有源逆变电路.ppt

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1、第四章 有源逆变电路,重点和要求,1.理解逆变的概念。2.理解和掌握三相有源逆变电路的工作原理，数量关系；逆变失败的原因和最小逆变角的限制。3.了解其他相关内容。,1.整流与逆变的关系,第一节 逆 变 的 概 念,一、什么是逆变？为什么要逆变？,相对于整流而言，逆变是它的逆过程，一般习惯于称整流为顺变，则逆变的含义就十分明显了。同一套电路，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。这样的电路统称为变流装置。,逆变（Invertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路交流侧接在交流电网上，电网成为负载，在

2、运行中将直流电能变换为交流电能并回送到电网中去。应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。无源逆变电路交流侧不与电网联接，而直接接到负载，在运行中将直流电能变换为某一频率或可调频率的交流电能供给负载。将在第8章介绍。,第一节 逆变的概念,第一节 逆变的概念,二、直流发电机电动机系统电能的流转,直流发电机电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EG EM b）两电动势同极性EM EG c）两电动势反极性，形成短路,1.电路工作过程分析,G:直流发电机M:电动机控制发电机电动势的大小和极性，可实现电动机四象限的运转状态。,图(a)中：M电动运转，EGEM,G 输出电能

3、EGId，其中一部分为 R 所消耗的Id2R，其余部分则为电源 M 所吸收的EMId。注意:输出电能的 G 的电势方向与电流方向一致，而吸收电能的 M电势方向与电流方向相反。,第一节 逆变的概念,整流状态,M 输出电能，G 吸收电能,M的机械能转变为电能反送给G。,图(b)中：若由于某种原因，EMEG，M发电运转，电流反向,第一节 逆变的概念,逆变状态,回馈制动,G和M均输出电能，输出的电能全部消耗在电阻R上。若电阻值很小，电路中的电流必然很大；若R=0，则形成G、M短路。,图(c)中:G、M反极性相连,第一节 逆变的概念,短路,综上所述，可得出以下结论：(1)两电动势源同极性相连，电流从高电

4、势流向低电势，电流大小取决于两个电势之差与回路总电阻的比值。若回路电阻很小，很小的电势差也可形成较大的电流，使两电动势源之间发生较大能量的交换。（EMEG，Id的大小取决于负载）(2)电流从电源的正极流出，该电源输出电能；而电流从电源的正极流入，该电源吸收电能。电源输出或吸收功率的大小由电势与电流的乘积来决定。（EG EM,整流；EG EM：逆变）(3)两个电源反极性相连，如果电路的总电阻很小，将形成电源间的短路，应当避免发生这种情况。,第一节 逆变的概念,三、有源逆变产生的条件单相双半波电路代替上述发电机给电动机供电,单相双半波电路的整流和逆变,a),b),u,10,u,d,u,20,u,1

5、0,a,O,O,w,t,w,t,I,d,i,d,U,d,E,M,u,10,u,d,u,20,u,10,O,O,w,t,w,t,I,d,i,d,U,d,E,M,a,i,VT,1,i,VT,2,i,VT,2,i,d,=,i,VT,+,i,VT,1,2,i,d,=,i,VT,+,i,VT,1,2,i,VT,1,i,VT,2,i,VT,1,电动机输出电功率,交流电网输出电功率,第一节 逆变的概念,改变EM的极性；Ud极性也必须相反。怎样使Ud方向相反？,产生有源逆变的条件：,1.外部条件：有直流电动势源存在，直流电势源可以是直流电机的电枢电势，也可以是蓄电池电势。其极性和晶闸管导通方向一致，其直流电压

6、值略大于变流器直流侧平均电压。,第一节 逆变的概念,上述两个条件必须同时具备才能实现有源逆变。,2.内部条件：要求晶闸管的控制角/2，使Ud为负值。以实现直流 电源的能量向交流电网的流转。,必须指出：半控桥或有续流二极管的电路，因其不允许直流侧出现负极性的电动势,整流电压ud也不能出现负值，故不能实现有源逆变。（欲实现有源逆变，只能采用全控电路）,第二节 三相有源逆变电路,1.基本通式：波形连续的情况下,整流输出电压与控制角之间存在关系：,逆变状态和整流状态的区别：控制角 不同,0 p/2 时，电路工作在整流状态 p/2 p时，电路工作在逆变状态,2.逆变角的概念：为实现逆变，需一反向的EM，

