电力电子技术ppt 第三章 有源逆变

1、2.5 有源逆变电路 p1.什么是逆变?p2.为什么要逆变?2.5.1 逆变的概念 p前面我们介绍的各种可控整流电路都工作在整流状态，是将交流电能变换成直流电提供给负载。逆变是把直流电转变成交流电，是整流的逆变是把直流电转变成交流电，是整流的逆过程，是将直流电能变换成交流电回馈电网。逆过程，是将直流电能变换成交流电回馈电网。上述的电路也可以工作在逆变状态。p以三相全控桥式电路为例，这时电流Id仍保持与整流运行状态相同的流动方向，但Ud改变了极性，功率由直流侧流向可控整流电路的交流改变了极性，功率由直流侧流向可控整流电路的交流侧电网侧电网。三相可控整流电路的这种逆变模式的工作状态，只有如图所示在

2、直流侧存在一个稳定的能源时才是有可能的。注意，两个电源的不能形成顺向串联。 p由三相桥构成的有源逆变电路 电能来自太阳能或者风能发电p举例来说，这个稳定的能源可以是一个光电或风电发电系统所转换出光电或风电发电系统所转换出来的电能来的电能，经过逆变电路变换成三相交流电再连接到统一的电网中去。逆变可以节能、提高系统性能的作用。如：有轨电车的制动有轨电车的制动、吊车的下放货物、电气可逆调速系统等。p逆变按照负载是否为交流电源分为有源逆变和无源逆变。如果把变换器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去，称作有源逆变有源逆变。如果变换器的交流侧不与电网连接，而直接接到普通负载，称

3、作无源逆变无源逆变。 2.5.2 三相桥式有源逆变电路 p假设电感足够大，直流电流近似为一个恒定值，为直流反电势电感负载。为实现有源逆变必须使控制角控制角90，Ud为负，电源E极性与图中一致，并且有: |E| | |E| | Ud Ud | |p无论在整流状态或逆变状态，晶闸管总是受正向电压时才能被触发导通，晶闸管的导电顺序不变晶闸管的导电顺序不变；处于关断状态的晶闸管承受正向电压的时间比在整流运行时长。 2U1.17UcosE-UIRd dd dd dp三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形 uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcu

4、baucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udtOtO=4=3=6=4=3=6t1t3t2p逆变状态的控制角为逆变角：p输出直流电压的平均值p输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即d22L2.34cos1.35cosUUU REUIdd2.5.3 逆变失败与最小逆变角的限制 1 1 逆变失败逆变失败 可控整流电路在逆变运行时，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使可控整流电路的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，将出现极大的短路电流流过晶闸管和负载，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。 p造成逆变失败的原因：造成逆

5、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触发脉触发脉冲冲，如脉冲丢失、脉冲延时脉冲丢失、脉冲延时等。(2) 晶闸管晶闸管发生故障。器件失去阻断能力，或器件不能导通。(3) 交流电源交流电源异常。在逆变工作时，电源发生缺相或突然消失而造成逆变失败。(4) 换相裕量角换相裕量角不足，引起换相失败。应考虑变压器漏抗引起的换相重叠角、晶闸管关断时间等因素的影响。 p交流侧电抗对逆变换相过程的影响 2.8 晶闸管触发电路 2.8.1 晶闸管对触发电路的要求 触发电路除满足驱动电路的要求外，还应满足如下要求：1触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步。2触发脉冲应满足要求的移相范

6、围。3为满足三相全控桥的要求，触发电路应能输出双窄脉冲或宽脉冲。 4. 为满足反并联可逆电路的要求，触发电路应有min、min 限制。2.8.2 同步信号为锯齿波的触发电路 触发电路组成1 脉冲形成与放大环脉冲形成与放大环节节p脉冲形成环节由V4、V5构成；放大环节由V7、V8组成。控制电压uco加在V4基极上，触发脉冲由脉冲变压器TP二次输出，经整流提供。 p当V4的基极电压uco=0时，V4截止。+E1电源通过R11提供给V5一个足够大的基极电流，使V5饱和导通。所以V5集电极电压接近于-E1，V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。电源+E1经R9、V5的发射极到-E1对电容C3充电，充满后

