第十講三相橋整流電路的有源逆變

1、時(shí)， 時(shí)，電路工作在整流狀態(tài) 電路工作在逆變狀態(tài)uO6u d ubcbcOucab u ac u bcubat1 t2 t 32-105)第十講 三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài) ? 逆變和整流的區(qū)別 ：控制角 a 不同 ?0<a <p /2 ? /2< a <3圖 2-46 三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)的電壓波形? 可沿用整流的辦法來處理逆變時(shí)有關(guān)波形與參數(shù)計(jì)算等各項(xiàng)問題把 > /2 時(shí)的控制角用表示， 稱為 逆變角而逆變角 和控制角 的計(jì)量方向相反，其大小自 =0 的起始點(diǎn)向左方計(jì) ? 三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)波形如圖 2-46 所示 ? 有源

2、逆變狀態(tài)時(shí)各電量的計(jì)算：Ud= -2.34U2cos = -1.35U2L cos輸出直流電流的平均值亦可用整流的公式，即Ud EMIddR? 每個(gè)晶閘管導(dǎo)通 2p /3，故流過晶閘管的電流有效值為（忽略直流電流 id 的脈 動(dòng)）IdIVTd 0.577I d3從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為? 當(dāng)逆變工作時(shí)，由于 EM 為負(fù)值，故 Pd 一般為負(fù)值，表示功率由直流電源輸Pd R I d EM I d 送到交流電源。在三相橋式電路中，變壓器二次側(cè)線電流的有效值為2I 2 2IVTId 0.816I d9.1.3 逆變失敗與最小逆變角的限制? 逆變失敗 （逆變顛覆） 逆變時(shí)，一旦換相失敗，外

3、接直流電源就會(huì)通過晶 閘管電路短路， 或使變流器的輸出平均電壓和直流電動(dòng)勢(shì)變成順向串聯(lián)， 形成很 大短路電流1. 逆變失敗的原因（1）觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時(shí)、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟 失、脈沖延時(shí)等，致使晶閘管不能正常換相（2）晶閘管發(fā)生故障，該斷時(shí)不斷，或該通時(shí)不通（3）交流電源缺相或突然消失 .（4）換相的裕量角不足，引起換相失敗LLB VT1 a iVT1LB VVTT12b iVVTT12LB VVTT23VT3oOOidiVT1iViVT2iV T3ttc i 2 VT3圖 2-47 交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過程的影響? 換相重疊角的影響：當(dāng) > 時(shí)，換相結(jié)束時(shí)，晶

4、閘管能承受反壓而關(guān)斷。如果< 時(shí)（從圖 2-47 右下角的波形中可清楚地看到） ，該通的晶閘管（ VT 2）會(huì)關(guān)斷，而應(yīng)關(guān)斷的晶閘管（ VT1）不能關(guān)斷，最終導(dǎo)致逆變失敗。2-109)2. 確定最小逆變角 min 的依據(jù)? 逆變時(shí)允許采用的最小逆變角 應(yīng)等于min= + +晶閘管的關(guān)斷時(shí)間 tq 折合的電角度， tq 大的可達(dá) 200300ms，折算到電角 度約 4°5°； 換相重疊角，隨直流平均電流和換相電抗的增加而增大。為對(duì)重疊角的范圍有所了解，舉例如下： 某裝置整流電壓為 220V，整流電流800A，整流變壓器容量為 240kV 。A，短路電壓比 Uk%為 5%

5、的三相線路，其的值約 15°20°。IdXBcos? 或參照整流時(shí) 的計(jì)算方法：cos( )2U2 sinmIdXBcos 1根據(jù)逆變工作時(shí) 并設(shè)， 上式可改寫為2U 2sin m值約取為 10°安全裕量角。主要針對(duì)脈沖不對(duì)稱程度（一般可達(dá)9.2 晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 晶閘管可控整流裝置帶直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載 組成的系統(tǒng)。 是電力拖動(dòng)系統(tǒng)中主要的一種， 也是可控整流裝置的主要用途之一 ? 對(duì)該系統(tǒng)的研究包括兩個(gè)方面： 其一是在帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)整流電路的 工作情況， 其二是由整流電路供電時(shí)電動(dòng)機(jī)的工作情況。 本節(jié)主要從第二個(gè)方面 進(jìn)行分析9.2.1 工作