7、而Ud因a/2已自动变为负值，满足逆变条件。因而可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题。把 a/2时的控制角用-=表示，称为逆变角。整流状态：/2，相应的/2；逆变状态：/2，而/2。,第二节 三相有源逆变电路,第二节 三相有源逆变电路,关于逆变角的几点说明：,1）引入概念，可使逆变时的Ud公式变为：,突出负号,2）逆变角和控制角a的计量方向相反，其大小自=0的起始点 向左方计量。a的计量方向：自然换相点起，向右计量；的计量方向：自然换相点+起，向左计量。,3）引入 后，有：整流时：Ud=Ud0cos a;逆变时：Ud=-Ud0cos。,三相半波共阴极逆变电路及有关波形(a)

8、整流工作状态；(b)逆变工作状态,一、三相半波逆变电路,第二节 三相有源逆变电路,1.电路结构,图(a)所示:=30时依次触发晶闸管，其输出电压波形如图黑实线所示。因负载接有大电感，故电流连续。,1）整流工作状态（0/2）,电流Id从Ud的正端流出，从ED的正端流入;能量的流转关系:交流电网输出能量，电机吸收能量以电动状态运行。,第二节 三相有源逆变电路,2.工作原理,对于0/2范围内其它移相角，即使输出电压的瞬时值ud有正有负，但正面积总是大于负面积，输出电压平均值Ud总为正，极性上正下负，且Ud略大于ED。,若此时电动机端电势已反向，下正上负，控制角=150，依次触发晶闸管。,2）电路的逆

9、变工作状态（/2）,虽此时ua=0，但因有ED存在，VT1承受ED 仍可触发导通，并输出ua。VT1被触发导通后，虽然ua为负值，因 ED存在且|ED|ua|，VT1仍受正压而导通。,第二节 三相有源逆变电路,t1时刻触发a相晶闸管VT1(ca)：,即使不满足|ED|ua|，平波电感(L)的 存在使主回路电流连续。仍可使VT1承受正压 继续导通。,VT1导电120后，触发VT2导通，由于此时ubua，VT1反压关断，完成换相，电路输出电压为ub。如此循环往复。,如图(b)中黑实线所示：当/2时，输出电压瞬时值ud在整个周期内有正有负或者全部为负，负电压面积总是大于正面积，输出电压的平均值Ud为

10、负值，极性下正上负。,第二节 三相有源逆变电路,输出电压ud波形：,此时电机端电势ED稍大于Ud，主回路电流Id方向依旧，但它从ED的正极流出，从ud的正极流入。能量的流转关系:电机向外输出能量，以发电机状态运行，交流电网吸收能量，电路以有源逆变状态运行。,一般通过分析变流器直流侧的电压和电流平均值来分析交流电网究竟是输出功率还是输入功率。交流电源与直流电源能量的流转按有功功率Pd=UdId分析：整流状态：Ud0，Pd0：表示电网输出功率；逆变状态：Ud0，Pd0：表示电网吸收功率。,交流电源与直流电源能量的流转:,第二节 三相有源逆变电路,晶闸管VT1、VT2、VT3交替导通工作完全与交流电

11、网变化同步，从而可以保证能够把直流电能变换为与交流电网电源同频率的交流电回馈电网。,能量流转分析方法:,变流器中的晶闸管，无论在整流或是逆变状态，其关断时承受的正向或反向电压峰值均应为线电压的峰值。整流状态:晶闸管关断时主要承受反向电压；逆变状态：晶闸管关断时主要承受正向电压。,晶闸管承受电压：,第二节 三相有源逆变电路,逆变时，其输出电压平均值的计算公式可改写成：,从/2逐渐减小时，输出电压平均值Ud的绝对值逐渐增大，其符号为负值。,逆变电路中，晶闸管之间的换流完全由触发脉冲控制，其换流趋势总是从高电压向更低的阳极电压过渡。这对触发脉冲提出了格外严格的要求，其脉冲必须严格按照规定顺序发出，且

