电力电子技术课件有源逆变

电力电子技术课件有源逆变第1页，共41页，2023年，2月20日，星期一2.两电源之间的能量传递

同极性相连;EG＞EM;同极性相连;EM＞EG;反极性相连

电动运行发电运行短路第2页，共41页，2023年，2月20日，星期一3.有源逆变的工作原理及条件

(1)α＜90°,输出Ud为正值,M电动运行,EM上正下负。晶闸管装置工作在整流状态，供能；M吸收能量,电动运行。第3页，共41页，2023年，2月20日，星期一(2)α＞90°,且使Ud＜EM，Ud与前整流时Ud极性相反，VT会导通。

M供能，工作于发电制动状态；晶闸管装置吸收能量，并送交流电网，实现有源逆变。

总结：在一周期内，并不是每一瞬时都进行有源逆变，只是一周期内逆变时间大于整流时间（因为α＞90°），总的来看，电路工作在有源逆变状态。

第4页，共41页，2023年，2月20日，星期一实现有源逆变的条件：

必要条件（1）要有直流电源E，且满足E的方向为使晶闸管导通的方向及E的数值应大于变流器直流侧的平均电压；（2）要求α＞90°，使Ud为负值。

充分条件：要有足够大的电感L，以使逆变连续进行。

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。问题:单相桥式全控整流电路带阻感性负载，当工作在0<<p

/2时，是否在一个周期内都处于整流状态？第5页，共41页，2023年，2月20日，星期一讨论：

以下电路哪些可以实现有源逆变？为什么？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。第6页，共41页，2023年，2月20日，星期一2.7.2三相整流电路的有源逆变工作状态

1.逆变角

β定义:α=π-β,即α+β=π,则β=π-α。

Ud=Udo×cosα=-Udo×cosβα、β是从两个方向表示晶闸管的触发时刻。

第7页，共41页，2023年，2月20日，星期一2.三相半波有源逆变电路

能量传递关系：EM的正极流出电流，因此它提供能量，经晶闸管电路把直流电能逆变为交流电能回馈电网。第8页，共41页，2023年，2月20日，星期一3.三相桥式全控整流电路的有源逆变状态

第9页，共41页，2023年，2月20日，星期一计算:(以三相电路为例）

Ud、EM均为负值

EM为负值，Pd

故为负值，表示功率由直流侧送交流电源

注意：在变流器中确定电网是输入功率还是输出功率一般从直流侧来分析决定。第10页，共41页，2023年，2月20日，星期一逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。2.7.3逆变失败与最小逆变角的限制

逆变失败提出的原因

整流：逆变：第11页，共41页，2023年，2月20日，星期一一.失败的原因1.触发电路的原因

脉冲丢失、脉冲分布不均匀。2.晶闸管本身的原因3.交流电源方面的原因缺相、电源突然断电、电网电压波动使同步电压波动,造成脉冲丢失。4.逆变角β太小

β＞γ(换相重叠角),正常。

若β＜γ:即β=0时换流还没有结束，前一相继续导通，换相失败。第12页，共41页，2023年，2月20日，星期一二.最小逆变角βmin的确定

1.考虑的因素

(1).换相重叠角γ(15°～25°),可查手册或由公式计算。(2).晶闸管的关断时间tq所对应的电角度δ,可达200～300μs,δ为4°～5°。(3).安全裕量θ＇,取10°。βmin=γ+δ+θ＇=(15°～25°)+（4°～5°）+10°=30°～35°2.限制方法

(1).触发电路在β=βmin处附加一组固定脉冲。(2).逆变角保护电路

(3).Uc加限幅电路。

第13页，共41页，2023年，2月20日，星期一提示：哪些地方会用到有源逆变呢？绕线转子异步电动机的晶闸管串级调速

高压直流输电晶闸管直流电动机可逆拖动系统第14页，共41页，2023年，2月20日，星期一晶闸管直流电动机系统——晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统。是电力拖动系统中主要的一种。是可控整流装置的主要用途之一。2.8晶闸管直流电动机系统

