第四章有源逆变.

1、2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-0,第 4 章 有源逆变与相控变流器特性,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-1,概 述,什么是逆变？为什么要逆变？ 逆变（invertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。 实例：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。 逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。 有源逆变电路逆变电路的交流侧和电网连接，将直流电逆变成与电网同频率的交流电反送到电网。（本章介绍）,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-2,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

2、的交流电供给负载。（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，其电路形式未变，只是电路工作条件发生改变。既可工作在整流状态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-3,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 有源逆变的应用 4.4 变流电路的功率因数及改善方法,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-4,一、有源逆变的概念 1、直流发电机电动机系统电能的流转,图a M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，EM

3、EG，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,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-5,2、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。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-6,3、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

4、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。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-7,4、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。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-8,5、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，计算方法为：自 = （ = 0 ）的起始点向左

5、方计量。 、 的关系： = 或 = ,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-9,二、单相桥式有源逆变电路 1、变流器工作于整流状态（ 0 2 ） Ud 0 , E 0，Ud E，M工作于电动状态,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-10,2、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：E 0 （反极性），Ud 0 （反极性）且Ud E,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-11,3、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

6、的容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行 。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-12,4. 2 三相有源逆变电路,一、 三相半波有源逆变电路 1、变流器工作于整流状态（ 0 2 ） Ud 0 , E 0， Ud E， M工作于电动状态,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-13,2、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：Ud 0 （反极性） , E 0 （反极性）Ud E,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-14,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-15,3、三相半波电路逆变电压的计算

7、 变流器直流侧电压计算 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 。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-16,二、三相桥式全控有源逆变电路,1、变流器工作于逆变状态（ 2 ） Ud 0 , E 0 ，Ud E,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-17,2、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 。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-

8、18,三、逆 变 失 败及最小逆变角的限制,1、定义 逆变运行时，一旦发生换相失败，整流电路就由逆变工作状态进入整流工作状态，使输出平均电压Ud和直流电势变成顺向串联，或者使外接直流电势通过SCR电路形成短路，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-19,2、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,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-20,2、逆变失败的原因（续）,（2）触发脉冲延迟 T2的触发脉冲ug2延迟,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-21,（3）晶闸管发生故障

9、（指晶闸管失去阻断能力或失去导通能力） T3失去阻断能力,2、逆变失败的原因（续）,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-22,（4）换相的裕量角不足,2、逆变失败的原因（续）,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-23,（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，逆变失败的后果都是造成电流急剧上升！,2、逆变失败的原因（续）,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-24,3、避免逆变失败的措施,（1）预防措施 采用可靠的触发电路，保证触发脉冲不丢失、不延迟； 选用有足够阻断能力的SCR，防止误导通； 逆变角

10、 不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。 （2）保护措施：装快速熔断器或快速开关；,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-25,4、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 ） : 恢复阻断角SCR的关断时间 tq 折合的电角， = 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！,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-26,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

11、=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,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-27,例 4-1（续）,负载侧的功率为 负载功率为负值，表明负载侧实际是发出电能回馈到电网。 所以交流电源的功率因数为,所以,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-28,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，

12、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说明图中整流器输出电压Ud和电动机端电压Ua的极性； 2说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？,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-29,例 4-2（续）,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 ，而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90180 ，为防止逆变颠覆，有最小

13、逆变角min限制，即控制角有最大值max的限制。min 受换流电流、交流侧换相电抗及元件关断时间的影响，min 大约在35 左右。因此逆变工作时控制角的范围大致是90150 。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-30,例 4-2（续）,解：4,负号说明电网吸收电功率,代入,得 ：,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。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-31,高压直流输电,4. 3 有源逆变的应用,两组晶闸管变流器的交流侧分别与两个交流系统u1、u2连接，变流器的直流侧相互关联。,通过分别控制两个变流

14、器的工作状态，就可控制功率的流向。,在送电端，变流器工作于整流工况，在受电端变流器工作于逆变工况。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-32,绕线式异步电动机晶闸管串级调速系统,转子在不同的转速下感应出转差频率的电压，经一组不控的三相桥式变流器变成直流电压，,此电压再经一组全控桥式变流器实现有源逆变，把电能（转差功率）馈送回电网中去，,改变逆变角的大小，即可改变馈送回电网电能的多少，从而达到改变电机转速的目的。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-33,直流可逆电力拖动系统,第一象限，变流器的控制角 1900，Ud1E，整流状态，电机正转电动运行；,第二象限，变流器

15、的控制角900，UdE，有源逆变状态，电机正转发电制动机运行；,第三象限，变流器的控制角 900， UdE，整流状态，电机反转电动运行；,第四象限，变流器的控制角 1900，Ud1E，有源逆变状态，电机反转发电制动运行。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-34,4. 4 变流电路的功率因数及改善方法,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。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-35,3、计算方法2 = cos cos ：相位移系数（基波的有功功率与基波的视在功

16、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,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-36,例：单相全控桥式电路功率因数计算,计算方法1,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-37,例：单相全控桥式电路功率因数计算,计算方法2,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-38,二、功率因数的改善方法,1、全控变流器的半控工作状态（提高基波功率因数） 整流波形 逆变波形,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-39,2、强迫换相 （1）熄灭角控制（使基波电流超前电压，对整个电力系统有利）,2020/7/21,北京交通大学电

17、气工程学院,4-40,2、强迫换相（续） （2）对称角控制（使基波功率因数=1）,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-41,2、强迫换相（续） （3）脉冲宽度控制（使基波功率因数=1，同时提高电流畸变系数）,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-42,3、串联变流器的顺序控制 （主要是提高基波功率因数）,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-43,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)

18、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,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-44,课 堂 思 考,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。,2020/7/21,北京交通大学电气工程学院,4-45,本章小结,1、掌握逆变的概念： 逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。它分为有源逆变和无源逆变两种。 有源逆变电路电路的交流侧和电网连接，将直流电逆变成与电网同频率的交流电反送到电网。 无源逆变电路变流电