12、要保证触发可靠，否则极容易造成因晶闸管之间的换流失败而导致的逆变颠覆。,第二节 三相有源逆变电路,第三节 逆变失败与最小逆变角的限制,逆变失败（逆变颠覆）,电路在逆变状态运行时，若出现晶闸管换流失败，则变流器输出电压与直流电压将顺向串联，由于回路电阻很小，将产生很大的短路电流，以至可能将晶闸管和变压器烧毁。上述事故称为逆变失败或逆变颠覆。,1.触发电路工作不可靠触发电路不能适时、准确地供给各晶闸管触发脉冲，造成脉冲丢失或延迟以及触发功率不够，均可导致换流失败。一旦晶闸管换流失败，势必形成一只元件从承受反向电压导通延续到承受正向电压导通，Ud反向后将与ED顺向串联，出现逆变颠覆。,一、逆变失败的

13、原因,第三节 逆变失败与最小逆变角的限制,2.晶闸管出现故障晶闸管出现故障，在应该关断的时候丧失了关断能力，而应该导通的时候却无法导通。也将导致电路的逆变失败。,第三节 逆变失败与最小逆变角的限制,3.交流电源出现异常从逆变电路电流公式,可看出，电路在有源逆变状态下，如果交流电源突然断电或者电源电压过低，上述公式中的Ud都将为零或减小，从而使电流Id增大以至发生电路逆变失败。,第三节 逆变失败与最小逆变角的限制,4.电路换相时间不足有源逆变电路的控制电路在设计时，应充分考虑变压器漏电感对晶闸管换流的影响以及晶闸管由导通到关断存在着关断时间的影响，否则会由于逆变角太小造成换流失败，导致逆变颠覆的

14、发生。以共阴极三相半波电路为例，分析由于太小而对逆变电路产生的影响。,第三节 逆变失败与最小逆变角的限制,换相重叠角对逆变的影响：,当b g，从m（=0）点向左角度触发VT1，换流开始，iT3，iT1。换流结束时，uauc,VT1 导通，VT3受反压关断。,当b g，从n（=0）点向左角度时刻触发VT1,换流开始，iT3，iT1。由于，到达n点（=0），iT3未降至零，VT3并未关断，过n点后VT3阳极电压高于VT1阳极电压继续导通，而VT1受反压重新关断。VT3继续导通的结果使变流器从逆变过渡到整流状态，电机电势与变流器输出电压顺向串联，造成逆变失败。,c换相到a：VT3换流到VT1。,m,

15、结论：,第三节 逆变失败与最小逆变角的限制,1.不能等于零。,2.不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。,有源逆变时允许采用的最小逆变角b 应等于 bmin=d+g+q,g 换相重叠角，随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。,二、确定最小逆变角min的依据,结论：min,第三节 逆变失败与最小逆变角的限制,因为换相重叠角满足：,根据逆变工作时，并设，上式可改写成,中小型可逆直流拖动系统中：bmin一般取3035。,逆变时要求min，则有：,最小逆变角min的确定方法,第三节 逆变失败与最小逆变角的限制,第五节 有源逆变电路应用举例,一、直流可逆电力拖动系统,a三相半波有环流接线 b三相全控

16、桥无环流接线,特点：两套变流装置反并联连接。,1.主回路结构,不论采用哪一种反并联电路，都可使电动机在四个象限内运行。,第五节 有源逆变电路应用举例,变量方向约定：Id方向:从上到下EM极性:上正下负n：顺时针Ud:上正下负,2.工作原理：可逆四象限运行,第五节 有源逆变电路应用举例,电动机在四个象限内运行：如果在任何时间内，两组变流器中只有一组投入工作，则可根据电动机所需的运转状态来决定那一组变流器工作及相应的工作状态：整流或逆变。,Te:电动机输出力矩,单看1号变流（假设2号变流不存在）,电路状态：Ud方向：Id方向：Te方向：电机工作状态：,1组整流,上正下负,上入下出,与n同向，为正,

