第十講 整流與有源逆變5

電力電子技術

PowerElectronicTechnology整流與有源逆變9.3晶閘管直流電動機系統(tǒng)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，也是可控整流裝置的主要用途之一；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。9.3.1電動機工作于整流狀態(tài)時1、不考慮電動機的電樞電感時：只有晶閘管導通相的變壓器二次側電壓瞬時值大于反電動勢時才有電流輸出，此時負載電流斷續(xù)，對整流電路和電動機的工作都不利，要盡量避免；所以普遍在電樞回路串聯(lián)一平波電抗器，保證整流電流在較大范圍內連續(xù)，如圖2-48。

圖2-48三相半波帶電動機負載且加平波電抗器時的電壓電流波形9.3.1電動機工作于整流狀態(tài)時2、電動機穩(wěn)態(tài)時，雖然Ud波形脈動較大，但由于電動機有較大的機械慣量，故其轉速和反電動勢都基本無脈動。此時整流電壓的平均值由電動機的反電動勢及電路中負載平均電流Id所引起的各種電壓降所平衡。整流電壓的交流分量則全部降落在電抗器上。由Id引起的壓降有下列四部分：變壓器的電阻壓降IdRB，其中RB

為變壓器的等效電阻，它包括變壓器二次繞組本身的電阻以及一次繞組電阻折算到二次側的等效電阻；晶閘管本身的管壓降△U，它基本上是一恒值；電樞電阻壓降IdRM

；由換相重疊角引起的電壓降3XBId/(2π)（三相半波）。此時，整流電路直流電壓的平衡方程為:系統(tǒng)的兩種工作狀態(tài)：電流連續(xù)工作狀態(tài)和電流斷續(xù)工作狀態(tài)9.3.1電動機工作于整流狀態(tài)時3.電流連續(xù)時電動機的機械特性在電機學中，已知直流電動機的反電動勢為

式中，Ce

由電動機結構決定的電動勢常數(shù)；Φ

為電動機磁場每對磁極下的磁通量，單位為（Wb）；n為電動機的轉速，單位為（r/min）?？筛鶕?jù)整流電路電壓平衡方程式，作出不同控制角α時EM與Id的關系（三相半波）：

轉速與電流的機械特性關系式為：

第二項較小，可見一個α角度對應一個轉速n。9.3.1電動機工作于整流狀態(tài)時

做出不同α角時n與Id的關系，如圖2-49所示。圖中△U的值一般為1V左右，可以忽略?？梢娖錂C械特性與由直流發(fā)電機供電時的機械特性是相似的，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)α角，即可調節(jié)電動機的轉速。而負載加大時，電流加大，轉速變化不大。

同理，可列出三相橋式全控整流電路電動機負載時的機械特性方程為：

圖2-49三相半波電流連續(xù)時以電流表示的電動機機械特性9.3.1電動機工作于整流狀態(tài)時4.電流斷續(xù)時電動機的機械特性當負載減小時，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(xiàn)出非線性。三相半波整流電路電動機負載具體推導過程見許大中編《電機控制》9.3.1電動機工作于整流狀態(tài)時4.電流斷續(xù)時電動機的機械特性

電動機的實際空載反電動勢都是。時為：。Why?如當α=60°時，Id=0，此時的反電動勢E0’=1.17U2cos60°,實際上當Id減小至某一定值Idmin以后，電流變?yōu)閿嗬m(xù)。這個E0’是不存在的，真正的理想空載點遠大于此值。圖2-50電流斷續(xù)時電動勢的特性曲線斷續(xù)區(qū)特性的近似直線斷續(xù)區(qū)連續(xù)區(qū)EE0E0'OIdminId(0.585U2)(U2)2〔解釋〕因為

≤60時晶閘管觸發(fā)導通后最大相電壓瞬時值為，大于E0`。因此如果反電勢為E0`，則必然產(chǎn)生電流，從而與空載的前提矛盾，所以實際空載點的反電勢是。當

>60時，晶閘管觸發(fā)導通時的相電壓瞬時值為為此時實際空載點的反電勢。9.3.1電動機工作于整流狀態(tài)時電流斷續(xù)時電動機機械特性的特點：電動機的理想空載轉速抬高；機械特性變軟，即負載電流變化很小也可引起很大的轉速變化；隨著

的增加，進入斷續(xù)區(qū)的電流值加大。(Why?)

