《電力電子技術(shù)》課件第3章

第3章有源逆變電路3.1逆變的概念3.2三相半波逆變電路3.3三相橋式逆變電路3.4逆變電路的應(yīng)用

3.1逆變的概念

3.1.1整流與逆變的關(guān)系

前面兩章討論的是把交流電能通過(guò)晶閘管變換為直流電能并供給負(fù)載，即可控整流電路。但在實(shí)際生產(chǎn)中，往往出現(xiàn)需要將直流電能變換為交流電能的相反過(guò)程。例如，應(yīng)用晶閘管的電力機(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(dòng)；運(yùn)轉(zhuǎn)中的直流電機(jī)，要實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，較理想的辦法是將該直流電機(jī)作為直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，并利用晶閘管將直流電能變換為交流電能回送電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的發(fā)電機(jī)制動(dòng)。3.1.2能量的變換關(guān)系

分析有源逆變電路工作時(shí)，正確把握電源間能量的流轉(zhuǎn)關(guān)系至關(guān)重要。整流和有源逆變的根本區(qū)別就表現(xiàn)在能量傳送方向上的不同，下面針對(duì)圖3-1所示電路加以分析。圖3-1兩個(gè)電源間能量的傳送圖3-1(a)所示為直流電源E1和E2同極性相連。當(dāng)E1＞E2時(shí)，回路中的電流為

(3-1)

式中，R為回路的總電阻。此時(shí)電源E1輸出電能E1I，其中一部分為R所消耗的I2R，其余部分則為電源E2所吸收E2I。注意，在上述情況中，輸出電能的電源其電勢(shì)方向與電流方向一致，而吸收電能的電源則兩者方向相反。在圖3-1(b)中，兩個(gè)電源的極性均與圖3-1(a)中相反，但還是屬于兩個(gè)電源間同極性相連的形式。如果電源E2＞E1，則電流方向如圖3-2(b)中所示，回路中的電流I為

(3-2)

此時(shí)，變?yōu)殡娫碋2輸出電能，電源E1卻吸收電能。圖3-2直流卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)(a)提升重物；(b)下放重物在圖3-1(c)中，兩個(gè)電源反極性相連，則電路中的電流

I為

(3-3)

此時(shí)電源E1和E2均同時(shí)輸出電能，輸出的電能全部消耗在電阻R上，如果電阻R的值很小，則電路中的電流必然很大。若R=0，則形成兩個(gè)電源短路的情況。綜上所述，可得出以下結(jié)論：

(1)兩電源同極性相連，電流總是從高電勢(shì)電源流向低電勢(shì)電源，其電流的大小取決于兩個(gè)電勢(shì)之差與回路總電阻的比值。如果回路電阻很小，則很小的電勢(shì)差也足以形成較大的電流，兩電源之間發(fā)生較大能量的交換。

(2)若電流從電源的正極流出，則該電源輸出電能；而電流從電源的正極流入，則該電源為吸收電能。電源輸出或吸收功率的大小則由電勢(shì)與電流的乘積來(lái)決定，若電勢(shì)或者電流方向改變，則電能的傳送方向也隨之改變。

(3)兩個(gè)電源反極性相連，如果電路的總電阻很小，將形成電源間的短路，應(yīng)當(dāng)避免這種情況的發(fā)生。3.1.3有源逆變電路的工作過(guò)程

1．提升重物時(shí)，變流器工作于整流狀態(tài)

由第一章的學(xué)習(xí)已知，對(duì)于單相全控整流橋，若控制角α在0～π/2之間的某個(gè)對(duì)應(yīng)角度觸發(fā)晶閘管，則上述變流電路輸出的直流平均電壓為Ud=Ud0cosα，因?yàn)榇藭r(shí)α均小于π/2，故Ud為正值。在該電壓作用下，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，卷?yè)P(yáng)機(jī)將重物提升起來(lái)，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的反電勢(shì)為ED，且

ED略小于輸出直流平均電壓Ud，此時(shí)電樞回路的電流為

(3-4)

2．中間狀態(tài)

當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)將重物提升到要求高度時(shí)，自然就需在某個(gè)位置停住，這時(shí)只要將控制角α調(diào)到等于π/2的位置，在變流器輸出電壓波形中，其正、負(fù)面積相等，電壓平均值Ud為零，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)(實(shí)際上采用電磁抱閘斷電制動(dòng))，反電勢(shì)ED也同時(shí)為零。此時(shí)，雖然Ud為零，但仍有微小的直流電流存在，有關(guān)波形如圖3-3(b)所示。

3．下放重物時(shí)，變流器工作于逆變狀態(tài)

在上述卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)中，當(dāng)重物下放時(shí)，由于重力對(duì)重物的作用，必將牽動(dòng)電機(jī)使之與重物上升的相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)產(chǎn)生的反電勢(shì)ED的極性也將隨之反相，如果變流器仍工作在α＜π/2的整流狀態(tài)，從上面曾分析過(guò)的電源能量流轉(zhuǎn)關(guān)系不難看出，此時(shí)將發(fā)生電源間類似短路的情況。為此，只能讓變流器工作在α＞π/2的狀態(tài)，這是因?yàn)楫?dāng)α＞π/2時(shí)，其輸出直流平均電壓Ud為負(fù)，出現(xiàn)類似如圖3-1(b)中所示兩電源極性同時(shí)反向的情況，此時(shí)如果能滿足ED＞Ud，則回路中的電流為圖3-3直流卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)的電壓電流波形由上面所分析的單相全控橋式有源逆變工作的情況，不難得出下述實(shí)現(xiàn)有源逆變的基本條件：

