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第4章有源逆变与相控变流器特性7/6/20230北京交通大学电气工程学院概述什么是逆变?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。实例:电力机车再生制动行驶,机车的动能转变为电能,反送到交流电网中去。逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路——逆变电路的交流侧和电网连接,将直流电逆变成与电网同频率的交流电反送到电网。(本章介绍)7/6/20231北京交通大学电气工程学院无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网连接,而直接接到负载,将直流电逆变成固定频率或可调频率的交流电供给负载。(将在第6章介绍)对于全控整流电路,满足一定条件就可工作于有源逆变,其电路形式未变,只是电路工作条件发生改变。既可工作在整流状态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。7/6/20232北京交通大学电气工程学院本章内容4.1有源逆变电路的工作原理(概念)4.2三相有源逆变电路4.3有源逆变的应用4.4变流电路的功率因数及改善方法7/6/20233北京交通大学电气工程学院一、有源逆变的概念1、直流发电机—电动机系统电能的流转图aM电动运转,EG>EM,电流Id从G流向M,M吸收电功率。图b回馈制动状态,M作发电运转,此时,EM>EG,电流反向,从M流向G。故M输出电功率,G则吸收电功率,M轴上输入的机械能转变为电能反送给G。图c两电动势顺向串联,向电阻R供电,G和M均输出功率。由于R一般都很小,实际上形成短路。ååc)b)a)MGMGMGEGEMIdR∑EGEMIdR∑EGEMIdR∑4.1有源逆变电路的工作原理7/6/20234北京交通大学电气工程学院2、变流电路—电动机系统电能的流转用单相全波电路代替上述发电机

单相全波电路的整流和逆变

图aM电动运行,全波电路工作在整流状态,在0~π/2之间,Ud为正值,并且Ud>EM,才能输出Id。交流电网输出电功率电动机输入电功率电动机输出电功率交流电网输入电功率图bM回馈制动,因晶闸管单向导电,Id方向不变,欲改变电能的输送方向,只能改变EM、Ud的极性,即Ud应为负值,且|EM

|>|Ud

|。

Ud可通过改变来进行调节,逆变状态时Ud为负值,逆变时在π/2~π之间。7/6/20235北京交通大学电气工程学院3、实现有源逆变的条件☆从上述分析中,可以归纳出要实现有源逆变,必须满足下列条件:

(1)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。(外部条件)(2)晶闸管的控制角

>π/2,使Ud为负值。(内部条件)半控桥或输出端有续流二极管的电路,因其整流电压ud不能出现负值,故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变,只能采用全控电路。7/6/20236北京交通大学电气工程学院4、改变电枢电势E极性的方法(1)某些机械能随着工况的不同自动改变E的极性(如直流卷扬机)。(2)改变励磁电流方向。(3)反接电枢回路。7/6/20237北京交通大学电气工程学院5、逆变角☆为了方便,电路进入逆变状态时,通常用逆变角(或称引前触发角)表示相控角度。规定:角计算的起始点为控制角=处,计算方法为:自=(=0)的起始点向左方计量。、的关系:=-或+=7/6/20238北京交通大学电气工程学院二、单相桥式有源逆变电路1、变流器工作于整流状态(02)Ud0,E0,Ud

E,M工作于电动状态7/6/20239北京交通大学电气工程学院2、变流器工作于逆变状态(2

)电动机工作于发电状态,由于Id方向不能改变,因而要求:E0(反极性),Ud

0(反极性)且Ud

E7/6/202310北京交通大学电气工程学院3、单相桥式电路逆变电压的计算变流器直流侧电压计算公式考虑换相重叠角其它的电量,如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值,变压器的容量计算等,均可按照整流电路的计算原则进行。7/6/202311北京交通大学电气工程学院4.2三相有源逆变电路一、三相半波有源逆变电路1、变流器工作于整流状态(02)Ud0,E0,Ud

E,M工作于电动状态7/6/202312北京交通大学电气工程学院2、变流器工作于逆变状态(2

)电动机工作于发电状态,由于Id方向不能改变,因而要求:Ud

0(反极性),E0(反极性)Ud

E7/6/202313北京交通大学电气工程学院7/6/202314北京交通大学电气工程学院3、三相半波电路逆变电压的计算变流器直流侧电压计算考虑换相重叠角其它的电量,如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值,变压器的容量计算等,均可按照整流电路的计算原则进行。7/6/202315北京交通大学电气工程学院二、三相桥式全控有源逆变电路1、变流器工作于逆变状态(2

)Ud

0,E0,Ud

E7/6/202316北京交通大学电气工程学院2、三相桥式电路逆变电压的计算变流器直流侧电压计算公式考虑换相重叠角其它的电量,如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值,变压器的容量计算等,均可按照整流电路的计算原则进行。7/6/202317北京交通大学电气工程学院三、逆变失败及最小逆变角的限制☆1、定义