6、于整流狀態(tài)時(shí)? 不考慮電動(dòng)機(jī)的電樞電感時(shí)? 只有晶閘管導(dǎo)通相的變壓器二次側(cè)電壓瞬時(shí)值大于反電動(dòng)勢(shì)時(shí)才有電流輸出， 此時(shí)負(fù)載電流斷續(xù)，對(duì)整流電路和電動(dòng)機(jī)的工作都不利，要盡量避免? 在電樞回路串聯(lián)一平波電抗器，保證整流電流在較大范圍內(nèi)連續(xù)，如圖 2-48圖 2-48 三相半波帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載且加平波電抗器時(shí)的電壓電流波形? 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)，雖然 Ud 波形脈動(dòng)較大，但由于電動(dòng)機(jī)有較大的機(jī)械慣量，故 其轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)都基本無脈動(dòng)。 此時(shí)整流電壓的平均值由電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)及 電路中負(fù)載平均電流 Id 所引起的各種電壓降所平衡。整流電壓的交流分量則全 部降落在電抗器上。 由 Id 引起的壓降有下列四部分： 變

7、壓器的電阻壓降 RB Id ， 其中 RB 為變壓器的等效電阻， 它包括變壓器二次繞組本身的電阻以及一次繞組 電阻折算到二次側(cè)的等效電阻；晶閘管本身的管壓降，它基本上是一恒值； 電樞 電阻壓降 IdRM ；由重疊角引起的電壓降 3XBId /（2p） 。? 此時(shí)，整流電路直流電壓的平衡方程為Ud EM R I d U（ 2-112 ）式中，R RB RM1. 電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 ? 勢(shì)為3XB2在電機(jī)學(xué)中，已知直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)EM Ce n式中， Ce為由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；（2-113）為電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)每對(duì)磁極下的磁通量，單位為（ Wb ）；n 為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為（ r/m

8、in）可根據(jù)整流電路電壓平衡方程式（ 2-112），作出不同控制角 a 時(shí) EM 與 Id 的關(guān)系EM 1.17U 2 cos R I d U轉(zhuǎn)速與電流的機(jī)械特性關(guān)系式為1.17U 2 cos R Id UnCeCe?根據(jù)式（ 2-115）做出不同時(shí) n 與 Id 的關(guān)系，如圖 2-49 所示。圖中的值一般為 1V 左右，所以忽略?？梢娖錂C(jī)械特性與由直流發(fā)電機(jī)供 電時(shí)的機(jī)械特性是相似的， 是一組平行的直線， 其斜率由于內(nèi)阻不一 定相同而稍有差異。調(diào)節(jié) a 角，即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖 2-49 三相半波電流連續(xù)時(shí)以電流表示的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性同理，可列出三相橋式全控整流電路電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)的 機(jī)械特性

9、方程為1.17U2 cos R Id U nCeCe（ 2-116 ） 2. 電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 （圖 2-50）? 由于整流電壓是一個(gè)脈動(dòng)的直流電 壓，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載減小時(shí)， 平波電抗器中的電感儲(chǔ)能減小， 致使電流不再連續(xù)， 此時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性也就呈現(xiàn)出非線性。? 電流連續(xù)時(shí)的理想空載反電動(dòng)勢(shì)（ a =60°, 忽略）：E 0 1.17U 2 cos 60 0.585U 2? 實(shí)際當(dāng) Id 減小至某一定值 Id min 以后，電流變?yōu)閿嗬m(xù)， 這個(gè) E0'是不存在的，真正的理想空載點(diǎn)遠(yuǎn)大于此值：? a<=60o ，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際空載反電動(dòng)勢(shì)都是 2U 23)?

