电力电子课件_第3章_有源逆变电路.ppt

电力电子技术第3章,重庆工商大学,2,3.1有源逆变的基本原理,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4章介绍。,3,3.1.1直流电能的传递,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，此时即为有源逆变状态。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，在工作中必须严防这类事故发生。,图A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,4,图A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,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）,3.1.1直流电能的传递,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。,6,使用单相双半波电路（单相全波）代替上述发电机G。图3.2aM电动运行，全波电路工作在整流状态，在0/2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3.2bM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/2间。,3.1.2逆变产生的条件,7,图3.2单相全波电路的整流和逆变,8,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/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。,3.1.2逆变产生的条件,9,3.2.1三相半波有源逆变电路,10,3.2.1三相半波有源逆变电路,11,=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角相对应。注意：触发脉冲必须严格按次序发出。,=0,=0,3.2.2三相桥式有源逆变电路,13,tttttttt,ug00u20u2L0u2L0id0iT0i20,=0,=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。,14,3.2.2三相桥式有源逆变电路,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,15,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/2时的控制角用表示。称为逆变角而逆变角和控制角的计量方向相反，其大小自=0的起始点向左方计量。（实际上还是由来确定比较方便）。有源逆变状态时各电量的计算：Ud=-2.34U2cos=-1.35U2Lcos输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即Id=（Ud-EM)/R,3.2.2三相桥式有源逆变电路,16,每个晶闸管导通2/3，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：,3.2.2三相桥式有源逆变电路,17,3.3逆变失败与最小逆变角的限制,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。,18,3.3逆变失败与最小逆变角的限制,换相重叠角的影响：当时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。如果60以后，空载反电动势为,3.4.1电动机工作于整流状态时,28,29,解释因为60时晶闸管触发导通后最大相电压瞬时值为，大于E0。因此如果反电势为E0，则必然产生电流，从而与空载的前提矛盾，这正好说明此时电流是断续的，同时实际空载点的反电势是。（由于电机的转动惯性，会保持最大可能的反电势，或说是最大的转速运行）当60时，晶闸管触发导通时的相电压瞬时值为为此时实际空载点的反电势。,3.4.1电动机工作于整流状态时,30,电流断续时电动机机械特性的三个特点：电动机的理想空载转速抬高；机械特性变软，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化；随着的增加，进入断续区的电流值加大。,图3.9考虑电流断续时不同a时反电动势的特性曲线,1a460,3.4.1电动机工作于整流状态时,31,一般只要主电路电感足够大，可以只考虑电流连续段，完全按线性处理。当长期低速轻载时，断续作用显著，可改用另一段较陡的特性来近似处理（见图3.9虚线），其等效电阻比实际的电阻R要大一个数量级。整流电路为三相半波时，在最小负载电流为Idmin时，为保证电流连续所需的主回路电感量为：（mH）对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统，有（mH）,L中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感。前者数值都较小，有时可忽略。Idmin一般取电动机额定电流的5%10%。因为三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波的高一倍，因而所需平波电抗器的电感量也可相应减小约一半，这也是三相桥式整流电路的一大优点。,3.4.1电动机工作于整流状态时,32,3.4.2电动机工作于有源逆变状态时,1.电流连续时电动机的机械特性主回路电流连续时的机械特性由电压平衡方程式决定。逆变时由于，EM反接，得：同时因为EM=Cen，可求得电动机的机械特性方程式：,图3.10电动机在四象限中的机械特性,Ud0为0时的输出平均电压值,33,图3.10电动机在四象限中的机械特性,正转整流,反转逆变,正转逆变,反转整流,34,2.电流断续时电动机的机械特性电流断续时电动机的机械特性方程可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，只要把代入式中，便可得EM、n与Id的表达式，求出三相半波电路工作于逆变状态且电流断续时的机械特性，即：,3.4.2电动机工作于有源逆变状态时,35,逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：理想空载转速上翘很多，机械特性变软，且呈现非线性；说明逆变状态的机械特性是整流状态的延续；纵观控制角由小变大（如/65/6），电动机的机械特性则逐渐的由第1象限往下移，进而到达第4象限。逆变状态的机械特性同样还可表示在第2象限里，与它对应的整流状态的机械特性则表示在第3象限里。图3.10中第1、第4象限中的特性和第3、第2象限中的特性是分别对应两组变流器的工作状态，分别标以正组和反组变流器。,3.4.2电动机工作于有源逆变状态时,36,图3.11两组变流器的反并联可逆线路,3.5.1直流可逆电力拖动系统,37,3.5.1直流可逆电力拖动系统,两套变流装置反并联连接的可逆电路：图a为三相半波有环流接线，图b为三相全控桥的无环流接线。环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。电动机正向运行时由正组变流器供电的；反向运行时，则由反组变流器供电，反并联可逆电路都可使电动机四象限运行；可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态：整流或逆变。,38,电动机四象限运行时两组变流器（简称正组桥、反组桥）的工作情况第1象限：正转，电动机作电动运行，正组桥工作在整流状态，1/2），EMUd(下标中有表示逆变）第3象限，反转，电动机作电动运行，反组桥工作在整流状态，2/2），EMUd直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能实现电动机的回馈制动。,3.5.1直流可逆电力拖动系统,39,1、电动机反转过程：电动机在第1象限正转，电动机从1组桥取得电能，欲使电动机反转，必需首先正转迅速制动。此时EM的方向保持为上正下负，而对于正向桥来说，电流方向是不能改变的，为此需切换到2组桥工作，同时要求2组桥工作在逆变状态，此时电动机进入第2象限作正转发电运行，机械能转化为电能送给电网。随着电动机转速的下降，不断地调节，使之由小变大直至2/2，如继续增大，即EMb）两电动势同极性EMEGc）两电动势反极性，形成短路,47,图3.2单相全波电路的整流和逆变,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,图3.6交流侧电抗对逆变换相过程的影响,图3.7三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形,51,图3.8三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性,52,图3.9电流断续时电动势的特性曲线,53,图3.9考虑电流断续时不同a时反电动势的特性曲线a160oa5a460o,54,图3.10电动机在四象限中的机械特性,图3.11两组变流器的反并联可逆线路,56,逆变电路波形特点：1.输出电压Ud波形主要出现