第四章-有源逆变电路

第四章有源逆变电路重点和要求1.理解逆变的概念。2.理解和掌握三相有源逆变电路的工作原理，数量关系；逆变失败的原因和最小逆变角的限制。3.了解其他相关内容。1.第一节逆变的概念一、什么是逆变？为什么要逆变？相对于整流而言，逆变是它的逆过程，一般习惯于称整流为顺变，则逆变的含义就十分明显了。同一套电路，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。这样的电路统称为变流装置。逆变（Invertion）——把直流电转变成交流电，整流的逆过程。逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路——交流侧接在交流电网上，电网成为负载，在运行中将直流电能变换为交流电能并回送到电网中去。应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。无源逆变电路——交流侧不与电网联接，而直接接到负载，在运行中将直流电能变换为某一频率或可调频率的交流电能供给负载。将在第8章介绍。第一节逆变的概念第一节逆变的概念二、直流发电机—电动机系统电能的流转直流发电机—电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EGEMb）两电动势同极性EMEGc）两电动势反极性，形成短路1.电路工作过程分析G:直流发电机M:电动机控制发电机电动势的大小和极性，可实现电动机四象限的运转状态。图(a)中：M电动运转，EG＞EMGMdEEIRG输出电能EGId，其中一部分为R所消耗的Id2R，其余部分则为电源M所吸收的EMId。注意:输出电能的G的电势方向与电流方向一致，而吸收电能的M电势方向与电流方向相反。第一节逆变的概念整流状态M输出电能，G吸收电能,M的机械能转变为电能反送给G。图(b)中：若由于某种原因，EM＞EG，M发电运转，电流反向MGdEEIR第一节逆变的概念逆变状态回馈制动G和M均输出电能，输出的电能全部消耗在电阻R上。若电阻值很小，电路中的电流必然很大；若R=0，则形成G、M短路。图(c)中:G、M反极性相连MGdEEIR第一节逆变的概念短路综上所述，可得出以下结论：(1)两电动势源同极性相连，电流从高电势流向低电势，电流大小取决于两个电势之差与回路总电阻的比值。若回路电阻很小，很小的电势差也可形成较大的电流，使两电动势源之间发生较大能量的交换。（EM≈EG，Id的大小取决于负载）(2)电流从电源的正极流出，该电源输出电能；而电流从电源的正极流入，该电源吸收电能。电源输出或吸收功率的大小由电势与电流的乘积来决定。（EG﹥EM,整流；EG﹤EM：逆变）(3)两个电源反极性相连，如果电路的总电阻很小，将形成电源间的短路，应当避免发生这种情况。第一节逆变的概念三、有源逆变产生的条件单相双半波电路代替上述发电机给电动机供电单相双半波电路的整流和逆变a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUdEMu10udu20u10OOwtwtIdidUdEMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1电动机输出电功率交流电网输出电功率第一节逆变的概念改变EM的极性；Ud极性也必须相反。怎样使Ud方向相反？产生有源逆变的条件：1.外部条件：有直流电动势源存在，直流电势源可以是直流电机的电枢电势，也可以是蓄电池电势。其极性和晶闸管导通方向一致，其直流电压值略大于变流器直流侧平均电压。第一节逆变的概念上述两个条件必须同时具备才能实现有源逆变。2.内部条件：要求晶闸管的控制角aπ/2，使Ud为负值。以实现直流电源的能量向交流电网的流转。必须指出：半控桥或有续流二极管的电路，因其不允许直流侧出现负极性的电动势,整流电压ud也不能出现负值，故不能实现有源逆变。（欲实现有源逆变，只能采用全控电路）第二节三相有源逆变电路1.