北京交通大学+电力电子技术+第04章+有源逆变.ppt

电力电子技术PowerElectronicsTechnology,Spring2006,电气工程学院陈洛忠,第四章有源逆变,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,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,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,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。,4.1有源逆变电路的工作原理,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,单相全波电路的整流和逆变,Ud可通过改变来进行调节，逆变状态时Ud为负值，逆变时在/2之间。,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/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,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,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=,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,二、电源间能量的流转关系,(a)E1E2时(b)E2E1时(c)电源反极性相连,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,单相桥式有源逆变电路,变流器工作于整流状态（02）Ud0,E0UdE，M工作于电动状态,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：E0（反极性），Ud0（反极性）且UdE,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,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Ud0UdEE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“+”,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,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（02）Ud0,E0，UdE，M工作于电动状态,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：Ud0（反极性）,E0（反极性）UdE,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=,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,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,二、三相桥式全控有源逆变电路,变流器工作于逆变状态（2）Ud0,E0UdE,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,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,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,（2）触发脉冲延迟T2的触发脉冲ug2延迟,（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,（4）换相的裕量角不足,（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,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）,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,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,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minmin,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1520）:SCR的关断时间tq折合的电角度，叫恢复阻断角，=tq，tq约为200300s，折算成电角度约45:安全裕量角（一般取10）最小逆变角min一般可取3035角越大，逆变越可靠，但功率因数越低,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=2，E=-290V，=150，=100，Ld足够大，求直流端电压、电流和交流电源的功率因数。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,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,所以,例4-2,三相半波整流电路如图例4.2所示，已知电动机处于稳定的发电制动状态，滤波电抗Xd足够大，输出电流连续而平直，电枢回路总电阻Ra0.5，电机端压Ua220V，变压器副边相电压U2220V，交流侧换流电抗XB0.21。试完成下列要求：,1阐明图中整流器输出电压Ud和电动机端电压Ua的极性；2阐明变流器控制角的调节范围；3如何调节电动机的制动强度？4当制动电流Ia103A时，系统向交流电网回馈的功率有多大？此时变流器的逆变角为多少？,解：1.由于电机处于稳定的再生制动状态，电动机向交流电网回馈电能，且晶闸管不能逆向导通电流，据此可以确定整流器输出电压Ud和电动机端电压Ua的极性为下“+”上“-”2.逆变工作时控制角的理论范围是，为防止逆变颠覆，控制角有最大值的限制，即逆变角有最小值限制。受换流电流、交流侧换相电抗及元件关断时间的影响，应具体情况具体分析。根据一些典型系统的运行经验，大约在350左右。因此逆变工作时控制角的范围大致是3.通过调节角来调节制动强度，当较大时，变流器输出逆变电压较小，制动电流大，制动力就强，反之亦然,。,4.,负号说明电网吸收电功率,代入,得：,习题42、44、45,思考和作业,4.3变流电路的功率因数,一、变流电路的功率因数1、定义变流电路电网侧有功功率与视在功率之比2、计算方法1=P/S若忽略变流电路损耗，P应等于整流负载功率,3、计算方法2=coscos：相位移系数（基波的有功功率与基波的视在功率之比）:电流畸变系数（基波电流有效值与总电流有效值之比），即=I1/I,例：单相全控桥式电路功率因数计算,计算方法1,计算方法2,课堂思考,1、下列电路中能用于有源逆变的有：（）(1)单相桥式全控整流电路(2)单相桥式半控整流电路(3)单相桥式不可控整流电路(4)三相桥式全控整流电路(5)三相桥式半控整流电路(6)三相桥式不可控整流电路(7)三相半波可控整流电路(8)带续流二极管的三相半波可控整流电路,2、判断对错晶闸管有源逆变电路：当某个晶闸管发生故障、失去开通能力时，肯定会导致逆变失败（）不论什么原因导致逆变失败，其后果都会造成电流急剧增大（）可以采用全控电路，也可以采用半控电路（）交流侧可以与电网连接，也可以与负载连接（）,本章小结,1、逆变的概念：逆变电路:把直流变成交流的电路。分为有源和无源逆变两种有源逆变电路:电路的交流侧和电网连接，将直流变成与电网同频率的交流反送到电网无源逆变电路:变流电路的交流侧不与电网连接，而直接接到负载，将直流电逆变成固定频率或可调频率的交流供给负载在相控电路中，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，