素材有源逆變遠(yuǎn)程

第二十三講主講教師：東南大學(xué) 教育電力電子基礎(chǔ)第三章 有源逆變將直流電轉(zhuǎn)變成交流電，這種對應(yīng)于整流的逆向過程，稱“逆變”。有源逆變則指的是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電后，再將它反送回交流電網(wǎng)。這里的“源”即指交流電網(wǎng)。如晶閘管控制的電力機車，交流電經(jīng)可控整流后，供電給直流電機。在正常運行時，從交流電網(wǎng)供給功率來拖車；當(dāng)機車下坡時，直流電機將作為發(fā)電機運行，此時發(fā)出的直流電能用同一套晶閘管的控制轉(zhuǎn)換成交流電反送回電網(wǎng)。又如正在運行的電速停機，也可讓電，要使它迅作為發(fā)電機運行產(chǎn)生制動，將電機動能轉(zhuǎn)變成電能后反送回電網(wǎng)。有源逆變應(yīng)用廣泛，是研究直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是研究變速恒頻電源必須具有的知識，還用于其他方面。晶閘管有源逆變和可控整流電路，常常采用一套電路既作整流又作逆變，在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。因此必須注意，在什么條件下是整流，在什么條件下是逆變，在什么條件下可以相互轉(zhuǎn)化。第一節(jié)電能的流轉(zhuǎn)兩個直流電電源路如圖3-1（a）所示?，F(xiàn)分析其電能如何流轉(zhuǎn)。和E2

相連的電從E1

流向E2

，大小為率P

(E

E

)I

I

2

RR

1

2。式中R為回路總電阻。電源

E1

發(fā)出的功率為P1

E1I

，電源E2接收的功率為P2

E2

I

，電阻消耗的功RI

E1

E2RE1E2圖3-1（a）1

2設(shè)E

E

，電流I圖3-1（b）的情況是兩個電源極性都反過來，同時E2

E1

，則有電流方向不變，但功率反送。RE1E2圖3-1（b）圖3-1（c）則為兩個電源反極性相連的情況，這時電流大小為相當(dāng)于兩個電源順極性串聯(lián)起來向電阻R供電。R

E2I

E1RE1E2圖3-1（c）此時兩電源都輸出功率，P

E

I

，1

1P2

E2

I

，電阻消耗的功率

PR

(E1

E2

)I

。如果R僅是回路電阻，電流I將很大，此時實際上形成了兩個電源的短路。由以上分析，可以得出幾點結(jié)論：1.兩各電源同極性相連，電流總是從電勢高的電源流向電勢低的電源，大小決定于兩電勢之差和回路電阻R。如R很小，雖然兩電勢之差不大，也可產(chǎn)生足夠大的電流，使兩電源間交換很大的功率。2.電流從電源正極性端流出者為發(fā)出功率，從正極性端流入者為吸收功率。3.兩電源反極性相連時則形成短路，工作中應(yīng)嚴(yán)防發(fā)生。第二節(jié)

三相半波逆變電路圖3-2示出了三相半波電路，它既可作整流又可作逆變。為了便于分析問題，設(shè)電路平波電感L足夠大，可認(rèn)為電流為一水平線。忽略電源漏抗，將直流電機電樞電阻和電感分別歸算到主回路的電阻和電感中，此時直流電機可看作是無內(nèi)阻抗的理想電壓源。下面從整流狀態(tài)分析起，具體說明電路工作在整流或逆變狀態(tài)的條件，看整流和逆變?nèi)绾无D(zhuǎn)變。uaubucTaTbTcidDEudMabc圖3-2（a）—