基本通式：波形连续的情况下,整流输出电压与控制角之间存在关系：0cosddUUa202222L0.92,2sin1.173,2.341.356,dUmmUUUmmUUm单相双半波，单相桥三相半波（）三相桥逆变状态和整流状态的区别：控制角a不同0a/2时，电路工作在整流状态/2a时，电路工作在逆变状态2.逆变角的概念：为实现逆变，需一反向的EM，而Ud因a﹥π/2已自动变为负值，满足逆变条件。因而可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题。把aπ/2时的控制角用π-a=β表示，β称为逆变角。整流状态：α＜π/2，相应的β＞π/2；逆变状态：α＞π/2，而β＜π/2。第二节三相有源逆变电路第二节三相有源逆变电路关于逆变角的几点说明：1）引入β概念，可使逆变时的Ud公式变为：0cosddUU突出负号★2）逆变角β和控制角a的计量方向相反，其大小自β=0的起始点向左方计量。a的计量方向：自然换相点起，向右计量；β的计量方向：自然换相点+π起，向左计量。3）引入β后，有：整流时：Ud=Ud0cosa;逆变时：Ud=-Ud0cosβ。(a)整流工作状态；(b)逆变工作状态一、三相半波逆变电路第二节三相有源逆变电路TaV1bV2cV3udRidLM＋－＋－EDTaV1bV2cV3udRidLM＋－＋－ED0udauaubucuawt0idwtiV1iV2iV3iV1(a)0udauaubucuawt0idwtiV1iV2iV3(b)wt1iV31.电路结构图(a)所示:α=30°时依次触发晶闸管，其输出电压波形如图黑实线所示。因负载接有大电感，故电流连续。1）整流工作状态（0＜α＜π/2）电流Id从Ud的正端流出，从ED的正端流入;能量的流转关系:交流电网输出能量，电机吸收能量以电动状态运行。第二节三相有源逆变电路2.工作原理对于0＜α＜π/2范围内其它移相角，即使输出电压的瞬时值ud有正有负，但正面积总是大于负面积，输出电压平均值Ud总为正，极性上正下负，且Ud略大于ED。若此时电动机端电势已反向，下正上负，控制角α=150°，依次触发晶闸管。2）电路的逆变工作状态（π/2＜α＜π）虽此时ua=0，但因有ED存在，VT1承受ED仍可触发导通，并输出ua。VT1被触发导通后，虽然ua为负值，因ED存在且|ED|＞|ua|，VT1仍受正压而导通。第二节三相有源逆变电路◇ωt1时刻触发a相晶闸管VT1(c→a)：即使不满足|ED|＞|ua|，平波电感(L→∝)的存在使主回路电流连续。仍可使VT1承受正压继续导通。VT1导电120°后，触发VT2导通，由于此时ub＞ua，VT1反压关断，完成换相，电路输出电压为ub。如此循环往复。如图(b)中黑实线所示：当π/2﹤α﹤π时，输出电压瞬时值ud在整个周期内有正有负或者全部为负，负电压面积总是大于正面积，输出电压的平均值Ud为负值，极性下正上负。第二节三相有源逆变电路输出电压ud波形：此时电机端电势ED稍大于Ud，主回路电流Id方向依旧，但它从ED的正极流出，从ud的正极流入。能量的流转关系:电机向外输出能量，以发电机状态运行，交流电网吸收能量，电路以有源逆变状态运行。一般通过分析变流器直流侧的电压和电流平均值来分析交流电网究竟是输出功率还是输入功率。交流电源与直流电源能量的流转按有功功率Pd=UdId分析：整流状态：Ud＞0，Pd＞0：表示电网输出功率；逆变状态：Ud＜0，Pd＜0：表示电网吸收功率。交流电源与直流电源能量的流转:第二节三相有源逆变电路晶闸管VT1、VT2、VT3交替导通工作完全与交流电网变化同步，从而可以保证能够把直流电能变换为与交流电网电源同频率的交流电回馈电网。能量流转分析方法:变流器中的晶闸管，无论在整流或是逆变状态，其关断时承受的正向或反向电压峰值均应为线电压的峰值。整流状态:晶闸管关断时主要承受反向电压；逆变状态：晶闸管关断时主要承受正向电压。晶闸管承受电压：第二节三相有源逆变电路逆变时，其输出电压平均值的计算公式可改写成：cosddoUUβ从π/2逐渐减小时，输出电压平均值Ud的绝对值逐渐增大，其符号为负值。