电力电子技术-第4章有源逆变电路

2020年3月2日第4章有源逆变电路2020年3月2日本章学习内容4.1有源逆变电路4.2三相逆变电路4.3逆变电路的应用2020年3月2日如何将交流电源变换成直流电源？简单！用前面学过的整流电路就行！这个吗？…….那如何将直流电源变换成交流电源？2020年3月2日逆变的概念生产实际中，往往出现需要将直流电能变换为交流电能的情况。例如，应用晶闸管整流供电的电力机车，当机车下坡运行时，机车上的直流电机将由于机械能的作用作为直流发电机运行，此时就需要将直流电能变换为交流电能回送电网，以实现电机制动。这种对应于整流的逆向过程，定义为逆变。实现逆变的电路及装置称为逆变电路、逆变器。2020年3月2日根据输出交流电能的去向，逆变器电路可分为有源逆变和无源逆变两大类。如果将逆变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反送到电网上，称为有源逆变。它用于直流电动机的调速、绕线型异步电动机的串级调速、电力机车的下坡行驶、电梯和卷扬机的重物下放时、高压直流输电和太阳能发电等方面。如果逆变器的交流侧不与交流电网连接，而是直接接到负载，即把直流电逆变为某一固定频率或可调频率的交流电供给负载，则称为无源逆变。它在交流电动机的变频调速、感应炉加热、不间断电源、开关电源等方面应用十分广泛，是电力电子技术应用的一个重要方向。逆变的概念2020年3月2日4.1有源逆变电路4.1.1认识整流与逆变的关系同一电力元件主电路和控制电路既可用作整流又能用于逆变。不同的仅是控制角所在区间不一样。所以称此类电路为变流电路或变流器。有源逆变电路和整流电路一样，种类很多，如果按相数来分，可分为单相、三相和多相整流电路；电路结构：2020年3月2日4.1有源逆变电路4.1.1认识整流与逆变的关系能量传递：整流时能量是交流电网发出经过电路转换成直流电供给负载，如图4.1(a)所示。而逆变时能量是直流电源（此电源或为电机或为直流电池）经过电路转换成交流电返回给电网或者给负载，如图4.1(b)所示。2020年3月2日4.1.2有源逆变电路的工作过程4.1有源逆变电路以卷扬机械为例，由单相全波整流电路供电给直流电动机为动力，分析提升和下放重物两种工作情况。1.提升重物时，变流器工作于整流状态(0°≤α≤90°)TV1V2V3V4udidu1u2i2RL--++ab+-E重物M_+-2020年3月2日4.1有源逆变电路4.1.2有源逆变电路的工作过程addREUI电动机M处于电动状态，提升重物。整流器输出功率，电动机吸收功率。输出平均电流Id为：式(4-1)中E为电动机的反电动势，Rd为电机绕组电阻如果减小α则Ud增大，Id瞬时随之增大，导致电动机电磁转矩增大而大于负载转矩，电机做加速运行，转速升高，提升速度加快。随着转速升高，E=CeФn增大，使Id随转速的升高而逐渐降底，当Id随减小至Ud增大前的数值时，电路达到平衡，电机结束加速过程，在较高的转速下匀速提升重物。反之α增大则电动机转速会下降。所以，改变控制角α可以方便地改变提升速度。(4-1)2020年3月2日2.下放重物时，变流器工作于逆变状态(0°≤α≤90°)4.1有源逆变电路4.1.2有源逆变电路的工作过程2020年3月2日下放重物时由于重力作用，重物的重力拖动电动机反转，使电动机处于发电状态。电机反转时其电动势E的极性也发生改变，上负下正，如图4.2(b)所示。如果整流电路的控制角α仍在0°～90°范围内变化，Ud的极性就不会变，这样就会和电动势E顺向串联形成短路。为了保证安全，要求Ud的极性必须反过来，即上负下正。因此，整流电路的控制角α必须在90°～180°范围内变化。此时，电流Id为：addRUEI4.1.2有源逆变电路的工作过程2020年3月2日由于晶闸管的单向导电性，Id方向仍然应该是从整流电路流入电动机负载保持不变。如果逆变时|E||Ud|，则因晶闸管的单向导电性不能改变Id的方向而迫使Id=0，如果|E||Ud|，则Id将保持整流状态时的方向，使回路中有电流通过，只是此时是由电动机电动势E的正极流出，负极流入而构成回路的，所以电动机的电势|E|必须大于|Ud|逆变回路中才能有电流。