电力电子技术课件：3 有源逆变

1、第三章 有源逆变,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）,逆变的概念,第一节 电流的流转,两个直流电源和相连的电路如图3-1所示。,两个电源间的电能流转： 1. E1E2： 电源E1发出功率,E2接受功率， 电阻消耗功率。,电源E1发出的功率为,电源E2接受的功率为,电阻消耗的功率,功率流向？,2. 两电源极性均反向，且E2E1 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。

2、,功率流向？,电源E1接受的功率为,电源E2发出的功率为,电阻消耗的功率,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：,电阻上消耗功率：,功率流向？,若R很小，则电流很大，两个电源短路，不希望出现这种情况,结论:两个电源间的电能流转,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。 电流从电源正极性端流出者为发出功率，从正极性端流入者为吸收功率。 两电源反极性相连时则形成短路(因为线路等效电阻总是很小)，工作中应严防发生。,8,第二节 三相半波逆变电路,电动时,9,一. 整流工作状态(00, UdED, Id

3、=(Ud-ED)/R 电机吸收功率，电动运行状态 整流电路输出电能 增大Ud减小转速下降。,整流状态,Ud,10,二. 中间状态(=90) 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id ud均间断，Ud, ED很小。故电机处于缓慢爬行状态。,中间状态,11,三. 逆变工作状态(900(上正下负)，则处于短路状态。 要实现逆变工作应满足： 1。 UdUd，同时Ed反极性-外部条件。,逆变状态,控制角90度?,12,等效电路能量的流转,ua,ub,uc,13,=150为例分析波形及工作过程。设稳态时已存在ED,逆变工作模态分析（工作详细分析）,

4、t1时刻,t2时刻,t3时刻,t1: 只触发Ta， Ta导通（UaUc），ud=ua udED , L储能（id增大）,t3:只触发Tb ， Tb导通（UbUa），ud=ub 循环完成开关周期,t2后: EDud(ua), 但电抗器的感应电动势维持原有电流 L释放能量（id减小),14,三相半波电路，如电感L足够大而使电流id波形连续，则每个晶闸管导电120，故从输出电压 Ud波形不难求出直流输出电压：,逆变工作输出电压,注意控制角的范围扩展,90o 180o,则 d 0,15,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

5、,逆变工作输出电压,16,决定于电机转速，,可调节控制角,改变其大小。,为了防止过大电流，可以调节,来控制电流大小。,通过控制,逆变工作输出电流,17,L足够大时， 每个SCR导通120 Ud =1.17U2cos Id=(ED-Ud)/R， 控制角可以调节Id大小 极性改变方法： 1.改变转速方向 2.改变Ij方向,逆变工作小结,18,Ud = Ud0 cos ， Ud0=0.9U2（单相桥） Ud0=1.17U2(三相半波, Ud0=2.34U2( 三相桥式 ),逆变工作小结,19,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。,逆变工作小结,2

6、0,逆变角的定义,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表示，称“逆变角”。定义 逆变角的参考点在负半周自然换相点处，此时输出负压最大（ 0） 逆变角的计量方向是向左，即以与控制角计量相反的方向计量逆变角 大小。 在/2 之间变化， 对应在/2 0 之间变化,21,逆变状态输出电压平均值可写成,可见，当=0时,输出电压平均值Ud达到负最大值。,逆变角概念,22,晶闸管的电压波形: 逆变时 主要承受正压 峰值 U2l,23,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba

7、,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,bc,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,c,u,a,u,b,u,2,w,t,O,w,t,O,图34,整流,逆变,uTa,24,六. 对触发电路的要求,以60的整流触发与60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。,25,对于逆变工作状态，则只能依次触发晶闸管 Ta, Tb, Tc 如t2 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,对触发电路的要求: 各相脉冲轮流 !,26,第三节 三相桥式逆变电路 （48学时不含）,27,逆

8、变条件？,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,28,三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120 每隔60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！,29,对于三相桥式逆变电路 注意各个功率管的自然换相点 顺序为 T+a T-c T+b T-a T+c T-b； 如果有特定的逆变角，将相位向左移相即可,三相桥式电路的工作模态分析,-a-b,+c+a,-b-c,-c-a,+a+b,+b+c,30,图36,31,uab,ua,ub,

9、Ta,T-c,T-a,T-b,uc,Tc,Tb,相电压,线电压,32,或,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,33,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Ud和电机电势ED的极性和整流时相反,，,式（3-5）中Ud和 ED均为负值。,34,输出电流有效值I应等于,(3-6),其中,式中：,IB纹波电流有效值；,In第n次谐波电流有效值。,35,晶闸管的有效值电流IT和平均值ITav分别为：,(3-7),(3-8),36,交流电源送到直流侧的有功功率,逆变时，E

10、D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。,37,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4/3,是晶闸管的两倍因此变压器次级线电流有效值为：,(3-9),三相电源的视在功率,功率因数仍为,38,第四节 逆变失败与控制角的限制,39,一、逆变失败,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，称逆变失败或逆变颠覆,40,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t1时应有触发脉冲触发晶闸管使b相导通，

11、设此时触发脉冲丢失: 在t1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。,41,触发脉冲延时时的工作波形,在t1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t2时才触发晶闸管 在t2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。,42,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。,在此时刻b相故障,43,0时开关时刻,当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

12、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。,44,0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6s，而关断时间常需10s以上 如果仍在0进换相，开关延时会使实际换相时刻超过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，即角应留有余量。,45,换相重叠角,实际变压器都有漏抗，漏抗的存在将使换相

13、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表示。 如果仍在0进换相，换相重叠角会使实际换相时刻超过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，即角应留有余量。,余量多大？,46,逆变角裕量,如若逆变角裕量不够，如时，则到达0时换相尚未完成，过了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0时换相确实结束，,47,图3-8,换相重叠角使输出电压Ud绝对值变大,48,二、最小逆变角min,min =+ -换相重叠角，算法与整流时相同。 - SCR关断时间折合成的电角度 - 安全裕度角，可取10度。,49,一、什么是有源逆变：DC AC源 二、逆变工作的条件 1. 90 Ud ，且ED反极性 三、逆变工作时的波形分析（ud, uTa等） 与整流同理 四、逆变工作时的电参数计算，逆变角 与整流同理,50,注意： 1. 触发脉冲：与各相电压对应 2. 逆变电路形式（须能输出负压，不能有续流管!）,五、整流与逆变的转换：P66 图3-3 六、逆变失败 七、最小逆变角,51,作业: 1. 三相半波逆变电路图3 2(c) 。 /4 对于T+c : 1) 标出, 角 2) 画出ud, uT