第三章有源逆变

第三章有源逆变第1页，课件共50页，创作于2023年2月逆变的概念将直流电转换成交流电，这种对应于整流的逆向过程，称逆变有源逆变则指的是将直流电转换成交流电后，再将它反送回交流电网。有源逆变应用广泛，它是研究直流可逆调速系统的基础，电力机车：电动机状态（正常运行），发电机状态（制动，下坡）第2页，课件共50页，创作于2023年2月第一节电流的流转两个直流电源和相连的电路第3页，课件共50页，创作于2023年2月第一节电能的流转两个电源间的电能流转：两个电源间的电能流转：1.E1>E>E2：电源电源E1发出功率E2接受的功率E1发出功率:P1=E1iE2接受的功率:P2=E2i电阻消耗的功率:第4页，课件共50页，创作于2023年2月第一节电能的流转两个电源间的电能流转：2.两电源极性均反向，且E2>E1电流方向不变,但功率反送：电源E2发出功率,E1接受的功率，电阻消耗功率。电源E1接受的功率为P1=E1i电源E2发出的功率为P1=E1i电阻消耗的功率第5页，课件共50页，创作于2023年2月第一节电能的流转两个电源间的电能流转：3.两个电源反极性相连情况：两个电源均输出功率,电阻消耗功率电源都输出功率：P2=E2I;P1=E1i电阻上消耗功率:

第6页，课件共50页，创作于2023年2月结论1．两个电源同极性相连，电流总是从电势高的电源流向电势低的电源。电流大小决定于两电势之差和回路电阻。如果回路电阻很小，虽然两电势之差不大．也可产生足够大的电流，使两电源间交换很大的功率。2．电流从电源正极性端流出者为发出功串，从正极性端流人者为吸收功率。3．两电源反极性相连时则形成短路，工作中应严防发生。第7页，课件共50页，创作于2023年2月第二节三相半波逆变电路三相半波为例：忽略漏感，假设平波电抗器足够大。直流电机看作一理想电压源，其电枢电阻和电感分别归算到主回路的R和L中第8页，课件共50页，创作于2023年2月整流状态一.整流工作状态(0<α<90º)Ud>0,Ud>ED,Id=(Ud-ED)/R电机吸收功率，电动机运行。整流电路输出电能α增大Ud减小转速下降。第9页，课件共50页，创作于2023年2月中间状态二.中间状态(α=90º)Ud=0,ED=0，n=0,id=0(R=0理想状态)电机停转。实际上电感有损耗，故此时idud均间断，Ud,ED很小。故电机处于缓慢爬行状态。第10页，课件共50页，创作于2023年2月逆变状态三.逆变工作状态(90º<α<180º)Ud<0,若ED>0，则处于短路状态。要实现逆变工作应满足：1。Ud<0(即90º<α<180º)—内部条件2。ED>Ud，同时Ed反极性-----外部条件。第11页，课件共50页，创作于2023年2月逆变工作模态分析α=150º为例分析波形及工作过程。设稳态时已存在EDωt1:触发Ta导通，ud=uaL储能（id增大）ωt2后ED<ud(ua),L释放能量（id减小）ωt3:触发Tb导通，ud=ub第12页，课件共50页，创作于2023年2月逆变工作输出电压三相半波电路，如电感L足够大而使电流id波形连续，则每个晶闸管导电120º，故从输出电压Ud波形不难求出直流输出电压：第13页，课件共50页，创作于2023年2月逆变工作输出电压是一条余弦曲线，波形同整流对于其它形式电路，它们的输出电压与控制角关系是一致的只是具体的Udo与U2的比值不一致第14页，课件共50页，创作于2023年2月逆变工作输出电流Ed决定于电机转速Ud可调节控制角α改变其大小。为了防止过大电流，可以调节α通过控制来控制电流大小Ud。第15页，课件共50页，创作于2023年2月逆变工作小结L足够大时，每个SCR导通120ºUd=1.17U2cosαId=(ED-Ud)/R，控制α角可以调节Id大小极性改变方法：1.改变转速方向2.