整流与有源逆变(1).ppt

电 力 电 子 技 术 Power Electronic Technology,大功率可控整流电路 有源逆变,8.2 大功率可控整流电路,在某些工业场合，如电解电镀中，常常使用低电压大电流（例如几十伏，几千至几万安）可调直流电源。此时若采用三相桥式整流电路，由于有两个管压降损耗，降低了效率。若采用两组三相半波可控整流电路并联，使每组电路只承担一半的负载电流，同时对变压器次级采用合适的连接方式，以消除三相半波可控整流器的直流磁化，则可以满足低电压大电流的负载要求，下面介绍带平衡电抗器的双反星形可控整流电路。,变压器二次侧每相有两个匝数相同的绕组绕在同一铁芯上，分别构成a,b,c和a,b,c两套绕组，且每相两个绕组极性相反（同名端相反），故称为双反星形电路。由于同一铁芯两个绕组上的相电压相位差180，两组相电流在相位上也差180，对铁芯磁化方向相反，因而直流磁势互相抵消，没有直流磁化。,双反星形可以看作是两个三相半波整流电路并联运行，两个直流电源并联时，只有当输出电压平均值和瞬时值均相等时，才能使负载均流。双反星形电路与六相半波可控整流电路等效，两组整流电压平均值相等，但它们的脉动波相差60，瞬时值不等。在任一瞬间，六相绕组中只有相电压最高的那一相晶闸管可以导通，其余的晶闸管均承受反压而关断，每个晶闸管的最大导通角为60，并未达到并联运行提供大电流的要求。 六相半波整流电路晶闸管导电时间短，变压器利用率低。,8.2 大功率可控整流电路,为解决并联问题，将两个二次侧绕组的中点用平衡电抗器连接，即构成如上图所示的带平衡电抗器的双反星形整流电路。 平衡电抗器Lp可使得任一时刻两组三相半波整流电路能同时导电，每组只供给负载电流的一半，即每一相如ia和ia的平均值都为1/6Id。与三相桥式整流电路相比，在采用相同晶闸管的条件下，带平衡电抗器的双反星形整流电路的输出电流可增大一倍。,8.2 大功率可控整流电路,设某时刻ub和ua均为正值，且ubua，由于VT1和VT6共阴极，则以n为基准，O2的电位比O1的电位更低，则在电感Lp两端产生电流ip，由O1流向O2，产生的感应电动势up的方向要阻止电流ip增大，方向如图中所示。正是由于O1、O2间的电位差加在Lp的两端，补偿了ub和ua的电动势差，使得ua和ub两相的晶闸管VT1和VT6能同时导电。,8.2 大功率可控整流电路,两个星形的中点O1和O2间的电压等于ud1和ud2之差。该电压加在Lp上，产生电流ip，它通过两组星形电路自成回路，不流到负载中去，称为环流或平衡电流； 考虑到ip后，每组三相半波承担的电流可以均流为Id/2 ip （负载电流平均值为Id）。否则由于平衡电抗器的作用会使得感应电压不一致，而重新平衡。为了使两组电流尽可能平均分配，一般使Lp值足够大，以便限制环流在负载额定电流的1%2%以内。 在结构上，平衡电抗器一分为二，每组整流电路各占一半。电抗器的两个绕组都绕在同一铁芯上，由于两组变流器共同向负载供电，直流磁势互相抵消，电抗器的铁芯不会产生直流磁化和饱和的问题，因此电抗器的体积不用做很大。,8.2 大功率可控整流电路,图2-37 平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形,8.2 大功率可控整流电路,=30、=60和=90时输出电压的波形分析 需要分析各种控制角时的输出波形时，可先求出两组三相半波电路的ud1和ud2波形，然后做出波形(ud1+ud2)/2； 双反星形电路的输出电压波形与三相半波电路比较，脉动程度减小了，脉动频率加大一倍，f=300Hz； 电感负载情况下，=90时,输出电压波形正负面积相等，Ud=0，移相范围是90；,图2-39 当 =30、60、90时，双反星形电路的输出电压波形,8.2 大功率可控整流电路,每一组中的每一个晶闸管仍按三相半波的导电规律而各轮流导电120。 每相的触发脉冲，从第一个正自然换相点开始计算起，分别为1,3,5和2,4,6。这样，在不同的时刻导通的SCR分别为6,1、1,2、2,3、3,4、4,5、5,6、6,1。 如果是电阻负载，则ud波形不应出现负值，仅保留波形中正的部分。同样可以得出，当 =120时，Ud=0，因而电阻负载移相范围为120。 整流电压平均值与三相半波整流电路的相等，负载电流连续时,整流电压平均值为:Ud=1.17U2cos 将双反星形电路与三相桥式电路进行比较可得出以下结论： （1）三相桥为两组三相半波串联，而双反星形为两组三相半波并联，且后者需用平衡电抗器； （2）当变压器二次有效值U2相等时，双反星形整流电路的整流电压平均值Ud是三相桥式整流电路的1/2；若采用相同的晶闸管，双反星形整流电路允许的整流电流平均值Id是三相桥式整流电路的2倍； （3）两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样。,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,逆变的概念 1. 什么是逆变？为什么要逆变？ 逆变（invertion）把直流电转变成交流电，为整流的逆过程。逆变电路把直流电逆变成交流电的电路； 实例：电力机车下坡行驶，机车的位能转变为电能，反送到交流电网中去，有助于刹车； 有源逆变电路交流侧和电网连结，即电网为负载。 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等； 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状态又可工作在逆变状态，称为变流电路（converter）。 无源逆变变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到普通负载，将在第5章介绍。,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,两个直流电源联接,图a中，E1E2，则电流从E1流向E2。 E1发出功率P1=E1*I，E2接受功率P2=E2*I，电阻消耗的功率为PR=(E1-E2)*I。 图b为E2E1，则电流反向，此时E1接受功率，E2发出功率。 