逆变电路中，晶闸管之间的换流完全由触发脉冲控制，其换流趋势总是从高电压向更低的阳极电压过渡。这对触发脉冲提出了格外严格的要求，其脉冲必须严格按照规定顺序发出，且要保证触发可靠，否则极容易造成因晶闸管之间的换流失败而导致的逆变颠覆。第二节三相有源逆变电路第三节逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败（逆变颠覆）电路在逆变状态运行时，若出现晶闸管换流失败，则变流器输出电压与直流电压将顺向串联，由于回路电阻很小，将产生很大的短路电流，以至可能将晶闸管和变压器烧毁。上述事故称为逆变失败或逆变颠覆。1.触发电路工作不可靠触发电路不能适时、准确地供给各晶闸管触发脉冲，造成脉冲丢失或延迟以及触发功率不够，均可导致换流失败。一旦晶闸管换流失败，势必形成一只元件从承受反向电压导通延续到承受正向电压导通，Ud反向后将与ED顺向串联，出现逆变颠覆。一、逆变失败的原因第三节逆变失败与最小逆变角的限制2.晶闸管出现故障，在应该关断的时候丧失了关断能力，而应该导通的时候却无法导通。也将导致电路的逆变失败。第三节逆变失败与最小逆变角的限制3.从逆变电路电流公式RUEIdDd可看出，电路在有源逆变状态下，如果交流电源突然断电或者电源电压过低，上述公式中的Ud都将为零或减小，从而使电流Id增大以至发生电路逆变失败。第三节逆变失败与最小逆变角的限制★4.有源逆变电路的控制电路在设计时，应充分考虑变压器漏电感对晶闸管换流的影响以及晶闸管由导通到关断存在着关断时间的影响，否则会由于逆变角β太小造成换流失败，导致逆变颠覆的发生。以共阴极三相半波电路为例，分析由于β太小而对逆变电路产生的影响。第三节逆变失败与最小逆变角的限制换相重叠角对逆变的影响：当g，从m（β=0）点向左β角度触发VT1，换流开始，iT3↘，iT1↗。换流结束时，uauc,VT1导通，VT3受反压关断。当g，从n（β=0）点向左β角度时刻触发VT1,换流开始，iT3↘，iT1↗。由于β＜γ，到达n点（β=0），iT3未降至零，VT3并未关断，过n点后VT3阳极电压高于VT1阳极电压继续导通，而VT1受反压重新关断。VT3继续导通的结果使变流器从逆变过渡到整流状态，电机电势与变流器输出电压顺向串联，造成逆变失败。udOOidwtwtuaubucuaubnggaggiVT1iVTiVT3iVTiVT322c换相到a：VT3换流到VT1。m结论：第三节逆变失败与最小逆变角的限制1.β不能等于零。2.β不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。有源逆变时允许采用的最小逆变角应等于min=d+g+q′g——换相重叠角，随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。d——晶闸管的关断时间tq折合的电角度tq大的可达200~300ms，折算到电角度约4~5。q′——安全裕量角主要针对脉冲不对称程度（一般可达5）。约取为10。二、确定最小逆变角βmin的依据结论：βmin﹥γ第三节逆变失败与最小逆变角的限制因为换相重叠角γ满足：2coscos()2sindBIXUmaag根据逆变工作时，并设，上式可改写成agmUXIBdgsin21cos2中小型可逆直流拖动系统中：min一般取30~35。逆变时要求βmin﹥γ，则有：min2cos12sindBIXUm最小逆变角βmin的确定方法第三节逆变失败与最小逆变角的限制第五节有源逆变电路应用举例一、直流可逆电力拖动系统a三相半波有环流接线b三相全控桥无环流接线特点：两套变流装置反并联连接。1.主回路结构不论采用哪一种反并联电路，都可使电动机在四个象限内运行。第五节有源逆变电路应用举例Mud1IdEMn12ud2变量方向约定：Id方向:从上到下EM极性:上正下负n：顺时针Ud:上正下负2.工作原理：可逆→四象限运行Mud1IdEMn12ud2I象限：n正，Te正nTe(Id)Ⅱ象限：n正，Te反Ⅲ象限：n反，Te反Ⅳ象限：n反，Te正第五节有源逆变电路应用举例电动机在四个象限内运