17、正转电动,结论：象限，1组整流，a1/2，电能动能,a1/2,1组整流，正转电动,第五节 有源逆变电路应用举例,象限：,特征：n0:顺时针正转，Id0，Te方向与n方向一致,象限：,特征：n0:顺时针正转，Id0，Te方向与n方向相反,因为Te是与电机转动方向相反的阻力矩，迫使n，甚至停机。,n下降（电动回馈制动）原因：,但M输出不能经由1组回馈给电网，这要求2组投入工作并工作在逆变状态，即a2/2.,a1/2,Id 01组整流，正转电动,第五节 有源逆变电路应用举例,电机什么时候进入二象限？,象限：,电路状态：Ud2方向：Id方向：Te方向：电机工作状态：,上正下负,上出下入,与n反向，为负

18、,正转制动,结论：a1 Ud1 EMUd1 投入2组 a2/2 Id0 动能变电能电网 当EM略大于Ud1后，电机从，回馈电网,Ud1,1组最终断开，2组逆变（a2/2）,a1/2,Id 01组整流，正转电动,a2/2,Id 02组逆变，正转制动,第五节 有源逆变电路应用举例,象限：,电路状态：Id方向：Ud2方向：Te方向：电机工作状态：,下正上负,下入上出,与n同向，为负,反转电动,结论：当Ud2 略大于EM后，2组整流；电机从，反转电动,特征：n0:逆时针运转，Id0 Te方向与n方向一致,单看2号变流（假设1号变流不存在）,2组整流,a1/2,Id 01组整流，正转电动,a2/2,Id

19、 02组逆变，正转制动,a2/2,Id 02组整流，反转电动,第五节 有源逆变电路应用举例,象限：,结论：当 EM略大于Ud1后，1组逆变；电机从，反转制动,特征：n0:逆时针运转，Id0 Te方向与n方向相反,反转情况下，若a2 Ud2电机降速EM Ud2 M要求输出电流，方向下出上入 要求1组电路运转并工作在逆变状态。,a1/2,Id 01组整流，正转电动,a2/2,Id 02组逆变，正转制动,a2/2,Id 02组整流，反转电动,a1/2,Id 01组逆变，反转制动,第五节 有源逆变电路应用举例,两组变流器的反并联可逆线路,第五节 有源逆变电路应用举例,3.控制策略：,实质为a1=2 配

20、合控制，也等价于a2=1配合控制,原理分析：,象限：,a1/2,Id 01组整流，正转电动,a2/2,Id 02组逆变，正转制动,a2/2,Id 02组整流，反转电动,a1/2,Id 01组逆变，反转制动,a1/2,Id 0，1组整流，同时给2组也施加触发脉冲，2组控制角a2=-2，因为2=a1，所以a2/2，2组处于待逆变状态。此时并不可能工作。,因为不满足 EM略大于 Ud2。,因为 Ud1=Ud2 EM,象限工作在正向电动状态。其他三象限分析过程同上。,第五节 有源逆变电路应用举例,a=配合控制：,两套变流装置反并联连接的可逆电路的相关结论：,正向运行时由正组变流器供电；反向运行时，则由

21、反组变流器供电。反并联可逆电路又可分为不同的控制方案，如配合控制有环流（a=）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。电动机都可四象限运行。可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态：整流或逆变。,第五节 有源逆变电路应用举例,本 章 小 结,1.重点掌握有源逆变的概念和产生有源逆变的条件、三相 半波可控整流电路有源逆变工作状态的分析计算、逆变 失败及最小逆变角的限制等。2.掌握直流可逆电力拖动系统工作情况。电动机系统的工 作情况，重点掌握各种状态时系统的特性，包括变流器 的特性和电机的机械特性等。,1.有源逆变与无源逆变的区别和联系。2.为什么有源逆变工作时，变流器直流侧会出现负的直流电压，而如果变流器带电阻负载或电阻串接大电感负载时却不能在直流侧出现负的直流电压？,思考题：,答：逆变运行时，一旦发生换流失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联，由于逆变电路内阻很小，形成很大的短路电流，称为逆变失败或逆变颠覆。防止逆变失败的方法有：采用精确可靠的触发电路，使用性能良好的晶闸管，保证交流电源的质量，留出充足的换向裕量角等。,3.什么是逆变失败？如何防止逆变失败？,