電力電子技術(shù)課件：3 有源逆變

1、第三章 有源逆變,將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，這種對(duì)應(yīng)于整流的逆向過程，稱逆變,有源逆變則指的是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電后，再將它反送回交流電網(wǎng)。,有源逆變應(yīng)用廣泛，它是研究直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，電力機(jī)車：電動(dòng)機(jī)狀態(tài)（正常運(yùn)行），發(fā)電機(jī)狀態(tài)（制動(dòng)，下坡）,逆變的概念,第一節(jié) 電流的流轉(zhuǎn),兩個(gè)直流電源和相連的電路如圖3-1所示。,兩個(gè)電源間的電能流轉(zhuǎn)： 1. E1E2： 電源E1發(fā)出功率,E2接受功率， 電阻消耗功率。,電源E1發(fā)出的功率為,電源E2接受的功率為,電阻消耗的功率,功率流向？,2. 兩電源極性均反向，且E2E1 電流方向不變, 但功率反送： 電源E2發(fā)出功率,E1接受的功率，電阻消耗功率。

2、,功率流向？,電源E1接受的功率為,電源E2發(fā)出的功率為,電阻消耗的功率,3. 兩個(gè)電源反極性相連情況： 兩個(gè)電源均輸出功率,電阻消耗功率,電源都輸出功率：,電阻上消耗功率：,功率流向？,若R很小，則電流很大，兩個(gè)電源短路，不希望出現(xiàn)這種情況,結(jié)論:兩個(gè)電源間的電能流轉(zhuǎn),兩個(gè)電源同極性相連，電流總是從電勢(shì)高的電源流向電勢(shì)低的電源。電流大小決定于兩電勢(shì)之差和回路電阻。 電流從電源正極性端流出者為發(fā)出功率，從正極性端流入者為吸收功率。 兩電源反極性相連時(shí)則形成短路(因?yàn)榫€路等效電阻總是很小)，工作中應(yīng)嚴(yán)防發(fā)生。,8,第二節(jié) 三相半波逆變電路,電動(dòng)時(shí),9,一. 整流工作狀態(tài)(00, UdED, Id

3、=(Ud-ED)/R 電機(jī)吸收功率，電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài) 整流電路輸出電能 增大Ud減小轉(zhuǎn)速下降。,整流狀態(tài),Ud,10,二. 中間狀態(tài)(=90) Ud=0, ED=0，n=0, id=0(R=0理想狀態(tài)) 電機(jī)停轉(zhuǎn) 實(shí)際上電感有損耗，故此時(shí)id ud均間斷，Ud, ED很小。故電機(jī)處于緩慢爬行狀態(tài)。,中間狀態(tài),11,三. 逆變工作狀態(tài)(900(上正下負(fù))，則處于短路狀態(tài)。 要實(shí)現(xiàn)逆變工作應(yīng)滿足： 1。 UdUd，同時(shí)Ed反極性-外部條件。,逆變狀態(tài),控制角90度?,12,等效電路能量的流轉(zhuǎn),ua,ub,uc,13,=150為例分析波形及工作過程。設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)已存在ED,逆變工作模態(tài)分析（工作詳細(xì)分析）,

4、t1時(shí)刻,t2時(shí)刻,t3時(shí)刻,t1: 只觸發(fā)Ta， Ta導(dǎo)通（UaUc），ud=ua udED , L儲(chǔ)能（id增大）,t3:只觸發(fā)Tb ， Tb導(dǎo)通（UbUa），ud=ub 循環(huán)完成開關(guān)周期,t2后: EDud(ua), 但電抗器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)維持原有電流 L釋放能量（id減小),14,三相半波電路，如電感L足夠大而使電流id波形連續(xù)，則每個(gè)晶閘管導(dǎo)電120，故從輸出電壓 Ud波形不難求出直流輸出電壓：,逆變工作輸出電壓,注意控制角的范圍擴(kuò)展,90o 180o,則 d 0,15,是一條余弦曲線，波形同整流 對(duì)于其它形式電路，它們的輸出電壓與控制角關(guān)系是一致的 只是具體的Udo與U2的比值不一致

5、,逆變工作輸出電壓,16,決定于電機(jī)轉(zhuǎn)速，,可調(diào)節(jié)控制角,改變其大小。,為了防止過大電流，可以調(diào)節(jié),來控制電流大小。,通過控制,逆變工作輸出電流,17,L足夠大時(shí)， 每個(gè)SCR導(dǎo)通120 Ud =1.17U2cos Id=(ED-Ud)/R， 控制角可以調(diào)節(jié)Id大小 極性改變方法： 1.改變轉(zhuǎn)速方向 2.改變Ij方向,逆變工作小結(jié),18,Ud = Ud0 cos ， Ud0=0.9U2（單相橋） Ud0=1.17U2(三相半波, Ud0=2.34U2( 三相橋式 ),逆變工作小結(jié),19,對(duì)于不可能有負(fù)壓輸出的電路,不可能實(shí)現(xiàn)有源逆變。 如:橋式半控電路， 有續(xù)流二極管的電路。,逆變工作小結(jié),2