由于

愈大，變壓器加給晶閘管陽極上的負電壓時間愈長，電流要維持連續(xù)，必須要求平波電抗器儲存較大的磁能。在電抗器的L為一定值的情況下，要有較大的電流Id才能使得電流連續(xù)。圖2-51考慮電流斷續(xù)時不同a時反電動勢的特性曲線9.3.1電動機工作于整流狀態(tài)時一般只要主電路電感足夠大，可以只考慮電流連續(xù)段，完全按線性處理。當輕載時，斷續(xù)作用顯著，可改用另一段較陡的特性來近似處理，其等效電阻比實際的電阻R要大一個數(shù)量級。整流電路為三相半波時，在最小負載電流為Idmin時，為保證電流連續(xù)所需的主回路電感量為：（mH）對于三相橋式全控整流電路帶電動機負載的系統(tǒng)，有（mH）L中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感。前者數(shù)值都較小，有時可忽略。Idmin一般取電動機額定電流的5%～10%。因為三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波的高一倍，因而所需平波電抗器的電感量也可相應減小約一半，這也是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點。9.3.2電動機工作于有源逆變狀態(tài)時

1.電流連續(xù)時電動機的機械特性主回路電流連續(xù)時的機械特性由電壓平衡方程式?jīng)Q定。逆變時由于，EM反接，得：

同時因為EM=CeΦn，可求得電動機的機械特性方程式：Ud0為α＝0時的整流輸出平均電壓值2.電流斷續(xù)時電動機的機械特性電流斷續(xù)時電動機的機械特性方程可沿用整流時電流斷續(xù)的機械特性表達式，只要把α＝π－β上式，便可得EM、n與Id的表達式，求出三相半波電路工作于逆變狀態(tài)且電流斷續(xù)時的機械特性。9.3.2電動機工作于有源逆變狀態(tài)時

逆變電流斷續(xù)時電動機的機械特性，與整流時十分相似：圖2-52

電動機在四象限中的機械特性理想空載轉速上翹很多，機械特性變軟，且呈現(xiàn)非線性。逆變狀態(tài)的機械特性是整流狀態(tài)的延續(xù)?？v觀控制角α由小變大，電動機的機械特性則逐漸的由第1象限往下移，進而到達第4象限。逆變狀態(tài)的機械特性同樣還可表示在第2象限里，與它對應的整流狀態(tài)的機械特性則表示在第3象限里。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'1a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向9.3.3直流可逆電力拖動系統(tǒng)

圖2-53

兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路圖2-53a與b是兩組反并聯(lián)的可逆電路a)三相半波有環(huán)流接線b)三相全控橋無環(huán)流接線c)對應電動機四象限運行時兩組變流器工作情況9.3.3直流可逆電力拖動系統(tǒng)

1、電動機反轉過程：電動機在第1象限正轉，電動機從正組橋取得電能，欲使電動機反轉，必須首先正轉迅速制動。此時EM的方向保持為上正下負，而對于正向橋來說，電流方向是不能改變的，為此需切換到反組橋工作，同時要求反組橋工作在逆變狀態(tài)，此時電動機進入第2象限作正轉發(fā)電運行，機械能轉化為電能送給電網(wǎng)。隨著電動機轉速的下降，不斷地調節(jié)β，使之由小變大直至β2＝π/2，如繼續(xù)增大，即

<π/2，反組橋將轉入整流狀態(tài)下工作，電動機開始反轉進入第3象限的電動運行。正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向注意：電動機的反電勢的方向和轉向保持一致。9.3.3直流可逆電力拖動系統(tǒng)

兩套變流裝置反并聯(lián)連接的可逆電路的相關概念和結論：環(huán)流是指只在兩組變流器之間流動而不經(jīng)過負載的電流。根據(jù)對環(huán)流的處理方法，反并聯(lián)可逆電路又可分為不同的控制方案，如配合控制有環(huán)流（）、可控環(huán)流、邏輯控制無環(huán)流和錯位控制無環(huán)流等?？筛鶕?jù)電動機所需運轉狀態(tài)來決定哪一組變流器工作及其工作狀態(tài)：整流或逆變。9.3.3直流可逆電力拖動系統(tǒng)

第1象限：正轉電動運行，此時1組工作于整流狀態(tài)，由于α1＝β2

，2組工作于逆變狀態(tài)，且Ud1=Ud2,但由于二極管的單相導電性，2組橋沒有電流流過，工作在待逆變狀態(tài)。有環(huán)流控制條件：α1＝β29.3.3直流可逆電力拖動系統(tǒng)

第2象限：正轉制動運行。當需要正轉制動（剎車）時，將α1和β2增大但<90°，此時由于電機的轉動慣量，其E不能突變，所以此時E>Ud1=Ud2，此時2組立刻工作于逆變狀態(tài)。由二極管的單相導電性，1組橋沒有電流流過，工作在待整流狀態(tài)。9.3.3直流可逆電力拖動系統(tǒng)

第3象限：將α2調節(jié)至<90°，Ud2變?yōu)樯县撓抡?，由于?＝β1

，Ud1變?yōu)樯县撓抡?，由于二極管的單相導電性，2組橋有電流流過，工作在整流狀態(tài)。1組橋沒有電流流過，工作在待逆變狀態(tài)。此時電機反轉，E電壓為上負下正。9.3.3直流可逆電力拖動系統(tǒng)

