第三章有源逆变电路

1、第三章第三章 晶闸管有源逆变电路晶闸管有源逆变电路第一节第一节 有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理 第二节第二节 晶闸管直流可逆拖动的工作原理晶闸管直流可逆拖动的工作原理第三节第三节 绕线转子异步电动机串级调速与高压直流输电绕线转子异步电动机串级调速与高压直流输电第四节第四节 晶闸管装置的功率因数、谐波与对电网的影响晶闸管装置的功率因数、谐波与对电网的影响 第一节第一节 有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理 1) 什么是逆变？为什么要逆什么是逆变？为什么要逆变？变？逆变（Invertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路交流侧和电网连结。

2、 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。无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。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。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路变流电路。2) 直流发电机直流发电机电动机系统电能的流转电动机系统电能的流转图2-44 直流发电机电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EG EM b）两电动势同极性EM EG c）两电动势反极性，形成短路电路过程分析。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，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。 3) 逆变产

3、生的条件逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机图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a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUdEMu10udu20u10OOwtwtIdidUd /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，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。逆变和整流的区别逆变和整流的区别：控制角 a a 不同 0a a /2 时，电路工作在整流状态。 /2 a a /2时的控制角用- a a = b b表示，b b 称为逆变角逆变角。逆变角b b和控制角a a

4、的计量方向相反，其大小自b =0的起始点向左方计量。由上图可知电路工作在逆变时的直流电压可由积分求得公式与整流时一样，由于逆变运行时900，c o s 计算不方便，所以引入逆变角，令=1800-，故逆变角为时的触发脉冲位置可从=1800 （）时刻前移（左移）角来确定。有源逆变状态时各电量的计算：-REUId输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即bbcos35. 1cos34. 222UUUd-（2-105）每个晶闸管导通2 /3，故流过晶闸管的电流有效值为：ddVTIII577. 03（2-106）从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：dMddIEIRP2（2-107）当逆变工作时，由于EM

5、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。（2-108）在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：ddVTIIII816.03222二、常用晶闸管有源逆变电路（一）三相半波有源逆变电路下图为三相半波电动机负载电路，电动机电动势E的极性符合有源逆变条件，当d且900时，可实现有源逆变。变流器直流电压为 （二）三相全控桥有源逆变电路 三相全控桥逆变电路与整流时一样分析，300（1500）时的u d电压波形，共阴极组管子触发换流时，由低阳极电压换到高阳极电压，所以在相电压波形中电压上跳；共阳极组管子触发换流时，由阴极电位高的管子换到阴极电位低的管子，电压波形下跳，u d电压波

6、形如阴影线所示。管子电压波形与三相半波有源逆变电路相同。三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图2-46所示。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uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb =4b =3b =6b =4b =3b =6wt1wt3wt2逆变失败逆变失败（逆变颠覆）晶闸管变流电路工作在整流状态时，如果晶闸管损坏、触发脉冲丢失或快速熔断器烧断时，其后果至多是出现缺相，直流

7、输出电压减小。 逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联顺向串联，形成很大短路电流短路电流。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，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。交流电源缺相或突然消失。换相的裕量角不足，引起换相失败。1) 逆变失败的原因逆变失败的原因三、逆变失败与逆变角的限制 现以三相半波电路为例，见下图，当A相晶闸管1导通到t4时，在正常情况下g2触发2管换到B相导通。现由于g2丢失或2管损坏或B相快速熔断器烧断或B相缺相供电等原因，2管无法导通

8、，1管不受反压无法关断，使1管沿着A相电压波形继续导通到正半周，如图中剖面线所示，使电源瞬时电压与顺极性串联，出现很大的短路电流流过晶闸管与负载，这称为逆变失败或逆变颠覆。 另一种经常导致逆变失败的原因是逆变电路工作时逆变角太小。由于存在换相重叠角，当g 时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。如果b g 时（从图2-47右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（VT2）会关断，而应关断的晶闸管（VT1)不能关断，最终导致逆变失败。 udOOidwtwtuaubucuaubpbgb giVT1iVTiVT3iVTiVT3222) 确定确定最小逆变最小逆变角角b bmin的依据的依据逆变时允许