对该系统的研究包括两个方面：其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本节主要从第二个方面进行分析。第15页，共41页，2023年，2月20日，星期一直流电动机的四象限运行？？问题1有些场合要求电力拖动系统能够提供正、反向运行并能实现快速制动，具有上述功能的系统，由于其机械特性分别位于四个象限，故称具有四象限的电力拖动系统。？问题2他励直流电动机改变转向的方法？电枢反接励磁绕组反接？问题3他励直流电动机的制动方法？能耗制动反接制动回馈制动第16页，共41页，2023年，2月20日，星期一nT0第17页，共41页，2023年，2月20日，星期一指能够控制电动机正反转的自动控制系统。很多生产设备如起重提升设备、电梯、轧钢机轧辊等均要求电动机能够正反双向运转，这就是可逆拖动问题。利用变流装置供电的直流可逆拖动系统，除了能方便地实现正反转外，还能实现回馈制动。对于直流他励电动机来说，改变电枢两端电压的极性或改变励磁绕组两端电压的极性均可改变其运转方向，这可根据应用场合和设备容量的不同要求加以选用。按照所用晶闸管变流装置组数的不同，一般又可通过两种方法实现电动机的正反转控制：1）一种是采用一组晶闸管变流器给电动机供电、用接触器控制电枢电压极性的电路；2）另一种是采用两组晶闸管变流器反极性连接组成的可逆电路。2.8.1直流可逆拖动系统第18页，共41页，2023年，2月20日，星期一1.两组晶闸管反并联组成的α=β工作制的有环流系统电路中的环流：环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。桥式电路有两个环流回路，三相半波电路同一时期只有一条环流回路。环流一般不作有用功，环流产生的损耗可使电器元件发热，甚至还会造成短路事故，因此必须设法使变流装置不产生环流。

第19页，共41页，2023年，2月20日，星期一用一个控制电压Uc控制I、Ⅱ两组变流桥的控制角，使它们同步的向相反的方向变化。（1）开始时，αI=βⅡ=90°，电动机转速为零。（2）αI＜90°，I组进入整流状态，交流电源供能，电动机正转电动运行βⅡ＜90°（且αI=βⅡ），此时Ⅱ组桥虽可以有输出电压Ud，但因不满足|EM

|＞|Ud|而没有逆变电流，称这种状态为待逆变状态。α=β工作制触发脉冲的具体实施如下：第20页，共41页，2023年，2月20日，星期一（3）正转到反转：使αI和βⅡ同时增大分别进入逆变和整流区本组逆变：αI↑＞90°（即βI

＜90°）Id↓=0反组待整流：βⅡ

↑＞90°（即

αⅡ＜90°）反组逆变（正转）:αⅡ↑＞90°（即βⅡ＜90°）且使|EM|＞|UdⅡ|正组待整流：αI=βⅡ＜90°电感储能回送电网，电动机正转电动运行。机械能回送电网，电动机回馈制动。βⅡ↑第21页，共41页，2023年，2月20日，星期一（4）反转运行：βⅡ↑=90°n↓=0,EM=0,αⅡ

＜90°，Ⅱ组进入整流状态，交流电源供能，电动机反转电动运行βI＜90°，因不满足|EM

|＞|Ud|而没有逆变电流，待逆变状态。第22页，共41页，2023年，2月20日，星期一

α=β

配合控制的有环流可逆系统对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证α=β的配合控制关系。假设正组为整流，反组为逆变，即有αⅠ=βⅡ

，UdⅠ=UdⅡ，且极性相抵，两组变流器之间没有直流环流。但两组变流器的输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流。串入环流电抗器LC限制环流。一个回路要有两只环流电抗器，因为其中一只会流过负载电流而饱和，从而起不到抑制环流的作用。

特点：快速性好，但需加环流电抗器，适合于中小容量的系统。第23页，共41页，2023年，2月20日，星期一逻辑控制无环流可逆电路就是利用逻辑单元来控制变流器之间的切换过程，使电路在任何时间内只允许两组桥路中的一组桥路工作而另一组桥路处于阻断状态，这样在任何瞬间都不会出现两组变流桥同时导通的情况，也就不会产生环流。

