第2章 有源逆变电路

电力电子技术第2章有源逆变电路第2章有源逆变电路在一般情况下，同一套晶闸管电路既可作整流又可作逆变，这种装置通常称为变流器，把变流器的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变为同频率的交流电返送到交流电网上，称为有源逆变。•2.1有源逆变电路的工作原理•2.2三相有源逆变电路•2.3有源逆变电路的应用2.1有源逆变电路的工作原理•2.1.1直流发电机-电动机系统电能的流转•2.1.2有源逆变电路的工作原理•2.1.3产生逆变的条件2.1.1直流发电机-电动机系统电能的流转图2-1所示直流发电机一电动机系统中，M为直流电动机，G为直流发电机，励磁回路未画出。控制发电机电势的大小和极性，可实现电动机四象限的运行状态。两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的部分流向电动势低的部分，由于回路电阻很小，即使很小的电动势差值也能产生大的电流，使两个电动势之间交换很大的功率，这对分析有源逆变电路是十分有用的。REEIGd图2-1直流发电机-电动机之间电能的流转(a)两电动势同极性EGE(b)两电动势同极性EEG(c)两电动势反极性，形成短路REEIGdREEIGd2.1.2有源逆变电路的工作原理•以卷扬机为例，由单相全波相控整流供电直流电动机作为动力，分析重物提升与下降两种工作情况。电路如图2-2所示（图中箭头方向表示参考方向，极性方向表示实际方向）。addREUI图2-2(a)提升重物(b)放下重物整流工作状态有源逆变工作状态addRUEI电路工作在逆变时的直流电压由于逆变运行时α＞π/2，cosα计算不方便，所以引入逆变角β，令α=π-β，故：coscos9.0)(sin21022ddUUttdUUcos)180cos(cos000dodddUUUU2.1.3产生逆变的条件实现有源逆变必须同时满足两个基本条件：1．外部条件要有一个极性与晶闸管导通方向一致的直流电势源。其数值应稍大于变流器直流侧输出的直流平均电压Ud。2．内部条件要求变流器中晶闸管的控制角α＞π/2，这样才能使变流器直流侧输出一个负的平均电压，以实现直流电源的能量向交流电网的流转。2.2三相有源逆变电路•2.2.1三相半波有源逆变电路•2.2.2三相全控桥有源逆变电路•2.2.3逆变失败与最小逆变角的限制2.2.1三相半波有源逆变电路图2-5（a）为三相半波电动机负载电路，电动机电动势E的极性符合有源逆变条件，当|E|＞|Ud|且βπ/2时，可实现有源逆变。变流器直流电压图2-5(b)为β=π/3时电压ud的波形，uT1波形如图2-5(c)所示。在图2-6中分别绘出控制角为π/3、π/2、2π/3、5π/6时输出电压ud的波形以及晶闸管VT1两端的电压波形。cos17.1coscos20UUUUdodd图2-5三相半波逆变电路图2-6三相半波电路输出电压及晶闸管VT1两端的电压波形2.2.2三相全控桥有源逆变电路输出直流电压的平均值输出直流电流的平均值在逆变状态时，Ud和EM的极性都与整流状态时相反，均为负值。从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：cos35.1cos34.222ldUUUREUIMdddMddIEIRP2图2-7三相全控桥有源逆变电路的波形2.2.3逆变失败与最小逆变角的限制1．逆变失败的原因造成逆变失败的原因很多，主要有下列几种情况：（1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲。（2）晶闸管发生故障，在应该阻断期间，器件失去阻断能力，或在应该导通期间，器件不能导通，造成逆变失败。（3）在逆变工作时，交流电源发生缺相或突然消失。（4）换相的裕量角不足，引起换相失败。如图2-8所示图2-8交流侧电抗对逆变换相过程的影响2．确定最小逆变角βmin的依据逆变时允许采用的最小逆变角β应为：min2.3有源逆变电路的应用•2.3.1由晶闸管桥路供电、用接触器控制直流电动机的正反转•2.3.2采用两组变流桥的可逆电路•2.3.3交流电动机的串级调速•2.3.4高压直流输电2.3.1由晶闸管桥路供电、用接触器控制直流电动机的正反转图2-9为采用一组晶闸管组成的变流器给电动机电枢供电、用接触器控制的正反转电路。当晶闸管桥路工作在整流状态，接触器KM1触点闭合时电动机正转；KM1断开KM2闭合时则电动机反转。当电动机从正转到反转时，为了实现快速制动与反转、缩短过渡过程时间以及限制过大的反接制动电流，可将桥路触发脉冲移到απ/2，即工作在逆变状态。在初始阶段KM1尚未断开，在电抗器中的感应电动势作用下，电路进入有源逆变状态，将电抗器中的能量逆变为交流能量返送电网。图2-9用接触器反向的可逆电路2.3.2采用两组变流桥的可逆电路两组变流桥反极性连接有两种供电方式，一种是两组变流桥由一个交流电源或通过变压器供电，称为反并联连接，常用的反并联电路如图2-10所示。当电动机磁场方向不变时，正转时由Ⅰ组桥供电；反转时由Ⅱ组桥供电，采用反并联供电可使直流电动机在四个象限内运行。如图2-11所示。图2-10两组晶闸管反并联的可逆电路（a）单相全波（b）三相半波（c）单相桥式（d）三相桥式图2-11反并联可逆系统四象限运行图2.3.3交流电动机的串级调速串级调速主电路如图2-12所示，逆变电压Udβ为引入转子电路的反电动势，改变逆变β即可改变反电动势大小，达到改变转速的目的。Ud是转子整流后的直流电压图2-12串级调速主电路原理图2.3.4高压直流输电图2-13(a)是在两个交流电力系统之间用高压直流输电连接的原理图。直流高压由晶闸管变流器串联来实现，如图2-13(b)所示，它的直流电压可达±200kV或500kV。图2-13高压直流输电（a）高压直流输电的原理示意图（b）高压直流输电