7、电容两端电压接近2E1，极性如图所示。p当uco0.7V时，V4导通。A点电位从+E1突降到1V，由于电容C3两端电压不能突变，所以V5基极电位也突降到-2E1，V5基射极反偏置，V5立即截止。它的集电极电压由-E1迅速上升到钳位电压2.1V时，使得V7、V8导通，输出触发脉冲。p同时电容C3由+E1经R11、VD4、V4放电并反向充电，使V5基极电位逐渐上升。直到V5基极电位ub5 -E1，V5又重新导通。这时V5集电极电压又立即降到-E1，使V7、V8截止，输出脉冲终止。可见，脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度由反向充电时间常数R11C3决定。 2 2 锯齿波的形成和锯齿波的形成和脉冲移

8、相环节脉冲移相环节p锯齿波电压形成电路由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。p当V2截止时，恒流源电流I1C对电容C2充电，所以C2两端的电压uC为puC按线性增长,即ub3按线性增长。调节电位器RP2，可以改变C2的恒定充电电流I1C。 p当V2导通时，因R4很小所以C2迅速放电，使得ub3电位迅速降到零伏附近。当V2周期性地导通和关断时，ub3便形成一锯齿波。射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响。pV4基极电位由锯齿波电压、控制电压uco、直流偏移电压up三者叠加所定,它们分别通过电阻R6、R7、R8 与V4基极连接。 t

9、ICdtIuC1C1c1p根据叠加原理，先设uh为锯齿波电压ue3单独作用在基极时的电压，其值为 所以uh仍为锯齿波，但斜率比ue3低。p同理，直流偏移电压up单独作用在V4基极时的电压 为 p控制电压uco单独作用在V4基极时的电压 为 所以， 仍为一条与up平行的直线，但绝对值比up小； 仍为一条与uco平行的直线，但绝对值比uco小。 )/(/87687e3hRRRRRuu)/(/76876ppRRRRRuu)/(/86786c0c0RRRRRuupuc0upuc0up当V4不导通时，V4的基极b4的波形由 确定。当b4点电压等于0.7V后，V4导通。产生触发脉冲。改变uco便可以改变脉

10、冲产生时刻，脉冲被移相。加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初始相位。p以三相全控桥为例，当接反电势电感负载时，脉冲初始相位应定在=90；当uco=0时，调节up的大小使产生脉冲的M点对应=90的位置。当uco为0，=90，则输出电压为0；如uco为正值，M点就向前移，控制角90，处于逆变状态。cophuuup锯齿波的触发电路的工作波形 3 3 同步环节同步环节p同步环节是由同步变压器TS、VD1、VD2、C1、R1和晶体管V2组成。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。 p与主电路同步是指要求锯齿波的

11、频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关管V2控制的，也就是由V2的基极电位决定的。p同步电压uTS经二极管VD1加在V2的基极上。当电压波形在负半周的下降段时，因Q点为零电位，R点为负电位，VD1导通，电容C1被迅速充电。Q点电位与R点相近，故在这一阶段V2基极为反向偏置，V2截止。p在负半周的上升段，+E1电源通过R1给电容C1充电，其上升速度比uTS波形慢，故VD1截止，uQ为电容反向充电波形。当Q点电位达1.4V时，V2导通，Q点电位被钳位在1.4V。直到TS二次电压的下一个负半周到来，VD1重新导通，C1放电后又被充电，V2截止。p如此循环往复，在一个正弦波周期内，包