(1)外部條件。務(wù)必要有一個(gè)極性與晶閘管導(dǎo)通方向一致的直流電勢(shì)源，這種直流電勢(shì)源可以是直流電機(jī)的電樞電勢(shì)，也可以是蓄電池電勢(shì)。它是使電流從變流器的直流測(cè)回饋交流電網(wǎng)的源泉，其數(shù)值應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)輸出的直流平均電壓。

(2)內(nèi)部條件。要求變流器中晶閘管的控制角α＞π/2，這樣才能使變流器直流側(cè)輸出一個(gè)負(fù)的平均電壓，以實(shí)現(xiàn)直流電源的能量向交流電網(wǎng)的流轉(zhuǎn)。

3.2三相半波逆變電路

3.2.1電路的整流工作狀態(tài)

在圖3-4(a)所示電路中，當(dāng)α=60°時(shí)，依次觸發(fā)晶閘管，其輸出電壓波形如圖中實(shí)線所示。因負(fù)載回路中接有足夠大的平波電感，故電流連續(xù)。對(duì)于α=60°的情況，輸出電壓瞬時(shí)值均為正，其平均電壓也自然為正值。對(duì)于在0＜

α＜π/2范圍的其他移相角，即使輸出電壓的瞬時(shí)值ud有正也有負(fù)，但正電壓的面積總是大于負(fù)電壓的面積，輸出電壓的平均值Ud也總是為正，其極性如圖中所示，為上正下負(fù)，而且Ud略大于ED。圖3-4三相半波共陰極逆變主電路及有關(guān)波形(a)整流工作狀態(tài)；(b)逆變工作狀態(tài)3.2.2電路的逆變工作狀態(tài)

假設(shè)此時(shí)電動(dòng)機(jī)端電勢(shì)已反向，即下正上負(fù)，設(shè)逆變電路移相角α=150°，依次觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管，如圖3-4(b)中所示，在ωt1時(shí)刻觸發(fā)a相晶閘管V1，雖然此時(shí)ua=0，但晶閘管V1因承受ED的作用，仍可滿足導(dǎo)電條件而工作，并相應(yīng)輸出ua相電壓，V1被觸發(fā)導(dǎo)通后，雖然ua已為負(fù)值，因ED的存在，且|ED|＞|ua|，V1仍然承受正向電壓而導(dǎo)通，即使不滿足|ED|＞|ua|，由于平波電感的存在，釋放電能，L的感應(yīng)電勢(shì)也仍可使V1承受正向電壓而繼續(xù)導(dǎo)通。因電感L足夠大，主回路電流連續(xù)，V1導(dǎo)電120°后由于V2的被觸發(fā)而截止；V2被觸發(fā)導(dǎo)通后，由于此時(shí)ub＞ua，故V1承受反壓關(guān)斷，完成V1與V2之間的換流，這時(shí)電路輸出電壓為ub，如此循環(huán)往復(fù)。為分析和計(jì)算方便，通常把逆變工作時(shí)的控制角改用

β表示，令β=π－α，稱為逆變角。規(guī)定α=π時(shí)作為計(jì)算β的起點(diǎn)，和α的計(jì)量方向相反，β的計(jì)量方向是由右向左。變流器整流工作時(shí)，α＜π/2，相應(yīng)的β＞π/2；而在逆變工作時(shí)，α＞π/2而β＜π/2。

在逆變時(shí)，輸出電壓平均值的計(jì)算公式可改寫(xiě)成：

3.3三相橋式逆變電路

3.3.1逆變工作原理及波形分析

三相橋式逆變電路如圖3-5(a)所示。如果變流器輸出電壓Ud與直流電機(jī)電勢(shì)ED的極性如圖中所示(均為上負(fù)下正)，當(dāng)電勢(shì)ED略大于平均電壓Ud時(shí)，則回路中產(chǎn)生的電流為圖3-5三相橋式有源逆變電路及有關(guān)波形(a)電路；(b)輸入電壓；(c)輸出電壓3.3.2電路中基本電量的計(jì)算

由于三相橋式逆變電路相當(dāng)于兩組三相半波逆變電路的串聯(lián)，故該電路輸出平均電壓應(yīng)為三相半波逆變電路輸出平均電壓的兩倍。即

(3-5)

式中，U2為交流側(cè)變壓器副邊相電壓有效值。輸出電流平均值為

(3-6)

(3-7)

式中，RB為變壓器繞組的等效電阻；RD為變流器直流側(cè)總電阻。輸出電流的有效值為

(3-8)

式中，IN為第N次諧波電流有效值，N的取值由波形的諧波分析展開(kāi)式確定。晶閘管流過(guò)電流的平均值為

(3-9)

晶閘管流過(guò)電流的有效值為

(3-10)

其他參數(shù)的計(jì)算均可依照整流電路的計(jì)算方法進(jìn)行。

3.4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