电力电子有源逆变

1、March 2003,北方交通大学电气工程学院,2-0,2. 5 整流电路的有源逆变工作状态,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。,March 2003,1,北方交通大学电气工程学院,2. 5. 1 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,March 2003,2,北方交通大学电气工程学院,二、电源间能量的流转关系,(a) E1 E2 时 (b) E2 E

2、1 时 (c) 电源反 极性相连,March 2003,3,北方交通大学电气工程学院,电源间能量的流转关系（续）,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。,March 2003,4,北方交通大学电气工程学院,2. 5. 2 单相桥式有源逆变电路,变流器工作于整流状态（ 0 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E,March 2003,5,北方交通大学电气工程学院,单相桥式有源逆变电路（续）,变流器工作于逆变状态（ 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E,March 2003,6,北方

3、交通大学电气工程学院,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 Ud 0 Ud E E 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 “ + ”；,March 2003,7,北方交通大学电气工程学院,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。,March 2003,8,北方交通大学电气工程学院,2. 5. 3 三相有源逆变电路,一、三相半波有

4、源逆变电路 变流器工作于整流状态（ 0 2 ） Ud 0 , E 0， Ud E,March 2003,9,北方交通大学电气工程学院,三相半波有源逆变电路（续）,变流器工作于逆变状态（ 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E,March 2003,10,北方交通大学电气工程学院,三相半波有源逆变电路（续）,March 2003,11,北方交通大学电气工程学院,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 = ,March 2003,12,北

5、方交通大学电气工程学院,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,March 2003,13,北方交通大学电气工程学院,二、三相桥式全控有源逆变电路,变流器工作于逆变状态（ 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E,March 2003,14,北方交通大学电气工程学院,2.5.4 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。,March 2003,15,北方交通大学电

6、气工程学院,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）,March 2003,16,北方交通大学电气工程学院,逆变失败的原因（续）,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,March 2003,17,北方交通大学电气工程学院,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。,March 2003,18,北方交通大学电气工程学院,确定最小逆变角 min 的依据,最小逆变角 min = + + : SCR的关断时间 tq

7、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 min min,March 2003,19,北方交通大学电气工程学院,直流可逆电力拖动系统,2. 5. 5 有源逆变的应用,March 2003,20,北方交通大学电气工程学院,有源逆变的应用（续）,绕线式异步电动机晶闸管串级调速系统,March 2003,21,北方交通大学电气工程学院,高压直流输电,有源逆变的应用（续）,March 2003,22,北方交通大学电气工程学院,2. 6 整流电路的谐波和功率因数,2. 6. 1 整流电路的谐波分析 任何周期性波形都可以分解为直流分量、正弦波

8、基波分量和一系列频率为基波整数倍的谐波分量。 整流电路的谐波包括： 变流器直流侧谐波 交流电源侧谐波,March 2003,23,北方交通大学电气工程学院,一、变流器直流侧谐波分析（=0）,在（ m m） 傅立叶级数分析 ud 以2 m为周期,March 2003,24,北方交通大学电气工程学院,直流侧谐波分析（=0）（续）,因此 在整流输出电压中，谐波级次 n 一定是脉波数 m 的整数倍。 根据傅立叶级数分析 结果,March 2003,25,北方交通大学电气工程学院,直流侧谐波分析（=0）（续）,两相半波电路（m=2） 三相半波电路（m=3）,March 2003,26,北方交通大学电气工

9、程学院,直流侧谐波分析（=0）（续）,三相桥式电路（m=6） 脉波数（相数）的增加使谐波中最低次谐波的频率增加，同时其幅值迅速减少。 增加整流器的脉波数 m ，对减少直流侧谐波、改善输出波形质量有重要的作用。,March 2003,27,北方交通大学电气工程学院,直流侧谐波分析（ 0）,空载直流电压的 n 次谐波的有效值 整流器输出直流电压中的谐波分量，将随延迟角 的增大而显著上升。,March 2003,28,北方交通大学电气工程学院,二、交流电源侧谐波电流分析,对于理想的 m 脉波整流器，则在交流侧只有下列级次的谐波电流： = mk 1 每个谐波电流分量的幅值为基波电流的 1 / ，即谐波电流分量的大小与其频率成反比。 实际应用中，当需要比较精确的检测变流器交流侧谐波电流时，必需同时考虑到脉波数 m、延迟角 和重迭角 三个参数的影响。,March 2003,29,北方交通大学电气工程学院,2. 6. 2 整流电路的功率因数,定义 整流电路电网侧有功功率与视在功率之比 计算方法 = cos cos ：位移系数 : 电流畸变系数 也可用 = Pd / S 计算,March 2003,30,北方交通大学电气工程学院,功率因数的改善方法,全控变流器的半控工作状态 整流波形 逆变波