10、當(dāng) a>60o 以后，空載反電動(dòng)勢(shì)為2U 2 cos（? 電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的特點(diǎn)： 電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速抬高 機(jī)械特性變軟，即負(fù)載電流變化很小也可引起很大的轉(zhuǎn)速變化 隨著 a 的增加，進(jìn)入斷續(xù)區(qū)的電流值加大圖 2-51 考慮電流斷續(xù)時(shí)不同 時(shí)反電動(dòng)勢(shì)的特性曲線 a 1 < a 2 <a 3 <60°，a 5> a 4>60°? 由于 a 愈大，變壓器加給晶閘管陽極上的負(fù)電壓時(shí)間愈長(zhǎng)， 電流要維 持導(dǎo)通，必須要求平波電抗器儲(chǔ)存較大的磁能， 而電抗器的 L 為一定值的情況下， 要有較大的電流 Id 才行? 電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性可由

11、下面三個(gè)式子準(zhǔn)確地得EM2U 2 cossin(6) sin)e ctgEM nC2U 2 cosCe'ctg1esin(6 ) sin(61 e ctg)e ctg) C2Ue n2U23 2U 2 cos( ) cos(arctg L2 Zcos 6 622Z R 2 L2式中， L 為回路總電感。? 一般只要主電路電感足夠大，可以只考慮電流連續(xù)段，完全按線性處理。當(dāng)?shù)?速輕載時(shí)，斷續(xù)作用顯著，可改用另一段較陡的特性來近似處理(見圖 2-50)，其等效電阻比實(shí)際的電阻 R 要大一個(gè)數(shù)量級(jí)。? 整流電路為三相半波時(shí)，在最小負(fù)載電流為 Id min 時(shí)，為保證電流連續(xù)所需 的主回路電感

12、量為L(zhǎng) 1.46 U2 (mH)I dmin2-120)? 對(duì)于三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載的系統(tǒng)，有U2L 0.693 2 (mH)Idmin? L 中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感。前者數(shù)值都較 小，有時(shí)可忽略。 Idmin 一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的 5%10%。? 因?yàn)槿鄻蚴饺卣麟妷旱拿}動(dòng)頻率比三相半波的高一倍， 因而所需平波電 抗器的電感量也可相應(yīng)減小約一半，這也是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點(diǎn)。9.2.2 工作于有源逆變狀態(tài)時(shí) 1. 電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 ? 主回路電流連續(xù)時(shí)的機(jī)械特性由電壓平衡方程式U d E M Id R決定。? 逆變時(shí)由于 Ud=U

13、 d0cosb ，EM 反接，得EM(U d 0 cosId R )2-122)? 因?yàn)?EM =Cen，可求得 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式1n ' （U d 0 cos I d R ）Ce'd 0 d2-123 )向 方大 增 向方大增反組變流器n正組變流器向方 大增 向方大增圖 2-52 電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性2. 電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性? 電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程可沿用整流時(shí)電流斷續(xù)的機(jī)械特性表達(dá)式， 只要把 a =p - b 代入式（ 2-117）、式（ 2-118）和式（ 2-119），便可得 EM、n 與Id 的表達(dá)式，求出三相半波電路工作于逆變狀態(tài)且電流

14、斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性，即EM2U 2 cossin(sin(ctg)ectg e2-124)EM nCe2U 2 cosCe'sin( 76sin()ectgctg e ctg2-125 )? 逆變電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，與整流時(shí)十分相似： 理想空載轉(zhuǎn)速上翹很多，機(jī)械特性變軟，且呈現(xiàn)非線性 說明逆變狀態(tài)的機(jī)械特性是整流狀態(tài)的延續(xù) 縱觀控制角 a 由小變大（如 p/6 p5/6），電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性則逐漸的由第 1 象 限往下移，進(jìn)而到達(dá)第 4 象限。逆變狀態(tài)的機(jī)械特性同樣還可表示在第 2 象限里， 與它對(duì)應(yīng)的整流狀態(tài)的機(jī)械特性則表示在第 3 象限里? 應(yīng)該指出， 圖 2-52 中第 1

