電力電子技術(shù)第4章有源逆變電路

第4章有源逆變電路本章學(xué)習(xí)內(nèi)容

4.1有源逆變電路

4.2三相逆變電路

4.3逆變電路的應(yīng)用如何將交流電源變換成直流電源？簡單！用前面學(xué)過的整流電路就行！這個(gè)嗎？…….那如何將直流電源變換成交流電源？逆變的概念

生產(chǎn)實(shí)際中，往往出現(xiàn)需要將直流電能變換為交流電能的情況。例如，應(yīng)用晶閘管整流供電的電力機(jī)車，當(dāng)機(jī)車下坡運(yùn)行時(shí)，機(jī)車上的直流電機(jī)將由于機(jī)械能的作用作為直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，此時(shí)就需要將直流電能變換為交流電能回送電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動。這種對應(yīng)于整流的逆向過程，定義為逆變。實(shí)現(xiàn)逆變的電路及裝置稱為逆變電路、逆變器。

根據(jù)輸出交流電能的去向，逆變器電路可分為有源逆變和無源逆變兩大類。如果將逆變器的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反送到電網(wǎng)上，稱為有源逆變。它用于直流電動機(jī)的調(diào)速、繞線型異步電動機(jī)的串級調(diào)速、電力機(jī)車的下坡行駛、電梯和卷揚(yáng)機(jī)的重物下放時(shí)、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。如果逆變器的交流側(cè)不與交流電網(wǎng)連接，而是直接接到負(fù)載，即把直流電逆變?yōu)槟骋还潭l率或可調(diào)頻率的交流電供給負(fù)載，則稱為無源逆變。它在交流電動機(jī)的變頻調(diào)速、感應(yīng)爐加熱、不間斷電源、開關(guān)電源等方面應(yīng)用十分廣泛，是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方向。逆變的概念

4.1有源逆變電路4.1.1認(rèn)識整流與逆變的關(guān)系同一電力元件主電路和控制電路既可用作整流又能用于逆變。不同的僅是控制角所在區(qū)間不一樣。所以稱此類電路為變流電路或變流器。有源逆變電路和整流電路一樣，種類很多，如果按相數(shù)來分，可分為單相、三相和多相整流電路；電路結(jié)構(gòu)：

4.1有源逆變電路4.1.1認(rèn)識整流與逆變的關(guān)系能量傳遞：整流時(shí)能量是交流電網(wǎng)發(fā)出經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換成直流電供給負(fù)載，如圖4.1(a)所示。而逆變時(shí)能量是直流電源（此電源或?yàn)殡姍C(jī)或?yàn)橹绷麟姵兀┙?jīng)過電路轉(zhuǎn)換成交流電返回給電網(wǎng)或者給負(fù)載，如圖4.1(b)所示。4.1.2有源逆變電路的工作過程

4.1有源逆變電路以卷揚(yáng)機(jī)械為例，由單相全波整流電路供電給直流電動機(jī)為動力，分析提升和下放重物兩種工作情況。1.提升重物時(shí)，變流器工作于整流狀態(tài)

(0°≤α≤

90°)

4.1有源逆變電路4.1.2有源逆變電路的工作過程電動機(jī)M處于電動狀態(tài)，提升重物。整流器輸出功率，電動機(jī)吸收功率。輸出平均電流Id為：

式(4-1)中E為電動機(jī)的反電動勢，Rd為電機(jī)繞組電阻

如果減小α則Ud增大，Id瞬時(shí)隨之增大，導(dǎo)致電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增大而大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)做加速運(yùn)行，轉(zhuǎn)速升高，提升速度加快。隨著轉(zhuǎn)速升高，E=CeФn增大，使Id隨轉(zhuǎn)速的升高而逐漸降底，當(dāng)Id隨減小至Ud增大前的數(shù)值時(shí)，電路達(dá)到平衡，電機(jī)結(jié)束加速過程，在較高的轉(zhuǎn)速下勻速提升重物。反之α增大則電動機(jī)轉(zhuǎn)速會下降。所以，改變控制角α可以方便地改變提升速度。(4-1)2.下放重物時(shí)，變流器工作于逆變狀態(tài)(0°≤α≤

90°)

4.1有源逆變電路4.1.2有源逆變電路的工作過程下放重物時(shí)由于重力作用，重物的重力拖動電動機(jī)反轉(zhuǎn)，使電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)其電動勢E的極性也發(fā)生改變，上負(fù)下正，如圖4.2(b)所示。如果整流電路的控制角α仍在0°～90°范圍內(nèi)變化，Ud的極性就不會變，這樣就會和電動勢E順向串聯(lián)形成短路。為了保證安全，要求Ud的極性必須反過來，即上負(fù)下正。因此，整流電路的控制角α必須在90°～180°范圍內(nèi)變化。此時(shí)，電流Id為：4.1.2有源逆變電路的工作過程由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕琁d方向仍然應(yīng)該是從整流電路流入電動機(jī)負(fù)載保持不變。如果逆變時(shí)|E|<|Ud|，則因晶閘管的單向?qū)щ娦圆荒芨淖僆d的方向而迫使Id=0，如果|E|>|Ud|，則Id將保持整流狀態(tài)時(shí)的方向，使回路中有電流通過，只是此時(shí)是由電動機(jī)電動勢E的正極流出，負(fù)極流入而構(gòu)成回路的，所以電動機(jī)的電勢|E|必須大于|Ud

