电力电子应用技术莫正版主编3

第三章晶闸管有源逆变电路第一节有源逆变的工作原理第二节晶闸管直流可逆拖动的工作原理第三节绕线转子异步电动机串级调速与高压直流输电第四节晶闸管装置的功率因数、谐波与对电网的影响第一节有源逆变的工作原理一、有源逆变的工作原理逆变（invertion）——把直流电转变成交流电，为整流的逆过程。逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路；有源逆变电路——交流侧和电网连结，即电网为负载。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；对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状态又可工作在逆变状态，称为变流电路（converter）。无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到普通负载，将在第七章介绍。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，相当于反电势负载。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，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注意：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，在工作中属发生事故。c)b)a)MGMGMGEGEMIdR∑EGEMIdR∑EGEMIdR∑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c)b)a)MGMGMGEGEMIdR∑EGEMIdR∑EGEMIdR∑a）两电动势同极性EGEMb）两电动势同极性EMEGc）两电动势反极性，形成短路电动机电动运行电能由发电机流向电动机电动机回馈制动电能由电动机回流发电机短路（应避免）两个电势源同极性相连接时，电流的流向：高电势→低电势电能的流向：是随着E或I方向的改变而改变。使用单相双半波电路（单相全波）代替上述发电机G。图3.1aM电动运行，全波电路工作在整流状态，在0~π/2间，Ud为正值，并且只有当UdEM，才能输出Id。交流电网输出电功率，电动机输入电功率。图3.1bM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。电能（注意不是电流）的流向与整流时相反,M输出电功率,电网吸收电功率。Ud可通过改变来进行调节，逆变状态时Ud为负值，在π/2~π间。图3-1单相全波电路的整流和逆变a)b)R+-电能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOwtwtIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOwtwtIdidUdEMEMiVT1iVT2iVT1iVT2iVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1由上图可知电路工作在逆变时的直流电压可由积分求得公式与整流时一样，由于逆变运行时α900，cosα计算不方便，所以引入逆变角β，令α=1800-β，故注意：逆变角β和控制角α的计量方向相反，其大小自β=0的起始点向左方计量。实现有源逆变的条件：1）外部条件：有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其绝对值大于变流器直流侧平均电压。2）内部条件：晶闸管的控制角π/2，使Ud为负值。3）充分条件：要有足够大的电感，以保证有源逆变连续进行。半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值（最小为零），也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。二、常用晶闸管有源逆变电路（一）三相半波有源逆变电路下图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β900时，可实现有源逆变。变流器直流电压为abc0ωtudVT1的VT1的abcNiaibicIdUdLdE三相半波有源逆变电路结论：⒈三相半波逆变电路，负载端的电压基本上为反向电压。⒉三相半波逆变电路，晶闸管在阻断时主要承受正向电压。逆变角:cos17.12UUdug00u20u2L0u2L0id0iT0i201315β=60°逆变电路的波形特点：1.输出电压Ud波形主要出现在负半周；2.晶闸管两端电压UT波形主要承受的是正向电压，承受反向电压的时间与β角相对应。注意：触发脉冲必须严格按次序发出。★α=0°β=0°VUWTnLiuidVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1M-+（二）三相全控桥有源逆变电路ωtωtωtωtωtωtωtωtug00u20u2L0u2L0id0iT0i20135661232544α=0°β=0°三相桥式逆变电路对脉冲的要求：1.必须是双窄脉冲或宽脉冲；2.触发脉冲必须严格按次序发出。★uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtO=4=3=6=4=3=6wt1wt3wt2图3.5三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形有源逆变状态时各电量的计算：Ud=-2.34U2cosβ=-1.35U2Lcosβ输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即Id=（Ud-EM)/R每个晶闸管导通2π/3，故流过晶闸管的电流有效值为（忽略直流电流id的脉动）从交流电源送到直流侧负载的有功功率为:Pd=UdId=RId2+EMId当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：dd57703I.IIVTd28160322I.IIIdVT逆变失败（逆变颠覆）——指逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流，造成器件和变压器损坏。1.逆变失败的原因（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，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相；（2）晶闸管发生故障，该通时不通,而不该导通的通了；（3）交流电源缺相或突然消失；（4）换相的裕量角不足，引起换相失败。★三、逆变失败与逆变角的限制换相重叠角的影响：当βγ时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。如果βγ（从图3.6右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（VT2）反而关断，而应关断的晶闸管（VT1)继续导通。这样会使得Ud的波形中正部分大于负部分，从而使得Ud和EM顺向串联，最终导致逆变失败。Labc+-MudidEMLBLBLBVT1VT2VT3oudOOidwtwtuaubucuaubpiVT1iVT2iVT3iVT1iVT2iVT3iVT1iVT3图3.6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应等于βmin=δ+γ+θ′δ: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；γ：换相重叠角，随Id和XB的增加而增大；举例如下：某装置整流电压为220V，整流电流800A，整流变压器容量为240kVA，短路电压比Uk%为5%的三相线路，其γ值约为15~20。θ′：为安全裕量角，（一般可达5）值约取为10。一般取βmin=30°→35°★一、由晶闸管桥路供电、用接触器控制直流电动机的正反转第二节晶闸管直流可逆拖动的工作原理二、采用两组变流桥的可逆电路最常用的是反并联电路。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。第三节绕线转子异步电动机串级调速与高压直流输电一、绕线转子异步电动机晶闸管串级调速串级调速主电路如图所示，逆变电压Udβ为引入转子电路的反电动势，改变逆变角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，其值为式中E20——转子开路线电动势（n=0）；S——电动机转差率。当电动机转速稳定，忽略直流回路电阻时，则整流电压Ｕd与逆变电压Udβ大小相等、方向相反。当逆变变压器TI二次线电压为U21时，则: