有源逆变电路演示文稿

有源逆变电路演示文稿1目前一页\总数四十六页\编于九点2优选有源逆变电路目前二页\总数四十六页\编于九点4.1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，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。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，将在第8章介绍。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。目前三页\总数四十六页\编于九点4.1逆变的概念2)直流发电机—电动机系统电能的流转图4-1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。目前四页\总数四十六页\编于九点4.1逆变的概念3)逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机图4-2

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)u10udu20u10aOOwtwtIdidUd>EMu10udu20u10OOwtwtIdidUd<EMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1目前五页\总数四十六页\编于九点4.1逆变的概念从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件有二：有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。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，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。目前六页\总数四十六页\编于九点4.2三相有源逆变电路逆变和整流的区别：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。目前七页\总数四十六页\编于九点4.2三相有源逆变电路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4-3所示。图4-3

三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6wt1wt3wt2目前八页\总数四十六页\编于九点4.2三相有源逆变电路有源逆变状态时各电量的计算：输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即（4-1）每个晶闸管导通2p/3，故流过晶闸管的电流有效值为：（4-2）从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：（4-3）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。（4-4）在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：目前九页\总数四十六页\编于九点4.3逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败（逆变颠覆）

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。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)逆变失败的原因目前十页\总数四十六页\编于九点4.3逆变失败与最小逆变角的限制换相重叠角的影响：图4-4交流侧电抗对逆变换相过程的影响当b>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4-4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<gagbb>giVT1iVTiVT3iVTiVT322目前十一页\总数四十六页\编于九点4.3逆变失败与最小逆变角的限制2)确定最小逆变角bmin的依据逆变时允许采用的最小逆变角b应等于bmin=d+g+q′

（4-5）d——晶闸管的关断时间tq折合的电角度g——

换相重叠角q′——安全裕量角tq大的可达200~300ms，折算到电角度约4~5。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。目前十二页\总数四十六页\编于九点4.3逆变失败与最小逆变角的限制g——

换相重叠角的确定：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%g220V800A240kV。A5%15~20参照整流时g的计算方法（4-6）（4-7）根据逆变工作时，并设，上式可改写成目前十三页\总数四十六页\编于九点4.3逆变失败与最小逆变角的限制（4-8）逆变时要求bmin>

g

，故这样，bmin一般取30~35。

换相重叠角g与Id

和XB有关，电路参数确定后，g就有定值目前十四页\总数四十六页\编于九点4.4逆变工作状态时的直流电动机机械特性1)电流连续时电动机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（4-9)（4-10)图4-5

电动机在四象限中的机械特性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增大方向目前十五页\总数四十六页\编于九点4.4逆变工作状态时的直流电动机机械特性2)电流断续时电动机的机械特性可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，把代入式，便可得EM、n与Id的表达式。三相半波电路为例：(4-11)(4-12)(4-13)目前十六页\总数四十六页\编于九点4.4逆变工作状态时的直流电动机机械特性逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：图4-5

电动机在四象限中的机械特性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。纵观控制角变化时，机械特性得变化。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增大方向目前十七页\总数四十六页\编于九点4.5直流可逆电力拖动系统图4-6

两组变流器的反并联可逆线路图4-6a与b是两组反并联的可逆电路a三相半波有环流接线b三相全控桥无环流接线c对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况目前十八页\总数四十六页\编于九点4.5直流可逆电力拖动系统两套变流装置反并联连接的可逆电路的相关概念和结论：环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。正向运行时由正组变流器供电；反向运行时，则由反组变流器供电。根据对环流的处理方法，反并联可逆电路又可分为不同的控制方案，如配合控制有环流（）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。电动机都可四象限运行。可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态：整流或逆变。目前十九页\总数四十六页\编于九点4.5直流可逆电力拖动系统直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能实现电动机的回馈制动。电动机反向过程分析：详见P79a=b

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a=b

的配合控制关系。假设正组为整流，反组为逆变，即有aP=bN

，UdaP=UdbN，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。目前二十页\总数四十六页\编于九点4.5直流可逆电力拖动系统第1象限：正转电动运行，此时1组工作于整流状态，由α1＝β2

，2组工作于逆变状态，且Ud1=Ud2,但由于二极管的单相导电性，2组桥没有电流流过。工作在待逆变状态。同样，由于Ud1和Ud2的瞬时值不相等，所以有交流的环流在两者间流动。必需加上环流电抗器Lc加以限制。α1＝β2,，即α1＋β

2＝π目前二十一页\总数四十六页\编于九点4.5直流可逆电力拖动系统第2象限：正转制动运行。当需要正转制动（刹车）时，将α1增大但<900，此时由于电机的转动惯量，其E不能突变，所以此时E>Ud1=Ud2，此时2组立刻工作于逆变状态。由二极管的单相导电性，1组桥没有电流流过。工作在待整流状态。目前二十二页\总数四十六页\编于九点4.5直流可逆电力拖动系统第3象限：将α2调节至<900

