第十講 整流與有源逆變5

電力電子技術(shù)

PowerElectronicTechnology整流與有源逆變9.3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。9.3.1電動(dòng)機(jī)工作于整流狀態(tài)時(shí)1、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；所以普遍在電樞回路串聯(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9.3.1電動(dòng)機(jī)工作于整流狀態(tài)時(shí)2、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(wú)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：變壓器的電阻壓降IdRB，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△U，它基本上是一恒值；電樞電阻壓降IdRM

；由換相重疊角引起的電壓降3XBId/(2π)（三相半波）。此時(shí)，整流電路直流電壓的平衡方程為:系統(tǒng)的兩種工作狀態(tài)：電流連續(xù)工作狀態(tài)和電流斷續(xù)工作狀態(tài)9.3.1電動(dòng)機(jī)工作于整流狀態(tài)時(shí)3.電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性在電機(jī)學(xué)中，已知直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)為

式中，Ce

由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；Φ

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/min）?？筛鶕?jù)整流電路電壓平衡方程式，作出不同控制角α?xí)rEM與Id的關(guān)系（三相半波）：

轉(zhuǎn)速與電流的機(jī)械特性關(guān)系式為：

第二項(xiàng)較小，可見一個(gè)α角度對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)速n。9.3.1電動(dòng)機(jī)工作于整流狀態(tài)時(shí)

做出不同α角時(shí)n與Id的關(guān)系，如圖2-49所示。圖中△U的值一般為1V左右，可以忽略。可見其機(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)α角，即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。而負(fù)載加大時(shí)，電流加大，轉(zhuǎn)速變化不大。

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)械特性方程為：

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9.3.1電動(dòng)機(jī)工作于整流狀態(tài)時(shí)4.電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性當(dāng)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)其機(jī)械特性也就呈現(xiàn)出非線性。三相半波整流電路電動(dòng)機(jī)負(fù)載具體推導(dǎo)過程見許大中編《電機(jī)控制》9.3.1電動(dòng)機(jī)工作于整流狀態(tài)時(shí)4.電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

電動(dòng)機(jī)的實(shí)際空載反電動(dòng)勢(shì)都是。時(shí)為：。Why?如當(dāng)α=60°時(shí)，Id=0，此時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)E0’=1.17U2cos60°,實(shí)際上當(dāng)Id減小至某一定值Idmin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。圖2-50電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)勢(shì)的特性曲線斷續(xù)區(qū)特性的近似直線斷續(xù)區(qū)連續(xù)區(qū)EE0E0'OIdminId(0.585U2)(U2)2〔解釋〕因?yàn)?/p>

≤60時(shí)晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后最大相電壓瞬時(shí)值為，大于E0`。因此如果反電勢(shì)為E0`，則必然產(chǎn)生電流，從而與空載的前提矛盾，所以實(shí)際空載點(diǎn)的反電勢(shì)是。當(dāng)

>60時(shí)，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)的相電壓瞬時(shí)值為為此時(shí)實(shí)際空載點(diǎn)的反電勢(shì)。9.3.1電動(dòng)機(jī)工作于整流狀態(tài)時(shí)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

的增加，進(jìn)入斷續(xù)區(qū)的電流值加大。(Why?)

由于

愈大，變壓器加給晶閘管陽(yáng)極上的負(fù)電壓時(shí)間愈長(zhǎng)，電流要維持連續(xù)，必須要求平波電抗器儲(chǔ)存較大的磁能。在電抗器的L為一定值的情況下，要有較大的電流Id才能使得電流連續(xù)。圖2-51考慮電流斷續(xù)時(shí)不同a時(shí)反電動(dòng)勢(shì)的特性曲線9.3.1電動(dòng)機(jī)工作于整流狀態(tài)時(shí)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)輕載時(shí)，斷續(xù)作用顯著，可改用另一段較陡的特性來(lái)近似處理，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Idmin時(shí)，為保證電流連續(xù)所需的主回路電感量為：（mH）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（mH）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)。9.3.2電動(dòng)機(jī)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?jīng)Q定。逆變時(shí)由于，EM反接，得：