12、括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出锯齿波的宽度是由充电时间常数R1C1决定的。 4 4 双窄脉冲形成环节双窄脉冲形成环节p触发电路自身在一个周期内可输出两个间隔60的脉冲，称内双脉冲电路。而在触发器外部通过脉冲变压器的连接得到双脉冲称为外双脉冲。p本触发电路属于内双脉冲电路。当V5、V6都导通时，V7、V8截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，就会使V7、V8导通，有脉冲输出。因此本电路可以产生符合要求的双脉冲。p第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角使V4由截止变导通造成V5瞬时截止，使得V8输出脉冲。隔

13、60的第二个脉冲是由后一相触发单元通过连接到引脚Y使本单元V6截止，使本触发电路第二次输出触发脉冲。其中VD4和R17的作用主要是防止双脉冲信号相互干扰。p在三相桥式全控整流电路中，双脉冲环节的可按下图接线。六个触发器的连接顺序是：1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。 5 5 强触发环节强触发环节p36V交流电压经整流、滤波后得到50V直流电压，经R15对C6充电，B点电位为50V。当V8导通时，C6经脉冲变压器一次侧R16、V8迅速放电，形成脉冲尖峰，由于有R15的电阻，且电容C6的存储能量有限，B点电位迅速下降。当B点电位下降到14.3V时，VD15导通

14、，B点电位被15V电源钳位在14.3V，形成脉冲平台。C5组成加速电路，用来提高触发脉冲前沿陡度。 6 6 脉冲封锁脉冲封锁p二极管 VD5阴极接零电位或负电位，使V7、V8截止，可以实现脉冲封锁。VD5用来防止接地端与负电源之间形成大电流通路。 2.8.4 2.8.4 触发电路的定相触发电路的定相p初始脉冲是指Ud0时，控制电压uco与偏移电压up为固定值条件下的触发脉冲。因此，必须根据被触发晶闸管阳极电压的相位，正确供给各触发电路特定相位的同步电压，才能使触发电路分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲。这种选择同步电压相位以及得到要求的触发时刻的方法，称为触发电路的定相。现以三相全控桥为

15、例说明定相的方法。p晶闸管VT1的阳极与uu相接， VT1所接主电路电压为+uu，触发脉冲从0至180对应的范围为t1t2。 采用锯齿波同步的触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为240，上升段起始的30和终了段30线性度不好，舍去不用，使用中间的180。所以取同步波- uu。p三相桥整流电路大量用于直流电机调速系统，且通常要求可实现再生制动，使Ud=0时的触发角为90。当 90时为逆变工作。将=90确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有90的移相范围。=0对应于uu的30的位置，说明VT1的同步电压应滞后于uu 180。对于其他5个晶闸管，也存在同样的关系

16、，即同步电压滞后于主电路电压180。p因此一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法，即可选定每一个晶闸管的同步电压信号。p同步变压器和整流变压器的接法及矢量图 p同步电压的选取结果见表。 晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+ Uu- Uw+ Uv- Uu+ Uw- Uv同步电压- Usu+ Usw- Usv+ Usu- Usw+ Usvp为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，当R-C滤波器滞后角为60时，同步电压选取结果见表 晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+ Uu- Uw+ Uv- Uu+ Uw- Uv同步电压+ Usv-

17、Usu + Usw- Usv + Usu - Usw2.9 晶闸管-直流电动机系统的机械特性 p晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统习惯称为晶闸管-直流电动机系统，是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一。其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况，其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本节主要分析由整流电路供电时电动机的工作情况。2.9.1 工作于整流状态时 1 1 电流连续时电动机的机械特性电流连续时电动机的机械特性p直流电机传动时负载就是反电势电感负载，在负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电动机稳态时，虽然ud波形脉动较大，但由于电动机有较大

18、的机械惯量，故其转速和反电动势都基本无脉动。此时整流电压的平均值由电动机的反电动势及电路中负载平均电流Id所引起的各种电压降所平衡，整流电压的交流分量则全部降落在电抗器上。p整流电路直流电压的平衡方程为式中 p在负载电流连续的情况下，机械特性方程为：UIREU2dMd)2/(6BMBXRRRede22cos34. 2CUIRCUnp三相桥式全控整流电路电动机负载电流连续时的机械特性 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 当电机工作在电感较小或负载较轻的情况下，电流要出现断续的现象。电流断续时电动机的机械特性呈现出非线性，变软。实际的空载反电动势远大于理想的空载反电动势，这使