9、采用的最小逆变角b b 应等于b bmin=d d +g g+q q （2-109）d d 晶闸管的关断时间tq折合的电角度g g 换相重叠角q q安全裕量角tq大的可达200300ms，折算到电角度约45。随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。主要针对脉冲不对称程度（一般可达5）。值约取为10。g g 换相重叠角的确定：1) 查阅有关手册 举例如下：整流电压 整流电流变压器容量短路电压比Uk%g g220V800A240kV。A5%15202) 参照整流时g g 的计算方法mUXIBdgaasin2)cos(cos2-（2-110）（2-111）根据逆变工作时 ，并设 ，上式可改写成ba-g

10、bmUXIBdgsin21cos2-这样， b bmin一般取3035。一、由晶闸管桥路供电、用接触器控制直流电动机的正反转 当晶闸管桥路工作在整流状态，接触器KM1触点闭合时电动机正转；KM1断开KM2闭合时则电动机反转。当电动机从正转到反转时，为了实现快速制动与反转、缩短过渡过程时间以及限制过大的反接制动电第二节第二节 晶闸管直流可逆拖动的工作原理晶闸管直流可逆拖动的工作原理流，可将桥路触发脉冲移到900，即工作在逆变状态。在初始阶段KM1尚未断开，在电抗器中的感应电动势作用下，电路进入有源逆变状态，将电抗器中的能量逆变为交流能量返送电网。 二、采用两组变流桥的可逆电路 常用的反并联电路。

11、反并联可逆电路常用的有：逻辑无环流、有环流以及错位无环流三种工作方式，现分别叙述如下：（一）逻辑控制无环流可逆电路的基本原理 当电动机磁场方向不变时，正转时由组桥供电；反转时由组桥供电，采用反并联供电可使直流电动机在四个象限内运行。电动机正转：第一象限工作，组桥投入触发脉冲，900，组桥封锁阻断，组桥处于整流状态，电动机正向运转。 （二）有环流反并联可逆电路的基本原理在实际运行中如能严格保持=，两组反并联的变流器之间是不会产生直流环流的。但是由于两组变流器的直流输出端瞬时电压值u d I与u d不相等，因此会出现瞬时电压差称为均衡电压u c亦称环流电压，在u c作用下产生不流经负载的环流电流，

12、为限制环流电流必须串接均衡电抗器LC。在可逆系统中通常限制最大环流为额定电流的5%10%。 （三）错位无环流可逆电路的基本原理 有环流系统必须配置均衡电抗器，增加了设备费用与损耗，为了不用均衡电抗器又能避免逻辑无环流系统切换控制复杂的缺点，出现一种错位无环流系统。逻辑无环流不产生环流的原因是工作时封锁一一组变流器的触发脉冲，而错位无环流是二组变流器都输入触发脉冲，只是适当错开彼此间触发脉冲的位置，使不工作的那一组晶闸管在受到脉冲时，阳极电压恰好为负值，使之不能导通，从而消除环流。第三节第三节 绕线转子异步电动机串级调速与高压直流输电绕线转子异步电动机串级调速与高压直流输电一、绕线转子异步电动机

13、晶闸管串级调速串级调速主电路如图所示，逆变电压Ud为引入转子电路的反电动势，改变逆变角即可改变反电动势大小，达到改变转速的目的。Ud是转子整流后的直流电压，其值为式中 E20转子开路线电动势（n=0）；S 电动机转差率。当电动机转速稳定，忽略直流回路电阻时，则整流电压d与逆变电压U d 大小相等、方向相反。当逆变变压器TI二次线电压为U21时，则:斩波式逆变器串级调速原理框图如图中a所示。二、高压直流输电高压直流输电在跨越江河、海峡和大容量远距离的电缆输电、联系两个不同频率（50HZ与60HZ）的交流电网、同频率两个相邻交流电网的非同步并联等方面发挥重要作用，它能减少输电线中的能量损耗、提高输