，Ud2变为上负下正，由α1＝β2Ud1变为上负下正，由于二极管的单相导电性，2组桥有电流流过。工作在整流状态，1组桥没有电流流过。工作在待逆变状态。此时电机反转，E电压为上负下正。目前二十三页\总数四十六页\编于九点4.5直流可逆电力拖动系统第4象限：反转制动运行，和第二象限类似，当将α2增大但保持<900，E>Ud1=Ud2此时1组工作于逆变状态，由于二极管的单相导电性，2组桥没有电流流过。工作在待整流状态。目前二十四页\总数四十六页\编于九点图4-7

两组变流器的反并联可逆线路等效图n目前二十五页\总数四十六页\编于九点4.5直流可逆电力拖动系统逻辑无环流可逆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。两组桥之间的切换过程：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，称为逻辑控制无环流系统。直流可逆电力拖动系统，将在后继课“电力拖动自动控制系统”中进一步分析讨论。目前二十六页\总数四十六页\编于九点4.6变流装置的功能指标主要性能指标变流装置的效率电压调整率功率因素目前二十七页\总数四十六页\编于九点4.6变流装置的功能指标晶闸管装置的功率因数及其改善１、晶闸管装置的功率因数单相全桥为0.9三相桥式电路为0.955位移系数畸变系数目前二十八页\总数四十六页\编于九点4.6变流装置的功能指标晶闸管装置的功率因数及其改善２、采用的改善功率因数的方法小控制角运行采用两组变流器的串联供电增加整流相数设置补偿电容因为功率因数与畸变系数和位移系数有关，所以要采用下列措施改善功率因数：目前二十九页\总数四十六页\编于九点4.6变流装置的功能指标二、晶闸管装置对电网的影响变流装置可能会对电网造成什么影响？引起谐振，造成热损坏、振动、闪烁等事故。对通信线路产生杂音对变压器铁心产生噪音，损耗增加使电机产生脉动转矩，损耗增加影响电压和电流的相位差，测量精确度下降导致计算机误动作目前三十页\总数四十六页\编于九点如：三相全控桥式电路变压器电流波形4.6变流装置的功能指标目前三十一页\总数四十六页\编于九点4.6变流装置的功能指标

为减小对电网的影响，晶闸管的电流波形应为什么形状？具体措施：小控制角运行三相电路尽量采用桥式电路变流变压器采用Ｄ/Ｙ或Y/D联接增加整流相数采用谐波滤波器目前三十二页\总数四十六页\编于九点抑制谐波的滤波器4.6变流装置的功能指标目前三十三页\总数四十六页\编于九点4.7变流装置的触发电路

同步信号为锯齿波的触发电路

同步信号为锯齿波的触发电路

集成触发器

触发电路的定相目前三十四页\总数四十六页\编于九点4.7变流装置的触发电路·引言触发电路：晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。触发电路的驱动控制为保证触发电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。目前三十五页\总数四十六页\编于九点4.7.1同步信号为锯齿波的触发电路输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。图4-8同步信号为锯齿波的触发电路目前三十六页\总数四十六页\编于九点4.7.1同步信号为锯齿波的触发电路1)脉冲形成环节V4、V5—脉冲形成V7、V8—脉冲放大控制电压uco加在V4基极上图4-8同步信号为锯齿波的触发电路脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。目前三十七页\总数四十六页\编于九点4.7.1同步信号为锯齿波的触发电路2)锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等；本电路采用恒流源电路。恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成

V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路图4-8

同步信号为锯齿波的触发电路目前三十八页\总数四十六页\编于九点4.7.1同步信号为锯齿波的触发电路3)同步环节同步——要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关V2管来控制的。V2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时间常数R1C1。目前三十九页\总数四十六页\编于九点4.7.1同步信号为锯齿波的触发电路4)双窄脉冲形成环节

内双脉冲电路

V5、V6构成“或”门当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角

产生。隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过V6）。三相桥式全控整流电路的情况(自学)目前四十页\总数四十六页\编于九点图示为正弦波触发电路原理图，适用于三相全控桥。

V1起综合信号和放大作用。脉宽形成环节和功放由V2组成的单稳态电路、V3和脉冲变压器TP组成。V1关断时，C4极性左正右负，V2饱和导通，V3截止。V1导通瞬间，C4上电压不能突变，所以V2截止，V3导通输出脉冲。4.7.2同步信号为正弦波的触发电路目前四十一页\总数四十六页\编于九点正弦波同步信号的形成和移相控制：使用uα

和uβ来限制αmin

和βmin,us为正弦波同步信号，uco为控制电压。使用这四个电压来进行同步和移相。注意，为了防止干扰。uα

、uβ和us在输入时都经过RC滤波。该滤波器的移相角一般为6