整流工作狀態(tài)（

0

）2每半周期開始以控制角每隔120依次觸發(fā)晶閘管Ta

，Tb

，Tc。輸出電壓波形示于圖3-2（a），其平均值Ud為正。圖3-2(a)整流工作波形0ttub

uc

ua0udiTa

iTb

iTc

iTaid0電流I

應(yīng)有d方向由電路正極性流出，流入電機電勢

ED

的正極性。

電機吸收功率，作電

運行，整流電路則為輸出電能。R

Ud

EdId二中間狀態(tài)（

/2

）當(dāng)增大控制角

，則電壓ud

波形與橫坐標(biāo)包圍的正面積減小，積加大，平均值Ud

減小，電轉(zhuǎn)速減小。uabuucTabTTcDEudMabcid

0圖3-2（b）uabuucTabTTcEDudMabcid

0圖3-2（b）直到

/

2時，理想狀態(tài)下，如果忽略電阻R，則輸出電壓

ud

波形的正 積相等，因而整流電路輸出平均電壓為零，電反電勢ED為零，電路電流id

為零，電機轉(zhuǎn)速為零，即Ud

0,

ED

0,id

0,

n

0電機將停轉(zhuǎn)。tuaubucid

000udUd

0t圖3-2(b)中間工作狀態(tài)三逆變工作狀態(tài)

(

/2

)從電路工作波形來分析，由于此積大于正面積，電路有可能輸出負(fù)平均電壓（圖3-2（c））。時輸出電壓ud

波形uaubucTaTbTcidEDudMabc圖3-2（c）要實現(xiàn)逆變工作狀態(tài)應(yīng)滿足條件：

/

2

，這是電路的 條件；

ED

>

Ud

，同時

ED

反極性，這是外部條件。由于此時ED

大于Ud

，電流從電機的電勢ED正極流出，電機輸出功率為發(fā)電工作狀態(tài)；電流流入電路Ud

現(xiàn)在的正極性，然后到了交流電網(wǎng)，即交流電源吸收功率，實現(xiàn)了有源逆變。

如圖（3-2（c）），

=150

作例分析波形和電路工作過程。仍然每隔120

依次觸發(fā)管Ta

，Tb

，Tc

。uaubucTaTbTcidDEudMabc圖3-2（c）uaubucTaTbTcidEDudMabc圖3-2（c）ttuaubuc00uddiiTc

iTa

iTb

iTct1t3t2圖3-2(c)逆變工作狀態(tài)且使電感L儲能。1.

在t1時觸發(fā)Ta

，雖然此時ua

=0，但在ED

作用下，Ta

仍然承受正向電壓而導(dǎo)通，此后電路輸出負(fù)壓。但由于

ED

，因此

Ta

仍導(dǎo)通，ud2.當(dāng)t2

以后，由于ud

ua

其絕對值大小開始大于電機電勢

ED

絕對值，因此電感L開始 能量，仍能使晶閘管承受正向電壓而繼續(xù)維持導(dǎo)通，電流

方i向d

不變。，因為此時ubua，所以Tb

導(dǎo)通，b相通，3.

t3

時觸發(fā)晶閘管TbTa管承受反壓而關(guān)斷。晶閘管在換相時承受反向電壓為兩相電壓之差，即線電壓，這點與整流時一樣。3.

逆變時電流的大小為決定于電機轉(zhuǎn)速，U

d

可調(diào)節(jié)控制角

改變其大小。為了防止過大電流，可以調(diào)節(jié)