改变Ij方向第16页，课件共50页，创作于2023年2月逆变工作小结对于不可能有负压输出的电路,不可能实现有源逆变。如:桥式半控电路，有续流二极管的电路。Ud=Ud0cosα，Ud0=0.9U2（单相桥）Ud0=1.17U2(三相半波,Ud0=2.34U2(三相桥式)第17页，课件共50页，创作于2023年2月逆变角概念逆变角：为了分析和计算方便，通常把逆变工作时的控制角用β表示，称“逆变角”。－规定β＝π－α全逆变时晶闸管也在自然换相点换相，此时输出负压最大，然后向左，即以与控制角α计量相反的方向计量逆变角β大小。α在π/2~π之间变化，对应β在π/2~0之间变化第18页，课件共50页，创作于2023年2月四.SCR的电压波形第19页，课件共50页，创作于2023年2月六.对触发电路的要求•以α＝60º的整流触发与β＝60º的逆变触发为例•不同的工作状态对触发脉冲电路的不同要求。第20页，课件共50页，创作于2023年2月整流电路对触发电路的要求•对于整流状态，一套触发脉冲电路可以同时供给多个晶闸管•如ωt1时，应从a相换相到b相，此时b相电压高，可以保证顺利换相。•现在a相、c相电压均低，与之相联的晶闸管虽被供给触发脉冲，但不会导通。第21页，课件共50页，创作于2023年2月逆变电路对触发电路的要求•对于逆变工作状态，则只能依次触发晶闸管Ta,Tb,Tc•如ωt2时，由a相换流到b相，此时只能触发Tb•因为现在Ub=Uc，再要像整流状态那样将触发脉冲同时供给三个晶闸管是不行的第22页，课件共50页，创作于2023年2月第三节三相桥式逆变电路逆变工作的内部条件和外部条件三相桥式整流电路，如果工作时满足实现有源逆变的两个条件，就成为三相桥式逆变电路第23页，课件共50页，创作于2023年2月三相桥式电路的工作方式对于整流电路晶闸管必须成对导通每个晶闸管导通120º每隔60º电路换流一次导通顺序：T+a→T-c→T+b→T-a→T+c→T-b对于逆变电路器件工作方式不变！第24页，课件共50页，创作于2023年2月三相桥式电路的工作模态分析设晶闸管T+c和T-b已经导通当β＝π/3时，ωt1时刻触发晶闸管T+a此时a相电压高于c相，T+a导通T+c承受反压而关断，直流侧输出uab第25页，课件共50页，创作于2023年2月三相桥式电路的工作模态分析在ωt1时刻后，直流侧输出uab小于零•电流id从Ed正极流出经晶闸管T-b流入b相，再由a相流出，经晶闸管T+a回到Ed负极•电能从直流电源流向交流电源第26页，课件共50页，创作于2023年2月三相桥式电路的工作模态分析当ωt2时刻触发晶闸管T-c此时c相电压低于b相，T-c导通T-b承受反压而关断，直流侧输出uac,且uac<0如此循环，在一个周期内输出电压脉动六次，因而波形中最低次谐波为六倍基频，电压的纹波因素更小。第27页，课件共50页，创作于2023年2月三相桥式电路的工作模态分析第28页，课件共50页，创作于2023年2月三相桥式逆变电路参数计算逆变电路的参数计算与整流情况相似。设电路内电流连续，其输出负平均电压Ud为或第29页，课件共50页，创作于2023年2月三相桥式逆变电路参数计算直流电流平均值为式中：Rb——变压器次级绕组电阻；Rd——电路直流侧包括电机电枢电阻在内的总电阻。输出电压和电机电势的极性和整流时相反，式（3-5）中和均为负值。第30页，课件共50页，创作于2023年2月三相桥式逆变电路参数计算输出电流有效值I应等于其中式中：Ir——纹波电流有效值；In——第n次谐波电流有效值。第31页，课件共50页，创作于2023年2月三相桥式逆变电路参数计算晶闸管的有效值电流IT和平均值ITav分别为：第32页，课件共50页，创作于2023年2月三相桥式逆变电路参数计算交流电源送到直流侧的有功功率逆变时，Ed为负值，Pd则一般也为负值，表示功率从直流电源送到交流电源第33页，课件共50页，创作于2023年2月三相桥式逆变电路参数计算根据工作波形可知，三相桥式电路线电流每周期内流通时间为4π/3,是晶闸管的两倍因此变压器次级线电流有效值为：三相电源的视在功率功率因数仍为第34页，课件共50页，创作于2023年2月逆变失败与控制角的限制

