电力电子有源逆变

BeijingJiaotongUniversity(BJTU)电力电子技术PowerElectronicsTechnologySpring2006电气工程学院陈洛忠BeijingJiaotongUniversity(BJTU)第四章有源逆变BeijingJiaotongUniversity(BJTU)逆变（invertion）：把直流转变成交流如：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送到交流电网中去逆变电路：把直流逆变成交流的电路有源逆变电路：电路的交流侧和电网连接，将直流逆变成与电网同频率的交流反送到电网（本章介绍）无源逆变电路：变流电路的交流侧不与电网连接，而直接接到负载，将直流逆变成固定频率或可调频率的交流供给负载（将在第6章介绍）对于全控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路结构未变，只是工作条件转变BeijingJiaotongUniversity(BJTU)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BeijingJiaotongUniversity(BJTU)本章内容4.1有源逆变电路的工作原理（概念）4.2三相有源逆变电路4.3变流电路的功率因数BeijingJiaotongUniversity(BJTU)一、有源逆变的概念1、直流发电机—电动机系统电能的流转图aM电动运转，EGEM，电流Id从G流向M，M吸收电功率。图b回馈制动状态，M作发电运转，此时，EMEG，电流反向，从M流向G。故M输出电功率，G则吸收电功率，M轴上输入的机械能转变为电能反送给G。图c两电动势顺向串联，向电阻R供电，G和M均输出功率。由于R一般都很小，实际上形成短路，在工作中必须严防这类事故发生。c)b)a)MGMGMGEGEMIdR∑EGEMIdR∑EGEMIdR∑4.1有源逆变电路的工作原理BeijingJiaotongUniversity(BJTU)2、变流电路—电动机系统电能的流转用单相全波电路代替上述发电机a)b)图2-45R+-电能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEMiVT1iVT2iVT1iVT2iVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1单相全波电路的整流和逆变图aM电动运行，全波电路工作在整流状态，在0～π/2之间，Ud为正值，并且UdEM，才能输出Id。交流电网输出电功率电动机输入电功率电动机输出电功率交流电网输入电功率图bM回馈制动，由于晶闸管的单向导电性，Id方向不变，欲改变电能的输送方向，只能改变EM极性。为了防止两电动势顺向串联，Ud极性也必须反过来，即Ud应为负值，且|EM||Ud|，才能把电能从直流侧送到交流侧，实现逆变。Ud可通过改变来进行调节，逆变状态时Ud为负值，逆变时在π/2～π之间。BeijingJiaotongUniversity(BJTU)3、实现有源逆变的条件从上述分析中，可以归纳出要实现有源逆变，必须满足下列条件：（1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。（外部条件）（2）晶闸管的控制角π/2，使Ud为负值。（内部条件）半控桥或输出端有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路BeijingJiaotongUniversity(BJTU)4、改变电枢电势E极性的方法（1）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）（2）改变励磁电流方向（3）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BeijingJiaotongUniversity(BJTU)5、逆变角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）表示相控角度规定：角计算的起始点为控制角=处计算方法：自=（=0）的起始点向左方计量、的关系：=－或＋=BeijingJiaotongUniversity(BJTU)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BeijingJiaotongUniversity(BJTU)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BeijingJiaotongUniversity(BJTU)•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BeijingJiaotongUniversity(BJTU)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，M工作于电动状态BeijingJiaotongUniversity(BJTU)变流器工作于逆变状态（2）电动机工作于发电状态，由于Id方向不能改变，因而要求：E0（反极性），Ud0（反极性）且UdEBeijingJiaotongUniversity(BJTU)3、单相桥式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•其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行cosU9.0cos0.9UU22ddBIx2cosU9.0U2d222coscos(UIx)dBBeijingJiaotongUniversity(BJTU)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“+”BeijingJiaotongUniversity(BJTU)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BeijingJiaotongUniversity(BJTU)4.2三相有源逆变电路一、三相半波有源逆变电路•变流器工作于整流状态（02）Ud0,E0，UdE，M工作于电动状态BeijingJiaotongUniversity(BJTU)•变流器工作于逆变状态（2）电动机工作于发电状态，由于Id方向不能改变，因而要求：Ud0（反极性）,E0（反极性）UdEBeijingJiaotongUniversity(BJTU)BeijingJiaotongUniversity(BJTU)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＋=BeijingJiaotongUniversity(BJTU)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262coscos(UIx)dBBeijingJiaotongUniversity(BJTU)其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行BeijingJiaotongUniversity(BJTU)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BeijingJiaotongUniversity(BJTU)2、三相桥式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•其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行cosU34.2cos2.34UU22ddBIx3cosU34.2U2d262coscos(UIx)dBBeijingJiaotongUniversity(BJTU)逆变失败及最小逆变角的限制定义：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BeijingJiaotongUniversity(BJTU)逆变失败的原因（1）触发脉冲丢失T2的触发脉冲ug2丢失以三相半波可控电路为例BeijingJiaotongUniversity(BJTU)（2）触发脉冲延迟T2的触发脉冲ug2延迟BeijingJiaotongUniversity(BJTU)（3）晶闸管发生故障（指晶闸管失去阻断或导通能力）T3失去阻断能力BeijingJiaotongUniversity(BJTU)（4）换相的裕量角不足BeijingJiaotongUniversity(BJTU)（5）交流电源发生异常现象，如：交流电源突然断电交流电源电压太低交流电源缺相不论什么原因，逆变失败都将造成电流急剧上升BeijingJiaotongUniversity(BJTU)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）BeijingJiaotongUniversity(BJTU)•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BeijingJiaotongUniversity(BJTU)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BeijingJiaotongUniversity(BJTU)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minBeijingJiaotongUniversity(BJTU)确定最小逆变角min的依据（1）最小逆变角min=++:换相重叠角（约为15~20）:SCR的关断时间tq折合的电角度，叫恢复阻断角，=tq，tq约为200~300s，折算成电角度δ约4~5:安全裕量角（一般取10）最小逆变角βmin一般可取30~35β角越大，逆变越可靠，但功率因数越低BeijingJiaotongUniversity(BJTU)例4-1三相全控桥式整流电路接阻感反电势负载。已知整流变压器副边线电压UAB=220V，交流侧电感LB=0.5mH，R=2Ω，E=-290V，α=150º，ω=100π，Ld足够大，求直流端电压、电流和交流电源的功率因数λ。解：交流侧电抗为输出直流平均电压为输出电压又可表示为)(157.0105.01003BBLxdBABdddIxUUUU26150cos35.1cos0ERIUddBeijingJiaotongUniversity(BJTU)负载侧的功率为负载功率为负值，表明负载侧实际是供出电能回馈到电网的交流电源的功率因数为)(396026.155.259WIUPddd83.077.4744396022026.153233960SPd所以)(5.259290226.15)(26.1515.022.257