通過控制U來控制電流大小。R

ED

UdIdd三相半波電路，在整流和逆變范圍內(nèi)，如電感L足夠大而使電流id

波形連續(xù)，則每個晶閘管導(dǎo)通120

。

故不管控制角

為何值，直流輸出電壓Ud與

角的關(guān)系從輸出電壓ud

波形不難求出(3-1)此時

Ud

0

1.17U

2一條余弦曲線。。式（3-1）是65

2U

2

sin(

t)d

(t)1263

1.17U2

cosd

0對于其它電路，它們的輸出電壓與控制角

的關(guān)系仍服從式（3-1），只是U

d

0

與電源電壓有效值的比值不同，見圖（3-3）。1.00.80.60.40.200.20.40.60.81.0整流逆變Ud

/Ud0Ud

0

/U20

3060120

90

150180

單相橋

0.9三相半波

1.17三相橋

2.34d圖3-3可逆整流電路U

與

關(guān)系直流電機電勢的極性必須改變才能完成有源逆變。對于不可能有負(fù)壓輸出的電路，如橋式半控電路或有續(xù)流二極管

的電路，均不可能實現(xiàn)有源逆變。第二十四講主講教師：東南大學(xué) 教育電力電子基礎(chǔ)四晶閘管的電壓波形圖3-4中分別畫出了控制角為

/3，/2，2

/3和5

/6時輸出電壓的波形和晶閘管Ta兩端的電壓波形。u0uabtuac

ubc

uba

uca

ucb

uab

uac

ubc

uba

uca

ucb

uab

uac

ubc

uba

uca

ucb

uab

uac

ubc

uba

uca

ucb

uab

uacUTat0udua

ub

ucua

5

23

2

2

3

3

6

6

整流狀態(tài)ua

ub

uc中間狀態(tài)ua

ub

uc逆變狀態(tài)ua

ub

uc圖3-4三相半波電路工作波形可見，在整流狀態(tài)，晶閘管不導(dǎo)通時主要承受反向電壓；而在逆變工作時，晶閘管未導(dǎo)通時主要承受正向電壓。晶閘管承受的最大正向或最大反向電壓均為線電壓峰值2U

2l

。五逆變角為了分析和計算方便，通常把逆變工作時的控制角用

表示，稱“逆變角”。規(guī)定

時，

=

0

，而

，

=

。逆變時，

在

/

2

~

之間，對應(yīng)于

在

/

2

~

0

之間。全逆變時晶閘管也在自然換向點換相，此時輸出負(fù)壓最大，然后向左，即以與控制角

計量相反的方向計量逆變角

大小。逆變狀態(tài)輸出電壓平均值可寫成(3-2)可見，當(dāng)

=0時，輸出電壓平均值Ud

達(dá)到負(fù)最大值。Ud

U

d

0

cos

六對觸發(fā)電路的要求

現(xiàn)在以

60和

60

為例，來說明整流和逆變兩種工作狀態(tài)對觸發(fā)脈沖的不同要求。工作波形見圖

3-5。1.

對于整流狀態(tài)，一套觸發(fā)脈沖電路可以同時供給三個晶閘管

Ta

，Tb ，Tc

。2.對于逆變工作狀態(tài)，則只能依次觸發(fā)晶閘管Ta

，Tb，Tc

。如t1

時，見圖3-5(a)，應(yīng)換相到b相，此時b相電壓最高，可以保證順利換向。現(xiàn)在a相c相電壓均低，與之相連的晶閘管雖被供給觸發(fā)脈沖，但不會導(dǎo)通。udtauubuc

600t1圖3-5（a）整流的觸發(fā)udtauub

uc

600t1圖3-5（a）整流的觸發(fā)如t2時，見圖3-5（b），由a相換流到b相，此時只能觸發(fā)

Ta

，因為此時ub

uc

，再要像整流狀態(tài)那樣將觸發(fā)脈沖同時供給三個晶閘管是不行的。ub

ucuaudt0

60

t2圖3-5（a）逆變的觸發(fā)uaub

ucuaudt0圖3-5（a）逆變的觸發(fā)

60t2ua三相半波逆變電路，接線比較簡單，所以元件也少，但容量和動態(tài)響應(yīng)均較橋式線路為差。第三節(jié)三相橋式逆變電路—三相橋式逆變電路工作原理三相橋式整流電路，如果工作時滿足實現(xiàn)有源逆變的兩個條件，就稱為三相橋式逆變電路。三相橋式電路工作時，晶閘管必須成對導(dǎo)通。每個晶閘管導(dǎo)通角為2

/3，每隔

/3換流一次，元件仍按Ta

Tc

Tb

Ta

Tc

Tb順序依次導(dǎo)通。設(shè)晶閘管Tc和Tb已經(jīng)導(dǎo)通，直流側(cè)輸出1.

t1

時觸發(fā)

Ta

，此時a相電壓高于c相，Ta

導(dǎo)通，Tc

承受反壓而關(guān)斷，，ua且b

為負(fù)壓。TaTb

TcTa

Tb

TcabcMudidLED圖3-6（a）三相橋式逆變電路電流I

d

從ED正極性流出經(jīng)Tb

流入b相，再由a相流出，經(jīng)Ta

回到

負(fù)極，電能從直流電源流向交流電源。t2

時觸發(fā)Tc

，由于此時c相電壓低于b相電壓，因此Tc導(dǎo)通而Tb關(guān)斷，Ta

和Tc形成通路，直流側(cè)輸出uac

，且有uac

<0。2.3.