同時(shí)因?yàn)镋M=CeΦn，可求得電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式：Ud0為α＝0時(shí)的整流輸出平均電壓值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α＝π－β上式，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)且電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性。9.3.2電動(dòng)機(jī)工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)

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：圖2-52

電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性理想空載轉(zhuǎn)速上翹很多，機(jī)械特性變軟，且呈現(xiàn)非線性。逆變狀態(tài)的機(jī)械特性是整流狀態(tài)的延續(xù)?？v觀控制角α由小變大，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。第1、4象限中和第3、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。正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向9.3.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)

圖2-53

兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路圖2-53a與b是兩組反并聯(lián)的可逆電路a)三相半波有環(huán)流接線b)三相全控橋無(wú)環(huán)流接線c)對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行時(shí)兩組變流器工作情況9.3.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)

1、電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)過程：電動(dòng)機(jī)在第1象限正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)從正組橋取得電能，欲使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，必須首先正轉(zhuǎn)迅速制動(dòng)。此時(shí)EM的方向保持為上正下負(fù)，而對(duì)于正向橋來(lái)說，電流方向是不能改變的，為此需切換到反組橋工作，同時(shí)要求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，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能送給電網(wǎng)。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，不斷地調(diào)節(jié)β，使之由小變大直至β2＝π/2，如繼續(xù)增大，即

<π/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。正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向注意：電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)的方向和轉(zhuǎn)向保持一致。9.3.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)

兩套變流裝置反并聯(lián)連接的可逆電路的相關(guān)概念和結(jié)論：環(huán)流是指只在兩組變流器之間流動(dòng)而不經(jīng)過負(fù)載的電流。根據(jù)對(duì)環(huán)流的處理方法，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（）、可控環(huán)流、邏輯控制無(wú)環(huán)流和錯(cuò)位控制無(wú)環(huán)流等?？筛鶕?jù)電動(dòng)機(jī)所需運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來(lái)決定哪一組變流器工作及其工作狀態(tài)：整流或逆變。9.3.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)

第1象限：正轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)行，此時(shí)1組工作于整流狀態(tài)，由于α1＝β2

，2組工作于逆變狀態(tài)，且Ud1=Ud2,但由于二極管的單相導(dǎo)電性，2組橋沒有電流流過，工作在待逆變狀態(tài)。有環(huán)流控制條件：α1＝β29.3.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)

第2象限：正轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)需要正轉(zhuǎn)制動(dòng)（剎車）時(shí)，將α1和β2增大但<90°，此時(shí)由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其E不能突變，所以此時(shí)E>Ud1=Ud2，此時(shí)2組立刻工作于逆變狀態(tài)。由二極管的單相導(dǎo)電性，1組橋沒有電流流過，工作在待整流狀態(tài)。9.3.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)

第3象限：將α2調(diào)節(jié)至<90°，Ud2變?yōu)樯县?fù)下正，由于α2＝β1

，Ud1變?yōu)樯县?fù)下正，由于二極管的單相導(dǎo)電性，2組橋有電流流過，工作在整流狀態(tài)。1組橋沒有電流流過，工作在待逆變狀態(tài)。此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，E電壓為上負(fù)下正。9.3.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)

第4象限：反轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行，和第二象限類似，當(dāng)將α2增大但保持<90°，E>Ud1=Ud2此時(shí)1組工作于逆變狀態(tài)，由于二極管的單相導(dǎo)電性，2組橋沒有電流流過，工作在待整流狀態(tài)。9.3.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)

圖2-53

兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路等效圖9.3.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)

2、

1=β2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

1=β2的配合控制關(guān)系;假設(shè)正組為整流，反組為逆變，即有

1=β2，Ud

1=Udβ2，且極性相抵，兩組變流器之間沒有直流環(huán)流；兩組變流器的輸出電壓瞬時(shí)值不等，會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的交流環(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。9.3.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)3、邏輯無(wú)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(lái)工作著的一組橋的觸發(fā)脈沖立即封鎖，而同時(shí)把原來(lái)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(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)中，變流器之間的切換過程由邏輯單元控制，稱為邏輯控制無(wú)環(huán)流系統(tǒng)。