6、0,逆變角的定義,逆變角：為了分析和計(jì)算方便，通常把逆變工作時(shí)的控制角用表示，稱“逆變角”。定義 逆變角的參考點(diǎn)在負(fù)半周自然換相點(diǎn)處，此時(shí)輸出負(fù)壓最大（ 0） 逆變角的計(jì)量方向是向左，即以與控制角計(jì)量相反的方向計(jì)量逆變角 大小。 在/2 之間變化， 對(duì)應(yīng)在/2 0 之間變化,21,逆變狀態(tài)輸出電壓平均值可寫成,可見，當(dāng)=0時(shí),輸出電壓平均值Ud達(dá)到負(fù)最大值。,逆變角概念,22,晶閘管的電壓波形: 逆變時(shí) 主要承受正壓 峰值 U2l,23,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba

7、,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,2,w,t,O,w,t,O,圖34,整流,逆變,uTa,24,六. 對(duì)觸發(fā)電路的要求,以60的整流觸發(fā)與60的逆變觸發(fā)為例 不同的工作狀態(tài)對(duì)觸發(fā)脈沖電路的不同要求。,25,對(duì)于逆變工作狀態(tài)，則只能依次觸發(fā)晶閘管 Ta, Tb, Tc 如t2 時(shí)，由a相換流到b相，此時(shí)只能觸發(fā)Tb 因?yàn)楝F(xiàn)在Ub=Uc ，再要像整流狀態(tài)那樣將觸發(fā)脈沖同時(shí)供給三個(gè)晶閘管是不行的,對(duì)觸發(fā)電路的要求: 各相脈沖輪流 !,26,第三節(jié) 三相橋式逆變電路 （48學(xué)時(shí)不含）,27,逆

8、變條件？,逆變工作的內(nèi)部條件和外部條件 三相橋式整流電路，如果工作時(shí)滿足實(shí)現(xiàn)有源逆變的兩個(gè)條件，就成為三相橋式逆變電路,28,三相橋式電路的工作方式,對(duì)于整流電路 晶閘管必須成對(duì)導(dǎo)通 每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120 每隔60電路換流一次 導(dǎo)通順序：T+a T-c T+b T-a T+c T-b 對(duì)于逆變電路器件工作方式不變！,29,對(duì)于三相橋式逆變電路 注意各個(gè)功率管的自然換相點(diǎn) 順序?yàn)?T+a T-c T+b T-a T+c T-b； 如果有特定的逆變角，將相位向左移相即可,三相橋式電路的工作模態(tài)分析,-a-b,+c+a,-b-c,-c-a,+a+b,+b+c,30,圖36,31,uab,ua,ub,

9、Ta,T-c,T-a,T-b,uc,Tc,Tb,相電壓,線電壓,32,或,三相橋式逆變電路參數(shù)計(jì)算,逆變電路的參數(shù)計(jì)算與整流情況相似。 設(shè)電路內(nèi)電流連續(xù)，其輸出負(fù)平均電壓Ud為,33,直流電流平均值為,式中：,RB變壓器次級(jí)繞組電阻；,RD電路直流側(cè)包括電機(jī)電樞 電阻在內(nèi)的總電阻,輸出電壓Ud和電機(jī)電勢(shì)ED的極性和整流時(shí)相反,，,式（3-5）中Ud和 ED均為負(fù)值。,34,輸出電流有效值I應(yīng)等于,(3-6),其中,式中：,IB紋波電流有效值；,In第n次諧波電流有效值。,35,晶閘管的有效值電流IT和平均值ITav分別為：,(3-7),(3-8),36,交流電源送到直流側(cè)的有功功率,逆變時(shí)，E

10、D為負(fù)值,Pd則一般也為負(fù)值，,表示功率從直流電源送到交流電源。,37,根據(jù)工作波形可知，三相橋式電路線電流每周期內(nèi)流通時(shí)間為4/3,是晶閘管的兩倍因此變壓器次級(jí)線電流有效值為：,(3-9),三相電源的視在功率,功率因數(shù)仍為,38,第四節(jié) 逆變失敗與控制角的限制,39,一、逆變失敗,在整流電路中，如觸發(fā)不可靠造成丟失脈沖，其后果可能是某相無電壓輸出或全無輸出，造成停止供電。 在逆變電路中，如觸發(fā)不可靠，將使換相失敗，形成交流與直流兩電源的順極性串聯(lián)，造成短路而使逆變失敗，稱逆變失敗或逆變顛覆,40,丟失觸發(fā)脈沖時(shí)的工作波形,當(dāng)丟失觸發(fā)脈沖時(shí)的工作波形：在t1時(shí)應(yīng)有觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管使b相導(dǎo)通，