第4象限：反轉制動運行，和第二象限類似，當將α2增大但保持<90°，E>Ud1=Ud2此時1組工作于逆變狀態(tài)，由于二極管的單相導電性，2組橋沒有電流流過，工作在待整流狀態(tài)。9.3.3直流可逆電力拖動系統(tǒng)

圖2-53

兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路等效圖9.3.3直流可逆電力拖動系統(tǒng)

2、

1=β2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

1=β2的配合控制關系;假設正組為整流，反組為逆變，即有

1=β2，Ud

1=Udβ2，且極性相抵，兩組變流器之間沒有直流環(huán)流；兩組變流器的輸出電壓瞬時值不等，會產(chǎn)生脈動的交流環(huán)流。為防止環(huán)流只經(jīng)晶閘管流過而使電源短路，必須串入環(huán)流電抗器LC限制環(huán)流。9.3.3直流可逆電力拖動系統(tǒng)3、邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)工程上使用較廣泛，不需設置環(huán)流電抗器；控制原則是：只有一組橋投入工作（另一組關斷），所以兩組橋之間不存在環(huán)流；兩組橋之間的切換不能簡單地把原來工作著的一組橋的觸發(fā)脈沖立即封鎖，而同時把原來封鎖著的另一組橋立即開通；首先應使已導通橋的晶閘管斷流，要妥當處理主回路內電感儲存的能量，直到儲存的能量釋放完，主回路電流變?yōu)榱?，使原導通晶閘管恢復阻斷能力；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，稱為邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)。

10.2相控電路的驅動控制

相控電路：晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角a的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小。相控電路的驅動控制為保證相控電路正常工作，很重要的是應保證按觸發(fā)角a的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。晶閘管相控電路，習慣稱為觸發(fā)電路。大、中功率的變流器廣泛應用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應用最多。

10.2.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路

輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個晶閘管同時導通的電路），也可為單窄脈沖；三個基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)。此外，還有強觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。圖2-54

同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路強觸發(fā)環(huán)節(jié)強觸發(fā)脈沖可以縮短SCR開通時間，提高承受di/dt能力，有利于并聯(lián)時的動態(tài)均壓和均流。強觸發(fā)脈沖特點是在脈沖初期有一個大電流脈沖，以減小門極損耗。使用單相橋整流獲得50V電源。在V8導通前，50V電源通過R15向C6充電，C7很大，C6很小。所以B點電位處于50V。V8導通，C6迅速放電形成強脈沖，當uB<15V時，VD15導通。此時uB電位鉗位在15V，進入觸發(fā)脈沖平穩(wěn)階段。當V8截止后，50V電源重新向C6充電，使uB=50V。重復上面過程。

10.2.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路

10.2.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路

強觸發(fā)環(huán)節(jié)

10.2.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路1)脈沖形成環(huán)節(jié)V4、V5—脈沖形成V7、V8—脈沖放大控制電壓uco加在V4基極上圖2-54同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側輸出，一次繞組接在V8集電極電路中。10.2.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路脈沖形成環(huán)節(jié)脈沖前沿由V4導通時刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù)R11C3有關。

10.2.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路

2)鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)鋸齒波電壓形成采用恒流源電路。恒流源電路方案，由V1、V2、V3和C2等元件組成

V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路圖2-54

同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路

10.2.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路

工作原理：

V2截止時，恒流源電流I1c對電容C2充電V2導通時，因R4很小故C2迅速放電，ub3電位迅速降到零伏附近；V2周期性地通斷，ub3便形成一鋸齒波，同樣ue3也是一個鋸齒波。調節(jié)RP2，即改變C2的恒定充電電流I1c，可見RP2是用來調節(jié)鋸齒波斜率的。tICtICuccc111d1==ò射極跟隨器V3的作用是減小控制回路電流對鋸齒波電壓ub3的影響；V4基極電位由鋸齒波電壓、控制電壓uco、直流偏移電壓up三者作用的疊加所定；

10.2.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路

M點是V4由截止到導通的轉折點，也就是脈沖的前沿；加up的目的是為了確定控制電壓uco=0時脈沖的初始相位；可令uco=0時，產(chǎn)生脈沖的M點位于鋸齒波的中點，對應α=90°。

10.2.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路

3)同步環(huán)節(jié)同步——要求觸發(fā)脈沖的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關系確定。鋸齒波是由開關V2管來控制的。V2開關的頻率就是鋸齒波的頻率——由同步變壓器所接的交流電壓決定。V2由截止變導通期間產(chǎn)生鋸齒波V2截止狀態(tài)持續(xù)的時間就是鋸齒波的寬度——取決于充電時間常數(shù)R1C1。

10.2.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路

二次電壓