負(fù)電壓，晶閘管在此期間由于ED的作用仍接受極性為正的相電壓，所以輸出的平均電壓就為負(fù)值。三相橋式逆變電路一個(gè)周期中的輸出電壓由6個(gè)外形一樣的波頭組成，其外形隨β的不同而不同。該電路要求6個(gè)脈沖，兩脈沖之間的間隔為π/3，分別按照1，2，3，…，6的順序依次發(fā)出，其脈沖寬度應(yīng)大于π/3或者采用“雙窄脈沖〞輸出。上述電路中，晶閘管阻斷期間主要接受正向電壓，而且最大值為線電壓的峰值。3.3.2電路中根本電量的計(jì)算由于三相橋式逆變電路相當(dāng)于兩組三相半波逆變電路的串聯(lián)，故該電路輸出平均電壓應(yīng)為三相半波逆變電路輸出平均電壓的兩倍，即式中U2φ為交流側(cè)變壓器副邊相電壓有效值。輸出電流平均值為式中，RB為變壓器繞組的等效電阻；RD為變流器直流側(cè)總電阻。輸出電流的有效值為式中IN為第N次諧波電流有效值。N的取值由波形的諧波分析展開式確定。晶閘管流過電流的平均值為晶閘管流過電流的有效值為3.4逆變失敗緣由分析及逆變角的限制電路在逆變形狀運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，假設(shè)出現(xiàn)晶閘管換流失敗，那么變流器輸出電壓與直流電壓將順向串聯(lián)并相互加強(qiáng)，由于回路電阻很小，必將產(chǎn)生很大的短路電流，以致能夠?qū)⒕чl管和變壓器燒毀，上述事故稱之為逆變失敗或叫做逆變顛覆。呵斥逆變失敗的緣由很多，大致可歸納為以下四個(gè)方面。1.觸發(fā)電路任務(wù)不可靠由于觸發(fā)電路不能適時(shí)、準(zhǔn)確地供應(yīng)各晶閘管觸發(fā)脈沖，呵斥脈沖喪失或延遲以及觸發(fā)功率不夠，均可導(dǎo)致?lián)Q流失敗。一旦晶閘管換流失敗，勢(shì)必構(gòu)成一只元件從接受反向電壓導(dǎo)通延續(xù)到接受正向電壓導(dǎo)通，Ud反向后將與ED順向串聯(lián)，出現(xiàn)逆變顛覆。2.晶閘管出現(xiàn)缺點(diǎn)假設(shè)晶閘管參數(shù)選擇不當(dāng)，例如額定電壓選擇裕量缺乏，或者晶閘管存在質(zhì)量問題，都會(huì)使晶閘管在應(yīng)該阻斷的時(shí)候喪失了阻斷才干，而應(yīng)該導(dǎo)通的時(shí)候卻無法導(dǎo)通。讀者不難從有關(guān)波形圖上分析發(fā)現(xiàn)，晶閘管出現(xiàn)缺點(diǎn)也將導(dǎo)致電路的逆變失敗。3.交流電源出現(xiàn)異常從逆變電路電流公式可看出，電路在有源逆變形狀下，假設(shè)交流電源忽然斷電或者電源電壓過低，上述公式中的Ud都將為零或減小，從而使電流Id增大以致發(fā)生電路逆變失敗。4.電路換相時(shí)間缺乏有源逆變電路的控制電路在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分思索到變壓器漏電感對(duì)晶閘管換流的影響以及晶閘管由導(dǎo)通到關(guān)斷存在著關(guān)斷時(shí)間的影響，否那么將由于逆變角β太小呵斥換流失敗，從而導(dǎo)致逆變顛覆的發(fā)生?，F(xiàn)以共陰極三相半波電路為例，分析由于β太小而對(duì)逆變電路產(chǎn)生的影響，電路構(gòu)造及有關(guān)波形如圖3-6所示。設(shè)電路變壓器漏電感引起的電流重疊角為γ，原來的逆變角為β1，觸發(fā)a相對(duì)應(yīng)的V1導(dǎo)通后，將逆變角β1改為β，且β＜γ，如下圖。這時(shí)正好V2和V3進(jìn)展換流，二者的換流是從ωt2為起點(diǎn)向左β角度的ωt1時(shí)辰觸發(fā)V3管開場(chǎng)的，此時(shí)，V2的電流逐漸下降，V3的電流逐漸上升，由于β＜γ，到達(dá)ωt2時(shí)辰〔β=0〕，晶閘管V2中的電流尚未降至零，故V2此時(shí)并未關(guān)斷，以后V2接受的陽極電壓高于V3接受的陽極電壓，所以它將繼續(xù)導(dǎo)通，V3那么由于接受反壓而關(guān)斷。V2繼續(xù)導(dǎo)通的結(jié)果是使電路從逆變過渡到整流形狀，電機(jī)電勢(shì)與變流器輸出電壓順向串聯(lián)，呵斥逆變失敗。在設(shè)計(jì)逆變電路時(shí)，應(yīng)思索到最小β角的限制，用βmin角除受上述重疊角γ的影響外，還應(yīng)思索到元件關(guān)斷時(shí)間tq〔對(duì)應(yīng)的電角度為δ〕以及一定的平安裕量角θα，從而取βmin=γ＋δ＋θα普通取βmin為30°～35°，以保證逆變時(shí)正常換流。普通在觸發(fā)電路中均設(shè)有最小逆變角維護(hù)，觸發(fā)