11、設(shè)此時(shí)觸發(fā)脈沖丟失: 在t1時(shí)刻，a相晶閘管將繼續(xù)導(dǎo)通，直到后來輸出電源電壓正半周期時(shí)，形成與電勢(shì)的順極性串聯(lián)，造成電路短路。,41,觸發(fā)脈沖延時(shí)時(shí)的工作波形,在t1時(shí)應(yīng)有觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管使b相導(dǎo)通，由于觸發(fā)電路故障，結(jié)果到t2時(shí)才觸發(fā)晶閘管 在t2時(shí)刻，a相電壓已經(jīng)變得高于b相電壓，結(jié)果b相的晶閘管將承受反壓而不能導(dǎo)通，而晶閘管將繼續(xù)導(dǎo)通，a相繼續(xù)輸出直到出現(xiàn)正半波時(shí)，形成與電勢(shì)順極性串聯(lián)的短路。,42,某相故障時(shí)的工作波形,此外，如果某相晶閘管發(fā)生故障，交流電源發(fā)生異常等均可造成逆變失敗。,在此時(shí)刻b相故障,43,0時(shí)開關(guān)時(shí)刻,當(dāng)0時(shí)的逆變狀態(tài)，電路輸出電壓為相電壓負(fù)半周的包絡(luò)線。這是在

12、不考慮晶閘管的開通和關(guān)斷時(shí)間，也不考慮電源變壓器的漏抗的前提條件下。 如果過了0時(shí)刻末發(fā)生換相，會(huì)出現(xiàn)無法換相（應(yīng)換相的晶閘管不再承受正向電壓），原有導(dǎo)通相繼續(xù)導(dǎo)通直到形成順極性串聯(lián)短路。,44,0時(shí)開關(guān)延時(shí)影響,考慮晶閘管開通和關(guān)斷時(shí)間，設(shè)電路原來c相導(dǎo)通，現(xiàn)在觸發(fā)使a相導(dǎo)通；晶閘管開通時(shí)間一般為6s，而關(guān)斷時(shí)間常需10s以上 如果仍在0進(jìn)換相，開關(guān)延時(shí)會(huì)使實(shí)際換相時(shí)刻超過0的點(diǎn) 由于a相電壓已經(jīng)變得小于c相電壓，晶閘管將不可能導(dǎo)通，c相電壓將繼續(xù)輸出直到形成與的順極性串聯(lián)而短路。 為了避免這種情況，所以應(yīng)當(dāng)提前換相，即角應(yīng)留有余量。,45,換相重疊角,實(shí)際變壓器都有漏抗，漏抗的存在將使換相

13、不可能瞬間完成。 如a相電流由Id逐漸下降到零，b相電流逐漸上升到Id，這個(gè)過程需要的時(shí)間以重疊角表示。 如果仍在0進(jìn)換相，換相重疊角會(huì)使實(shí)際換相時(shí)刻超過0的點(diǎn)，而造成順極性串聯(lián)而短路 為了避免這種情況，同樣也必須提前換相，即角應(yīng)留有余量。,余量多大？,46,逆變角裕量,如若逆變角裕量不夠，如時(shí)，則到達(dá)0時(shí)換相尚未完成，過了0時(shí)，換相失敗，又將發(fā)生交流電源某相電壓的正半周期與電勢(shì)的順極性串聯(lián)現(xiàn)象。 所以逆變角必須留出足夠多的裕量（考慮開關(guān)延時(shí)、換相重疊角等影響），保證在0時(shí)換相確實(shí)結(jié)束，,47,圖3-8,換相重疊角使輸出電壓Ud絕對(duì)值變大,48,二、最小逆變角min,min =+ -換相重疊角，算法與整流時(shí)相同。 - SCR關(guān)斷時(shí)間折合成的電角度 - 安全裕度角，可取10度。,49,一、什么是有源逆變：DC AC源 二、逆變工作的條件 1. 90 Ud ，且ED反極性 三、逆變工作時(shí)的波形分析（ud, uTa等） 與整流同理 四、逆變工作時(shí)的電參數(shù)計(jì)算，逆變角 與整流同理,50,注意： 1. 觸發(fā)脈沖：與各相電壓對(duì)應(yīng) 2. 逆變電路形式（須能輸出負(fù)壓，不能有續(xù)流管!）,五、整流與逆變的轉(zhuǎn)換：P66 圖3-3 六、逆變失敗 七、最小逆變角,51,作業(yè): 1. 三相半波逆變電路圖3 2(c) 。 /4 對(duì)于T+c : 1) 標(biāo)出, 角 2) 畫出ud, uT