t3時觸發(fā)Tb

，使Tb

和Tc形成通路輸出ubc

。如此循環(huán)下去，實現(xiàn)了有源逆變。在一個周期內(nèi)，輸出電壓脈動六次，因而波形中最低次諧波為六倍基頻，電壓的紋波因數(shù)較三相半波為小。3

3

4

6

4

6

udu20ua

ub

uc

ua

ub

uc

uauabuac

ubcuba

uca

ucb

uab

uac

ubc

uba

uca

ucb

uab

uac

ubcuba

uca

ucb

uab

uac

ubc

ubattua

ub

uc0圖3-6三相橋式逆變電路及工作波形t1t2

t3二電參數(shù)計算

逆變電路的參數(shù)計算與整流相似。設(shè)電路內(nèi)電流連續(xù)，其輸出負(fù)平均電壓Ud

為（3-3）或

Ud

1.35U

2l

cos

（3-4）Ud

2.32直流電流平均值為（3-5）其中

——變壓器次級繞組電阻；RD

——電路直流側(cè)包括電機電樞電阻在內(nèi)的總電阻。輸出電壓U

和電機電勢

ED

的極性和整d流時相反。式（3-5）中U

d

和

ED

均為負(fù)值。R

Ud

EDIdRB輸出電流有效值I，應(yīng)等于式中——紋波電流有效值；——第n次諧波電流有效值2n（3-6）I

d

I

2

,

I

R

RI

2II

RI

n（3-7）（3-8）ITav

I

/

3330IT

當(dāng)把I理解為等效直流電流大小時，不難得到流過每個晶閘管的有效電流

IT

和平均值電流ITav

分別為2I

2

d

(t)

1

I2交流電源送到直流側(cè)的有功功率為：逆變時，ED

為負(fù)值，則一般Pd

也為負(fù)值，表示功率從直流電源送到交流電源。P

R I

2

E

Id

D

d從線路和工作波形可知，三相橋式

電路電流每周期內(nèi)流通時間為4

/3

，為每個晶閘管導(dǎo)通角 的兩倍。因此變壓器次級線電流有效值為（3-9）I

2

2IT

32

I三相電源的視在功率功率因數(shù)仍為cos

Pd

/

SS

2U

2l

I例三相橋式電路中，，設(shè)電

230V

，工作于逆變狀U

2l態(tài)，ED

290V

，

/

6流連續(xù)。計算：輸出電流平均值

輸出電流有效值

晶閘管電流有效值交流電源端功率因數(shù)第二十五講主講教師：東南大學(xué) 教育電力電子基礎(chǔ)解：Ud

1.35U

2l

cos

1.35

230

cos

/

6

269V

Ud

ED

290

269

26.3AR

0.8(1)Id由圖2-25可得

0.172U

2l則六次諧波電流有效值可得C60.17

230[0.82

(6

2

50

5

103

)2

]1/

20.17U

2l6[R

2

(6L)2

]1/

2I

4.13A（2）六次諧波電流有效值已明顯小于I

d

，故忽略六次以上高次諧波分量，由式（3-6）可求出電流有效值I

26.32

4.132

26.6A（3）晶閘管電流有效值ITI

3

26.3

15.4A3（4）故P

R

I

E

Id

D

d2

0.8

(26.6)2

(290)

26.3

7.06

103W負(fù)號表示功率送給交流電源，電路工作于逆變狀態(tài)。S

2U2l

I

2

230

26.6

8.6510

VA3

0.8168.65

1037.06

103cos

第四節(jié)逆變失敗和控制角的限制在整流電路中，如觸發(fā)不可靠造成丟失脈沖，其 可能是某相無電壓輸出或全無輸出，造成停止供電。而在逆變電路中，如觸發(fā)不可靠，將使換相失敗，形成交流與直流兩電源的順極性串聯(lián)，造成短路而使逆變失敗，稱“逆變 ”。一.逆變失敗以三相半波