2.逻辑无环流系统

工程上使用较广泛，不需设置环流电抗器。只有一组桥投入工作（另一组关断），两组桥之间不存在环流。第24页，共41页，2023年，2月20日，星期一两组桥之间的切换过程：电动机正转：给Ｉ组变流桥加触发脉冲，αＩ＜90°，为整流状态；Ⅱ组桥封锁阻断。电动机为“正转电动”运行，工作在第一象限。电动机由正转到反转：触发脉冲后移到αＩ＞90°

，电抗器Ld中的一部分储能经I组桥逆变反送回电网Id=0I组桥封锁

延时3－10ms

Ⅱ组加触发脉冲，且使βⅡ

＜90°，进入有源逆变状态βⅡ↑=90°，n↓=0βⅡ

＞90°则Ⅱ组桥进入整流状态，电动机开始反转，进入第三象限的“反转电动”运行状态。第25页，共41页，2023年，2月20日，星期一特点：可省去环流电抗器，没有附加的环流损耗。由于延时造成了电流换向死区，影响过渡过程的快速性。首先应使已导通桥的晶闸管断流，要妥当处理使主回路电流变为零，使原导通晶闸管恢复阻断能力。随后再开通原封锁着的晶闸管，使其触发导通。

这种无环流可逆系统中，变流器之间的切换过程由逻辑单元控制，故称为逻辑控制无环流系统。此系统，将在后继课“电力拖动自动控制系统”中进一步分析讨论。逻辑无环流系统第26页，共41页，2023年，2月20日，星期一2.8.2工作于整流状态时的机械特性整流电路接反电动势负载时，负载电流断续，对整流电路和电动机的工作都很不利。通常在电枢回路串联一平波电抗器，保证整流电流在较大范围内连续。udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR第27页，共41页，2023年，2月20日，星期一一.电流连续时直流电动机的机械特性Ri为整流电路的等效内阻电动机电枢回路的电压平衡方程式

对于三相半波可控整流电路有

称为电动机电枢回路总的等效电阻第28页，共41页，2023年，2月20日，星期一用转速与负载电流表示的机械特性为其机械特性是一组平行的直线，其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异。调节a

角，即可调节电动机的转速。当负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流不再连续，此时其机械特性也就呈现出非线性。第29页，共41页，2023年，2月20日，星期一二.电流断续时直流电动机的机械特性

1.

电动机的理想空载转速no升高2.机械特性变软

3.随着α的增大，进入断续区的临界电流值增大机械特性中电流断续时的特性和电流连续时的特性的交界点的电流，定义为临界电流，用IdK来表示。

第30页，共41页，2023年，2月20日，星期一为使电动机运行在较好的工作状态，一般要求系统的最小工作电流（一般取电动机额定电流的5％～10％）要大于IdK，这样就能保证电动机工作在电流连续的机械特性较好的直线段。为此，就要选用电感量足够大的平波电抗器。

L不仅包括了平波电抗器电感量，还包括由变压器的漏感LT、电动机电枢电感LD。单相桥式全控整流电路

三相半波可控整流电路

三相桥式全控整流电路

单位是mH第31页，共41页，2023年，2月20日，星期一2.8.3工作于有源逆变状态时的机械特性电流连续时的机械特性由决定的。逆变时由于，反接，得因为EM=Cen，可求得电动机的机械特性方程式正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=b'1;a'1=b1a2=b'2;a'2=b2a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向第32页，共41页，2023年，2月20日，星期一逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：理想空载转速上翘很多，机械特性变软，且呈现非线性。逆变状态的机械特性是整流状态的延续。第1、4象限中和第3、2象限中的特性是分别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以正组和反组变流器。正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=b'1;a'1=b1a2=b'2;a'2=b2a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向第33页，共41页，2023年，2月20日，星期一5.三相半波可控整流电路对直流电动机供电，α=60°时，电动机理想空载转速为no=1000r／min。求：α=30°和α=120°时no为多少？解：因为α=30°时α=120°时第34页，共41页，2023年，2月20日，星期一3.单相桥式半控整流电路，由220V经变压器供电。负载为大电感负载并接有续流二极管。要求整流电压20V～80V连续可调，最大负载电流为20A。最小控制角为30°。求：VT、VD、VDR的额定电流以及TR的二次侧容量。解（1）Ud=80V时，αmin=30°。Ud=20V时，对应αmax（2）计算