10.2相控電路的驅(qū)動(dòng)控制

相控電路：晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角a的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來(lái)控制輸出電壓大小。相控電路的驅(qū)動(dòng)控制為保證相控電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角a的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。晶閘管相控電路，習(xí)慣稱為觸發(fā)電路。大、中功率的變流器廣泛應(yīng)用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多。

10.2.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路

輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的電路），也可為單窄脈沖；三個(gè)基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)。此外，還有強(qiáng)觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。圖2-54

同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路強(qiáng)觸發(fā)環(huán)節(jié)強(qiáng)觸發(fā)脈沖可以縮短SCR開通時(shí)間，提高承受di/dt能力，有利于并聯(lián)時(shí)的動(dòng)態(tài)均壓和均流。強(qiáng)觸發(fā)脈沖特點(diǎn)是在脈沖初期有一個(gè)大電流脈沖，以減小門極損耗。使用單相橋整流獲得50V電源。在V8導(dǎo)通前，50V電源通過R15向C6充電，C7很大，C6很小。所以B點(diǎn)電位處于50V。V8導(dǎo)通，C6迅速放電形成強(qiáng)脈沖，當(dāng)uB<15V時(shí)，VD15導(dǎo)通。此時(shí)uB電位鉗位在15V，進(jìn)入觸發(fā)脈沖平穩(wěn)階段。當(dāng)V8截止后，50V電源重新向C6充電，使uB=50V。重復(fù)上面過程。

10.2.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路

10.2.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路

強(qiáng)觸發(fā)環(huán)節(jié)

10.2.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路1)脈沖形成環(huán)節(jié)V4、V5—脈沖形成V7、V8—脈沖放大控制電壓uco加在V4基極上圖2-54同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側(cè)輸出，一次繞組接在V8集電極電路中。10.2.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路脈沖形成環(huán)節(jié)脈沖前沿由V4導(dǎo)通時(shí)刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時(shí)間常數(shù)R11C3有關(guān)。

10.2.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路

2)鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)鋸齒波電壓形成采用恒流源電路。恒流源電路方案，由V1、V2、V3和C2等元件組成

V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路圖2-54

同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路

10.2.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路

工作原理：

V2截止時(shí)，恒流源電流I1c對(duì)電容C2充電V2導(dǎo)通時(shí)，因R4很小故C2迅速放電，ub3電位迅速降到零伏附近；V2周期性地通斷，ub3便形成一鋸齒波，同樣ue3也是一個(gè)鋸齒波。調(diào)節(jié)RP2，即改變C2的恒定充電電流I1c，可見RP2是用來(lái)調(diào)節(jié)鋸齒波斜率的。tICtICuccc111d1==ò射極跟隨器V3的作用是減小控制回路電流對(duì)鋸齒波電壓ub3的影響；V4基極電位由鋸齒波電壓、控制電壓uco、直流偏移電壓up三者作用的疊加所定；

10.2.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路

M點(diǎn)是V4由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也就是脈沖的前沿；加up的目的是為了確定控制電壓uco=0時(shí)脈沖的初始相位；可令uco=0時(shí)，產(chǎn)生脈沖的M點(diǎn)位于鋸齒波的中點(diǎn)，對(duì)應(yīng)α=90°。

10.2.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路

3)同步環(huán)節(jié)同步——要求觸發(fā)脈沖的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。鋸齒波是由開關(guān)V2管來(lái)控制的。V2開關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率——由同步變壓器所接的交流電壓決定。V2由截止變導(dǎo)通期間產(chǎn)生鋸齒波V2截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時(shí)間就是鋸齒波的寬度——取決于充電時(shí)間常數(shù)R1C1。

10.2.1同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路

二次電壓