15、、第 4 象限中的特性和第 3、第 2 象限中的特性是分 別屬于兩組變流器的， 它們輸出整流電壓的極性彼此相反， 故分別標(biāo)以正組和反 組變流器。9.2.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)正組反組正組+n正轉(zhuǎn)逆變 IId 正轉(zhuǎn)整流a 電網(wǎng)正組O-T反轉(zhuǎn)整流 Ia)電網(wǎng)反組反組正組電動(dòng)運(yùn)行電能-nUda b c反組- 電能 EM Mb)電網(wǎng)正組 Id 反轉(zhuǎn)逆變發(fā)電運(yùn)行EMc)圖 2-53 兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路圖 253（c） 兩組變流器的反并聯(lián)可逆線 路? 兩套變流裝置反并聯(lián) 連接的可逆電路：圖 2-53a為三相半波有環(huán)流接線，圖 2-53b 為三相全控橋的無環(huán)流接線。環(huán)流是指只在兩組變流器之間流動(dòng)而

16、不經(jīng)過負(fù)載的電流。 電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)行時(shí)由正組變流器供電的；反向運(yùn)行時(shí)，則由反組變流器供電 根據(jù)對(duì)環(huán)流的不同處理方法，反并聯(lián)可逆電路又可分為不同的控制方案，如配 合控制有環(huán)流 （a = b ）、可控環(huán)流、邏輯控制無環(huán)流和錯(cuò)位控制無環(huán)流等電動(dòng)機(jī)都可 四象限運(yùn)行 可根據(jù)電動(dòng)機(jī)所需運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來決定哪一組變流器工作 及其工作狀態(tài)：整流或逆變?圖 2-53c繪出了電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行時(shí)兩組變流器（簡(jiǎn)稱正組橋、反組橋）的工 作情況第 1 象限：正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，正組橋工作在整流狀態(tài)，a p < /2 ，EM<Uda（下標(biāo)中有 a表示整流， p表示正組） 第 2象限，正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電 運(yùn)行，反組橋

17、工作在逆變狀態(tài)， < /2（ a N > /2），EM>Ud 下標(biāo)中有 表示 逆變， 表示反組） 第 3 象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，反組橋工作在整流 狀態(tài)， a < /2，EM <Uda 第 4 象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，正組橋工作 在逆變狀態(tài) ， P < /2（ a P > /2）， EM>Ud ? 直流可逆拖動(dòng)系統(tǒng)，除能方便 地實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)外，還能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的回饋制動(dòng)? 電動(dòng)機(jī)反向過程：? 第 1 象限正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)從正組橋取得電能 | 先使電動(dòng)機(jī)迅速制動(dòng)， 為此需切換 到反組橋工作在逆變狀態(tài)， 此時(shí)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入第 2 象限作正轉(zhuǎn)發(fā)電運(yùn)行，

18、 隨著電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速的下降， 不斷地調(diào)節(jié) b，使之由小變大直至 b=p/2（n=0），如繼續(xù)增大 b ， 即 a<p/2 ，反組橋?qū)⑥D(zhuǎn)入整流狀態(tài)下工作 | 電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn)進(jìn)入第 3 象限的電 動(dòng)運(yùn)行? 配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng) ? 對(duì)正、反兩組變流器同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖， 并 嚴(yán)格保證 a= 的配合控制關(guān)系，假設(shè)正組為整流，反組為逆變，即有 a P，Ud P=Ud N，且極性相抵，兩組變流器之間沒有直流環(huán)流。但兩組變流器的輸 出電壓瞬時(shí)值不等， 會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)環(huán)流。為防止環(huán)流只經(jīng)晶閘管流過而使電源短路， 必須串入環(huán)流電抗器 LC 限制環(huán)流。? 邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)? 工程上使用較廣泛，不需設(shè)置環(huán)流電抗器? 控制原則是：只有一組橋投入工作（另一組關(guān)斷） ，所以兩組橋之間不存在環(huán) 流? 兩組橋之間的切換 不能簡(jiǎn)單地把原來工作著的一組橋的觸發(fā)脈沖立即封鎖， 而 同時(shí)把原來封鎖著的另一組橋立即開通首先應(yīng)使已導(dǎo)通橋的晶閘管斷流， 要妥當(dāng)處理主回路內(nèi)電感儲(chǔ)存的能量， 直到 儲(chǔ)存的能量釋放完，主回路電流變?yōu)榱?，使原?dǎo)通晶閘管恢復(fù)阻斷能力 ? 隨后再開通原封鎖著的晶閘管，使其觸發(fā)導(dǎo)通? 這種無環(huán)流可逆系