电力电子技术三章 有源逆变

有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-0第三章有源逆变与相控变流器特性有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-1要求及重点•理解和掌握单相、三相有源逆变电路的工作原理，有源逆变的应用和整流电路的功率因数及其改善的方法。•重点：波形分析法，有源逆变的条件和有源逆变失败的原因。有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-2第一节有源逆变电路概述一、逆变电路的分类•根据逆变输出交流电能去向分类：–有源逆变•以电网为负载•变流装置（变流器）–无源逆变•以用电器为负载•变频器有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-3二、电源间能量的流转关系(a)E1E2时(b)E2E1时(c)电源反极性相连REEI21REEI12REEI21有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-4电源间能量的流转关系（续）•电流从电源的正极流出者，该电源为输出功率；•电流从电源的负极流出者，该电源为输入功率。•两个电源反极性相连时，如果电路总电阻很小，会形成电源间短路故障。有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-5三、单相桥式有源逆变电路•变流器工作于整流状态（02）Ud0,E0UdE有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-6单相桥式有源逆变电路（续）•变流器工作于逆变状态（2）Ud0,E0UdE有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-7四、实现有源逆变的条件•有一个直流电源，极性为上“”下“+”；•变流器的2，即Ud0•UdEE约等于Ud•半控电路或具有续流二极管的电路，不能实现有源逆变，因为：–不能输出负电压–E的极性不能为上“”下“+”；有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-8五、改变电枢电势E极性的方法•某些机械能随着工况的不同自动改变E的极性（如直流卷扬机）。•改变励磁电流方向。•反接电枢回路。•在可逆拖动系统中，通常采用两套变流器相互切换。有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-9第二节三相有源逆变电路一、三相半波逆变电路•变流器工作于整流状态（02）Ud0,E0，UdE有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-10三相半波有源逆变电路（续）•变流器工作于逆变状态（2）Ud0,E0UdE有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-11三相半波有源逆变电路（续）有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-12逆变角的计算•为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆变角（或称引前触发角）表示。•规定：角计算的起始点为控制角=处，计算方法为自=（=0）的起始点向左方计量。•、的关系：=－或＋=有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-13三相半波电路逆变电压的计算•变流器直流侧电压计算公式•考虑换相重叠角cosU17.1cosU1.17U22ddBIx23cosU17.1U2d有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-14二、三相桥式全控有源逆变电路•变流器工作于逆变状态（2）Ud0,E0UdE有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-15三、逆变失败•定义：逆变运行时，一旦发生换相失败，使整流电路由逆变工作状态进入整流工作状态，Ud又重新变成正值，使输出平均电压和直流电势变成顺向串联，外接的直流电源通过SCR电路形成短路，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-16逆变失败的原因•触发电路工作不可靠–触发脉冲丢失（见左图）–触发脉冲延迟（见右图）有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-17逆变失败的原因（续）•晶闸管发生故障（见左图）•换相的裕量角不足（见右图）•交流电源发生异常现象有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-18避免逆变失败的措施•采用可靠的触发电路；•选用可靠的SCR，防止误导通；•加快速熔断器或快速开关；•逆变角不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-19四、确定最小逆变角min的依据•最小逆变角min=++:SCR的关断时间tq折合的电角度，叫恢复阻断角，=tq:换相重叠角:安全裕量角•在可逆直流拖动系统中，一般要求minmin有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-20第三节固定逆变角与自调逆变角的有源逆变•固定逆变角–固定–minmax+–在大部分工作期间是以过大的角运行，使得电机再生制动时的功率因数下降，电流和电压波形畸变加大，增加了干扰。•自调逆变角（固定恢复阻断角）–随负载变化而自动调节，min=+有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-21保证再生制动工作点稳定的方法Ud=E－IdRUd=－Ud0cosE=Cen•改变励磁电流•改变变压器电压•调节角有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-22第四节有源逆变的应用•高压直流输电有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-23有源逆变的应用（续）•绕线式异步电动机晶闸管串级调速有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-24有源逆变的应用（续）•直流可逆电力拖动系统有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-25第五节多相整流电路的谐波分析•任何周期性波形都可以分解为直流分量、正弦波基波分量和一系列频率为基波整数倍的谐波分量。•整流电路的谐波包括：–变流器直流侧谐波–交流电源侧谐波有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-26一、变流器直流侧谐波分析（=0）•在（m~m）•傅立叶级数分析•ud以2m为周期tUudcos22mknnddtnbUucos)2cos()2(coscosmntnmtntn有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-27直流侧谐波分析（=0）（续）•因此–在整流输出电压中，谐波级次n一定是脉波数m的整数倍。•根据傅立叶级数分析•结果mknmmnttdntUmbcoscos2/12mknddtnnkUucos1cos2120有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-28直流侧谐波分析（=0）（续）•两相半波电路（m=2）•三相半波电路（m=3）...756cos2534cos2312cos212sin222tttUud...1089cos2756cos2423cos213sin322tttUud有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-29直流侧谐波分析（=0）（续）•三相桥式电路（m=6）–脉波数（相数）的增加使谐波中最低次谐波的频率增加，同时其幅值迅速减少。–增加整流器的脉波数m，对减少直流侧谐波、改善输出波形质量有重要的作用。...191718cos2131112cos2756cos216sin622tttUud有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-30直流侧谐波分析（0）•空载直流电压的n次谐波的有效值–整流器输出直流电压中的谐波分量，将随延迟角的增大而显著上升。22202)(sincos12nUnUdnd有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-31二、交流电源侧谐波电流分析•对于理想的m脉波整流器，则在交流侧只有下列级次的谐波电流：=mk1•每个谐波电流分量的幅值为基波电流的1/，即谐波电流分量的大小与其频率成反比。•实际应用中，当需要比较精确的检测变流器交流侧谐波电流时，必需同时考虑到脉波数m、延迟角和重迭角三个参数的影响。有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-32第七节整流电路的功率因数•定义–整流电路电网侧有功功率与视在功率之比•计算方法–=coscos：位移系数:电流畸变系数–也可用=Pd/S计算有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-33功率因数的改善方法•全控变流器的半控工作状态整流波形逆变波形有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-34功率因数的改善方法（续）•强迫换相–息灭角控制（右上）–对称角控制（右下）–脉冲宽度控制（左）有源逆变March3,2000北方交通大学电气工程系3-35功率因数的改善方法（续）•串联变流器的顺序控制