此时晶闸管的阳极电位大部分处于交流电压的负半周期，但由于有外接直流电动势E的存在，使晶闸管仍然承受正向电压导通。电动势E的极性发生了改变但电流的方向不变，因此处于发电状态的电动机就发出功率，通过变流电路，将直流功率逆变成50HZ的交流电返送回电网，这就是有源逆变工作状态。4.1.2有源逆变电路的工作过程addRUEI2020年3月2日从上述的分析可以归纳出要实现有源逆变有两个条件：①外部条件：要有一个能提供能量的直流电源，其极性必须与晶闸管的导通方向一致。其值应大于变换电路的输出电压Ud。②内部条件：变流电路必须工作在α90°的区域内。这两个条件缺一不可。由于半控桥式整流电路或有续流二极管的可控整流电路不能输出负电压，在直流侧也不能出现负极性的电压，故不能实现有源逆变。4.1有源逆变电路2020年3月2日4.2三相逆变电路4.2.1三相半波逆变电路的工作过程图4.3为三相半波可控电路，其负载为电动机。电动机的反电动势E的极性如图4.3(a)所示，当|E||Ud|，控制角α90°，可以实现有源逆变。逆变电路输出电压计算公式和整流电路的计算公式相同为：Ud=1.17U2cosα(4-3)2020年3月2日4.2三相逆变电路由于逆变时α90°，计算cosα不方便，所以引入逆变角β，二者的关系为α=π－β，则式(4-3)可改写成：Ud=－1.17U2cosβ(4-4)逆变角为β的触发脉冲起算点可从α=180°的时刻左移β角来确定。图4.3(b)为α=120°，即β=60°时的逆变波形。在β=60°时给晶闸管V1触发脉冲信号ug1，因有E的作用，ua为正，V1管导通（即使ua为负，但|E||ua|，V1管仍可能承受正压而导通）。电动机提供电能，电流id从E的正极流出，经a相流入V1管，ud=ua，电路中的开关器件按电源相序依次换相，每个晶闸管导通120°。ud波形如4.3(b)图中实线所示，直流平均电压在横轴下面为负值，数值比电动机的反电动势E略小。逆变时管子两端电压波形与整流时一样，以V1管为例，一个周期内先120°导通，接着120°由于V2管导通承受uab电压，最后120°由于V3管导通承受uac，电压，其波形如图4.3(c)所示。2020年3月2日4.2.2三相桥式逆变电路三相桥式全控整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式有源逆变电路。与三相桥式整流电路一样，要求每隔60°依次触发一个晶闸管，使晶闸管V1～V6依次导通，保证每个瞬间共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管导通。电流连续时，每个晶闸管导通120°，触发脉冲必须是双窄脉冲或者是宽脉冲。输出直流侧电压为：Ud=－2.34U2cosβ(4-5)4.2三相逆变电路2020年3月2日4.3逆变电路的应用有源逆变最典型的实际应用之一就是绕线式异步电动机的串级调速系统。绕线式异步电动机的转子侧串入附加电动势进行调速，这种方法称为串级调速。它的工作原理是利用三相整流电路将电动机的转子电动势整流成直流电压，经滤波后通过有源逆变电路再变换为三相工频电源返送回电网。在此过程中通过调节逆变电路中附加直流势的值实现交流异步电动机的调速，而有源逆变电路还可将电动机降速时的多余能量回收。主电路如图4.4所示2020年3月2日设异步电机带动恒转矩负载在某一转速下稳定运行。现在要改变其转速，可以通过控制逆变电路的逆变角β来实现。当β角增大时，逆变电压Ui相应减小，但受机械惯性作用，电机转速不会立即变化，所以Ud仍维持原值。这样，根据式(4-6)，转子整流回路电流Id就要增大，转子电流和电磁转矩都会相应增大，而负载转矩未变，电机做加速运动。在加速过程中，转子整流电压Ud随之减小，又使电流Id减小，直到Ud、Ui与Id间依式(4-6)取得新的平衡为止。最后，电机进人新的稳定运行状态，并以比原转速更高的转速运行。同理可知，减小β角时，电机将降低转速运行。这就是以电力电子器件组成的绕线转子异步电机电气串级调速系统的工作原理。分析可得整流后电机转子直流回路电压平衡方程式:Ud=Ui＋IdR(4-6)4.3逆变电路的应用