|逆變回路中才能有電流。此時(shí)晶閘管的陽極電位大部分處于交流電壓的負(fù)半周期，但由于有外接直流電動勢E的存在，使晶閘管仍然承受正向電壓導(dǎo)通。電動勢E的極性發(fā)生了改變但電流的方向不變，因此處于發(fā)電狀態(tài)的電動機(jī)就發(fā)出功率，通過變流電路，將直流功率逆變成50HZ的交流電返送回電網(wǎng)，這就是有源逆變工作狀態(tài)。4.1.2有源逆變電路的工作過程從上述的分析可以歸納出要實(shí)現(xiàn)有源逆變有兩個(gè)條件：①外部條件：要有一個(gè)能提供能量的直流電源，其極性必須與晶閘管的導(dǎo)通方向一致。其值應(yīng)大于變換電路的輸出電壓Ud

。②內(nèi)部條件：變流電路必須工作在α>90°的區(qū)域內(nèi)。這兩個(gè)條件缺一不可。由于半控橋式整流電路或有續(xù)流二極管的可控整流電路不能輸出負(fù)電壓，在直流側(cè)也不能出現(xiàn)負(fù)極性的電壓，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。

4.1有源逆變電路

4.2三相逆變電路4.2.1三相半波逆變電路的工作過程圖4.3為三相半波可控電路，其負(fù)載為電動機(jī)。電動機(jī)的反電動勢E的極性如圖4.3(a)所示，當(dāng)|E|>|Ud|，控制角α>90°，可以實(shí)現(xiàn)有源逆變。逆變電路輸出電壓計(jì)算公式和整流電路的計(jì)算公式相同為：Ud=1.17U2cosα(4-3)

4.2三相逆變電路

由于逆變時(shí)α>90°，計(jì)算cosα不方便，所以引入逆變角β，二者的關(guān)系為α=π－β，則式(4-3)可改寫成：

Ud=－1.17U2cosβ(4-4)逆變角為β的觸發(fā)脈沖起算點(diǎn)可從α=180°的時(shí)刻左移β角來確定。圖4.3(b)為α=120°，即β=60°時(shí)的逆變波形。在β=60°時(shí)給晶閘管V1觸發(fā)脈沖信號ug1，因有E的作用，ua為正，V1管導(dǎo)通（即使ua為負(fù)，但|E|>|ua|，V1管仍可能承受正壓而導(dǎo)通）。電動機(jī)提供電能，電流id從E的正極流出，經(jīng)a相流入V1管，ud=ua，電路中的開關(guān)器件按電源相序依次換相，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120°。ud波形如4.3(b)圖中實(shí)線所示，直流平均電壓在橫軸下面為負(fù)值，數(shù)值比電動機(jī)的反電動勢E略小。逆變時(shí)管子兩端電壓波形與整流時(shí)一樣，以V1管為例，一個(gè)周期內(nèi)先120°導(dǎo)通，接著120°由于V2管導(dǎo)通承受uab電壓，最后120°由于V3管導(dǎo)通承受uac，電壓，其波形如圖4.3(c)所示。4.2.2三相橋式逆變電路三相橋式全控整流電路用作有源逆變時(shí)，就成為三相橋式有源逆變電路。與三相橋式整流電路一樣，要求每隔60°依次觸發(fā)一個(gè)晶閘管，使晶閘管V1～V6依次導(dǎo)通，保證每個(gè)瞬間共陰極組和共陽極組各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通。電流連續(xù)時(shí)，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120°，觸發(fā)脈沖必須是雙窄脈沖或者是寬脈沖。輸出直流側(cè)電壓為：Ud=－2.34U2cosβ(4-5)

4.2三相逆變電路

4.3逆變電路的應(yīng)用有源逆變最典型的實(shí)際應(yīng)用之一就是繞線式異步電動機(jī)的串級調(diào)速系統(tǒng)。繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)串入附加電動勢進(jìn)行調(diào)速，這種方法稱為串級調(diào)速。它的工作原理是利用三相整流電路將電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電動勢整流成直流電壓，經(jīng)濾波后通過有源逆變電路再變換為三相工頻電源返送回電網(wǎng)。在此過程中通過調(diào)節(jié)逆變電路中附加直流勢的值實(shí)現(xiàn)交流異步電動機(jī)的調(diào)速，而有源逆變電路還可將電動機(jī)降速時(shí)的多余能量回收。主電路如圖4.4所示設(shè)異步電機(jī)帶動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)在要改變其轉(zhuǎn)速，可以通過控制逆變電路的逆變角β來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)β角增大時(shí)，逆變電壓Ui相應(yīng)減小，但受機(jī)械慣性作用，電機(jī)轉(zhuǎn)速不會立即變化，所以Ud仍維持原值。這樣，根據(jù)式(4-6)，轉(zhuǎn)子整流回路電流Id就要增大，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩都會相應(yīng)增大，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩未變，電機(jī)做加速運(yùn)動。在加速過程中，轉(zhuǎn)子整流電壓Ud隨之減小，又使電流Id減小，直到Ud、Ui與Id間依式(4-6)