可见当两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，由于回路电阻很小，即使很小的电压差也能产生大的电流，两个电动势间交换很大的功率。 图c中E1和E2串联，则 此时E1和E2都输出功率，电阻消耗的功率为PR=(E1+E2)*I。如果R仅为回路电阻，则电流I将很大，实际为两个电源的短路，应避免这种事情发生。,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,图d中，用直流电机替代电源E2，则E1为电动机提供电枢电源，M工作在电动状态。若电动机工作在制动状态，且EME1，则电流I反向，电机作为直流发电机来运行，如图e所示。 在前面介绍的相控整流电路中，直流电源E1是通过晶闸管对交流电源整流得来的，而晶闸管的单向导电性决定了电流I的方向不能改变，若想实现电机轴上的机械能转变为电能向电网回馈，则只能通过改变电机的电枢极性，如图f所示。此时若E1的极性不改变，则形成图c的短路状况，故E1的极性也要对调，当EME1时，即可实现电能回馈。,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,3. 逆变产生的条件 使用单相全波替上述直流电源。（注意同时添加一个电抗器，以使电流连续，从而负载为大电感反电势负载）。,图2-45 单相全波电路的整流和逆变,交流电网输出电功率,电动机输出电功率,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,图2-45a M电动运行，全波电路工作在整流状态，在0/2间，Ud为正值，并且只有当UdEM，才能输出Id 交流电网输出电功率，电动机输入电功率。,图2-45b M回馈制动，由于晶闸管的单向导电性，Id方向不变，欲改变电能的输送方向，只能改变EM极性。为了防止两电动势顺向串联，Ud极性也必须反过来，即Ud应为负值，且|EM|Ud|，才能把电能从直流侧送到交流侧,实现逆变。 电能（注意不是电流）的流向与整流时相反,M输出电功率,电网吸收电功率。 Ud可通过改变来进行调节，逆变状态时Ud为负值， 在/2间。,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,产生逆变的条件有二： （1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其绝对值大于变流器直流侧平均电压； （2）晶闸管的控制角 /2，使Ud为负值。,半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值（最小为零），也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。,问题；半控桥能否实现有源逆变？,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,逆变和整流的区别：控制角 不同,0 p /2 时，电路工作在整流状态。 p /2 p时，电路工作在逆变状态。,可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题。 把a p /2时的控制角用p- = b表示，b 称为逆变角。 逆变角b和控制角a的计量方向相反，其大小自b =0的起始点向左方计量。,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,三相半波有源逆变电路和负载电压波形 a)电路 b)波形,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,图2-46 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形,9.1 整流电路的有源逆变工作状态,有源逆变状态时各电量的计算： Ud= -2.34U2cos = -1.35U2Lcos 输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即 Id=（Ud-EM)/R 每个晶闸管导通2/3，故流过晶闸管的电流有效值为 从交流电源送到直流侧负载的有功功率为: Pd=RId2+EMId 当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。,9.2 逆变失败与最小逆变角的限制,有源逆变正常运行时，外接的直流电源电压EM与逆变电路输出的平均电压Ud极性相反，通常由于逆变回路的内阻很小，所以外接直流电源电压EM基本由逆变电路的输出平均电压Ud来平衡。若逆变时出现逆变输出电压减小、变零、甚至与直流电源顺极性串联等情况时，就会造成逆变回路过流，造成器件和变压器损坏。这种情况称为逆变失败，也称逆变颠覆。 造成逆变失败的原因主要在四个方面： 1晶闸管本身的原因 晶闸管发生故障，不能正常导通和关断，会造成交流电源电压与直流电动势顺向串联，造成逆变失败。 2交流电源的原因 交流电源缺相或突然消失，此时交流侧由于失去与直流电动势极性相反的交流电压，使直流电动势通过晶闸管形成电路短路。 3触发电路的原因 触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，致使晶闸管不能正常换相，使交流电源电压与直流电动势顺向串联，形成短路。 4逆变角太小,9.2 逆变失败与最小逆变角的限制,图为三相半波有源逆变电路的逆变失败波形a)触发脉冲丢失 b)触发脉冲延迟 如图a所示，在t1时刻，触发电路应对晶闸管VT3提供触发脉冲uG3，则VT3导通，VT2关断，实现正常换流。若由于某种原因造成uG3丢失，则VT3无法导通，而VT2继续导通到正半波。到t2时刻，由于此时ubua，VT1虽然有触发脉冲uG1，但承受反压而无法导通。输出电压ud为正值，和直流电动势同极性，造成短路。 在图b中，触发电路应在t1时刻对晶闸管VT3提供触发脉冲uG3，但是由于uG3延迟到t2时刻才出现，这时ubuc，VT3承受反压无法导通，VT2继续导通到正半波，同样会造成逆变失败