14、电效益以及增加电网稳定性和操作方便。随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的谐波(harmonics)和无功(reactive power)问题日益严重，引起了关注。无功的危害：导致设备容量增加。使设备和线路的损耗增加。线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。谐波的危害：降低设备的效率。影响用电设备的正常工作。引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。导致继电保护和自动装置的误动作。对通信系统造成干扰。第四节第四节 晶闸管装置的功率因数、谐波与对电网的影响晶闸管装置的功率因数、谐波与对电网的影响 2） 功率因数功率因数正弦电路中的情况电路的有功功率有功功率就是其平均功率平均功率：w2

15、0cos)(21UItuidP（2-59）视在功率视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI （2-60）无功功率无功功率定义为： Q=U I sin （2-61）功率因数功率因数l 定义为有功功率P和视在功率S的比值：SPl（2-62） 此时无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间有如下关系：222QPS（2-63）功率因数是由电压和电流的相位差 决定的：l l =cos （2-64）非正弦电路中的情况有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数仍由式 定义。不考虑电压畸变，研究电压为正弦波、电流为非正弦波的情况有很大的实际意义。SPl非正弦电路的有功功率 ：P=U I1 c

16、os 1 （2-65）功率因数功率因数为：11111coscoscoslIIUIUISP（2-66） 基波因数基波因数(电流畸变系数）电流畸变系数）n =I1 / I，即基波电流有效值和总电流有效值之比 位移因数位移因数（基波功率因数）cos 1功率因数由基波电流相移基波电流相移和电流波形畸变电流波形畸变这两个因素共同决定的。非正弦电路的无功功率定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义。一种简单的定义是仿照式（2-63）给出的： （2-67）22PSQ-无功功率Q反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接受。也可仿照式（2-61）定义无功功率，为和式（2-67）区别，采用符号Qf，忽略电压中

17、的谐波时有：Q f =U I 1 sin 1 (2-68）在非正弦情况下， ，因此引入畸变功率畸变功率D，使得： （2-69）222fQPS2222DQPSfQ f为由基波电流所产生的无功功率，D是谐波电流产生的无功功率。带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析1) 单相桥式全控整流电路忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载，直流电感L为足够大（电流i2的波形见图）i2OwtdLLL,5,3,1,5,3,12sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnntnItnnItttIiwwwwwdd（2-72）变压器二次侧电流谐波分析：

18、nIInd22n=1,3,5,（2-73） 电流中仅含奇次谐波。 各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。基波电流有效值为 （2-74） i2的有效值I= Id，结合式（2-74）可得基波因数为 （2-75）电流基波与电压的相位差就等于控制角a a ，故位移因数为 （2-76） 所以，功率因数为 d122IIII12 209 .aallcos9.0cos22cos111IIalcoscos11（2-77） 功率因数计算功率因数计算二、提高变流电路功率因数的常用方法（一）小控制角运行（二）采用两组变流器串联供电对于大容量且电压较高的装置，可采用两组桥式电路串联供电。 （三）增加整流相数（四）设置补偿电容（五）用不可控整流配合直流斩波调压来替代相控整流（六）相控整流中采用全控器件实现强迫换相三、相控晶闸管装置谐波对电网的影响相控整流装置的输入电流通常是非正弦的，以常用的三相桥式相控整流电路为例，大电感负载时，交流电流为正负对称的1200矩形波，含有5、7、11、次高次谐波，这些谐波电流在电网回路引起阻抗压降，因而使电网电压也含有高次谐波，造成电网电压的畸变。因此相控晶闸管装置实际上可看成一个