逆变失败与控制角的限制第35页，课件共50页，创作于2023年2月逆变颠覆概念在整流电路中，如触发不可靠造成丢失脉冲，其后果可能是某相无电压输出或全无输出，造成停止供电。在逆变电路中，如触发不可靠，将使换相失败，形成交流与直流两电源的顺极性串联，造成短路而使逆变失败，称“逆变颠覆”。第36页，课件共50页，创作于2023年2月丢失触发脉冲时的工作波形当丢失触发脉冲时的工作波形：在ωt1时应有触发脉冲触发晶闸管使b相导通，设此时触发脉冲丢失:在ωt1时刻，a相晶闸管将继续导通，直到后来输出电源电压正半周期时，形成与电势的顺极性串联，造成电路短路。第37页，课件共50页，创作于2023年2月触发脉冲延时时的工作波形在ωt1时应有触发脉冲触发晶闸管使b相导通，由于触发电路故障，结果到ωt2时才触发晶闸管在ωt2时刻，a相电压已经变得高于b相电压，结果b相的晶闸管将承受反压而不能导通，而晶闸管将继续导通，a相继续输出直到出现正半波时，形成与电势顺极性串联的短路。第38页，课件共50页，创作于2023年2月某相故障时的工作波形此外，如果某相晶闸管发生故障，交流电源发生异常等均可造成逆变失败。第39页，课件共50页，创作于2023年2月β＝0时开关时刻当β＝0时的逆变状态，电路输出电压为相电压负半周的包络线。这是在不考虑晶闸管的开通和关断时间，也不考虑电源变压器的漏抗的前提条件下。如果过了β＝0时刻末发生换相，会出现无法换相（应换相的晶闸管不再承受正向电压），原有导通相继续导通直到形成顺极性串联短路。第40页，课件共50页，创作于2023年2月β＝0时开关延时影响考虑晶闸管开通和关断时间，设电路原来c相导通，现在触发使a相导通；晶闸管开通时间一般为6μs，而关断时间常需以10μs上。如果仍在β＝0进换相，开关延时会使实际换相时刻超过β＝0的点由于a相电压已经变得小于c相电压，晶闸管将不可能导通，c相电压将继续输出直到形成与的顺极性串联而短路。为了避免这种情况，所以应当提前换相，即β角应留有余量。第41页，课件共50页，创作于2023年2月换相重叠角实际变压器都有漏抗，漏抗的存在将使换相不可能瞬间完成。如a相电流由Id逐渐下降到零，b相电流逐渐上升到Id，这个过程需要的时间以重叠角γ表示。如果仍在β＝0进换相，换相重叠角会使实际换相时刻超过β＝0的点，而造成顺极性串联而短路为了避免这种情况，同样也必须提前换相，即β角应留有余量。第42页，课件共50页，创作于2023年2月逆变角裕量如若逆变角裕量不够，如β<γ时，则到达β＝0时换相尚未完成，过了β＝0时，换相失败，又将发生交流电源某相电压的正半周期与电势的顺极性串联现象。所以逆变角必须留出足够多的裕量（考虑开关延时、换相重叠角等影响），保证在β＝0时换相确实结束，第43页，课件共50页，创作于2023年2月最小逆变角βminβmin=γ+δ+μγ---换相重叠角，算法与整流时相同。δ----SCR关断时间折合成的电角度μ----安全裕度角，可取10度。第44页，课件共50页，创作于2023年2月第五节逆变工作状态时电机的机械特性第45页，课件共50页，创作于2023年2月第六节有源逆变的应用举例一．直流可逆电力拖动系统工程上常要求拖动用的电机能实现快速的可逆控制，既能正转或反转，又可作电动机或发电机即制动运行，这就是所谓的四象限工作方式。改变他激直流电动机正反转的方法有两种，或者是改变激磁电流的方向，或者改变电枢电流的方向。前者电磁惯性大，过渡过程较长，后者快速性好，但设备容量大些，适合应用于中小容量的系统中。这里着重