19、得理想空载转速升高。实际应用中，串平波电抗器使电动机在工作范围内保持在电流连续状态，提高直流电动机的机械特性硬度。p串联电抗器的电感量决定着主回路最小连续电流值p三相半波主回路电感量 p三相全控桥主回路电感量pIdmin 是最小连续电流值，一般取 Idmin=(510)Idp串接的平波电抗器的电感量为 )mH( /46. 1dmin2IUL )mH( /693. 0dmin2IUL )(mH mBdLLLLp考虑电流断续时不同时反电动势的机械特性曲线 2.9.2 工作于有源逆变状态时 p电流连续时电动机的机械特性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

20、 ，因为 ，电动机的机械特性方程式 URIEU2dMdcosd0dUU)2cos(dd0MURIUE)2cos(1dd0eURIUCnnCEeM2 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p电机理想空载转速上翘很多，机械特性变软，且呈现非线性。当控制角由小变大，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。p图中第1、第4象限中的特性和第3、第2象限中的特性是分别属于两组整流电路的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以正组和反组变流器。p电动机在四象限中的机械特性 2.10 整流电路的谐波分析 (1) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用

21、电效率，大量的3次谐波流过中线会使线路过热甚至发生火灾。(2) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以致损坏。(3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述(1)和(2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。(4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。(5) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。谐波的危害谐波的危害对于周期为的 非正弦电压 ，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式

22、的傅里叶级数式中 n=1, 2, 3, 或 /2T)( tu)sincos()(10tnbtnaatunnn200)(d)(21ttua20)(dsin)(21ttntuan20)(dcos)(21ttntubn)sin()(10nnntncatu式中, cn，n和 an，bn的关系为)/arctan(nnnbannncasinnnncbcos2.10.1 整流电路输出电压和负载电流的谐波分析 整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时还包含有大量的高次谐波分量。采用谐波分析的方法，对于研究整流电路的质量指标和为减小电流的脉动分量，保持输出负载电流连续而选择合适的平波电抗器的电感量是非常有用的。

23、 在交流电源的一个周期2中，有m个形状相同但相差2/m的电压脉波。若脉波的周期为T，则每个脉波宽度为T=2/m，则如下关系式成立，即ud (t) =ud(t+2/m)。 输出电压波形的时间原点如图所示，则ud的傅里叶级数表达式为 式中，直流平均值：n次谐波的幅值：1dd)sin()cos(nnntnbtnaUu)d()(2)d()(/21d)(120d20d0ddmmTttumttumttuTU22nnnbaUn次谐波的相位角：n次谐波的系数：经推导可得m脉波整流电压中的 n次谐波幅值Un为 (推导过程见书) nnnabarctan)d()cos()(d)cos()(220d0dmTnttnt

24、umttntuTa)d()sin()(d)sin()(220d0dmTnttntumttntuTb) 1)(1(2cos) 1)(1(2) 1() 1(cossin2222nnnnnnnmnmmUUm脉波整流电压中的谐波阶次为nKm，K1，2，3，。将nKm，n/m=K(K1，2，3，)代入上式得到 令m2、3、6，即得到单相桥式、三相半波、三相全桥相控整流电路输出电压的各次谐波，令=0即可得到功率二极管整流电路在单相桥式、三相半波、三相全桥相控整流电路输出电压的各次谐波。 ) 1)(1(2cos) 1)(1(2) 1() 1(cossin2222nKmKmKmKmKmKmKmmUUp左图画出了 n6(1)、12(2)、18(3)的谐波特性。由图可见，输出电压的谐波幅值随控制角的增大而增大，在 = 90时谐波幅值最大，在180之间，输出电压的谐波幅值随控制角的增大而减小。 三相桥式整流电路n次谐波幅值(取标幺值)