逆变运行时,一旦发生换相失败,整流电路就由逆变工作状态进入整流工作状态,使输出平均电压Ud和直流电势变成顺向串联,或者使外接直流电势通过SCR电路形成短路,这种情况称为逆变失败,或称为逆变颠覆。7/6/202318北京交通大学电气工程学院2、逆变失败的原因(1)触发脉冲丢失T2的触发脉冲ug2丢失以三相半波可控电路为例7/6/202319北京交通大学电气工程学院2、逆变失败的原因(续)(2)触发脉冲延迟T2的触发脉冲ug2延迟7/6/202320北京交通大学电气工程学院(3)晶闸管发生故障(指晶闸管失去阻断能力或失去导通能力)T3失去阻断能力2、逆变失败的原因(续)7/6/202321北京交通大学电气工程学院(4)换相的裕量角不足2、逆变失败的原因(续)7/6/202322北京交通大学电气工程学院(5)交流电源发生异常现象,如

交流电源突然断电交流电源电压太低交流电源缺相

不论什么原因,逆变失败的后果都是造成电流急剧上升!2、逆变失败的原因(续)7/6/202323北京交通大学电气工程学院3、避免逆变失败的措施(1)预防措施采用可靠的触发电路,保证触发脉冲不丢失、不延迟;选用有足够阻断能力的SCR,防止误导通;逆变角不能太小,必须限制在某一允许的最小角度内☆。(2)保护措施:装快速熔断器或快速开关;7/6/202324北京交通大学电气工程学院4、确定最小逆变角min的依据(1)最小逆变角min=++:换相重叠角(约为15~20):恢复阻断角——SCR的关断时间tq折合的电角,=tqtq约为200~300s,折算成电角度δ约4~5:安全裕量角(一般取10)最小逆变角βmin一般可取30~35。β角越大,逆变越可靠,但功率因数越低!7/6/202325北京交通大学电气工程学院例4-1三相全控桥式整流电路接阻感反电势负载。已知整流变压器副边线电压UAB=220V,交流侧电感LB=0.5mH,R=2Ω,E=-290V,α=150º,ω=100π,Ld足够大,求直流端电压、电流和交流电源的功率因数λ。解:交流侧电抗为输出直流平均电压为

输出电压又可表示为

7/6/202326北京交通大学电气工程学院例4-1(续)负载侧的功率为负载功率为负值,表明负载侧实际是发出电能回馈到电网。所以交流电源的功率因数为所以7/6/202327北京交通大学电气工程学院例4-2三相半波整流电路如图例4.2所示,已知电动机处于稳定的发电制动状态,滤波电抗Xd足够大,输出电流连续而平直,电枢回路总电阻Ra=0.5,电机端压Ua=220V,变压器副边相电压U2=220V,交流侧换流电抗XB=0.21。试完成下列要求:1.说明图中整流器输出电压Ud和电动机端电压Ua的极性;2.说明变流器控制角的调节范围;3.如何调节电动机的制动强度?4.当制动电流Ia=103A时,系统向交流电网回馈的功率有多大?此时变流器的逆变角为多少?7/6/202328北京交通大学电气工程学院例4-2(续)解:1.由于电机处于稳定的再生制动状态,电动机向交流电网回馈电能,而晶闸管不能逆向导通电流,据此可以确定整流器输出电压Ud和电动机端电压Ua的极性为下“+”上“-”。2.逆变工作时控制角的理论范围是90°≦α≦180°,为防止逆变颠覆,有最小逆变角βmin限制,即控制角有最大值αmax的限制。βmin受换流电流、交流侧换相电抗及元件关断时间的影响,βmin大约在35°左右。因此逆变工作时控制角的范围大致是90°≦α≦150°。

7/6/202329北京交通大学电气工程学院例4-2(续)解:4负号说明电网吸收电功率

代入

得:3.通过调节角来调节制动强度,当较大时,变流器输出逆变电压较小,制动电流大,制动力就强,反之亦然。7/6/202330北京交通大学电气工程学院高压直流输电4.3有源逆变的应用两组晶闸管变流器的交流侧分别与两个交流系统u1、u2连接,变流器的直流侧相互关联。通过分别控制两个变流器的工作状态,就可控制功率的流向。在送电端,变流器工作于整流工况,在受电端变流器工作于逆变工况。

7/6/202331北京交通大学电气工程学院绕线式异步电动机晶闸管串级调速系统转子在不同的转速下感应出转差频率的电压,经一组不控的三相桥式变流器变成直流电压,此电压再经一组全控桥式变流器实现有源逆变,把电能(转差功率)馈送回电网中去,改变逆变角的大小,即可改变馈送回电网电能的多少,从而达到改变电机转速的目的。7/6/202332北京交通大学电气工程学院直流可逆电力拖动系统第一象限,变流器Ⅰ的控制角1<900,Ud1>E,整流状态,电机正转电动运行;第二象限,变流器Ⅱ的控制角Ⅱ>900,UdⅡ<E,有源逆变状态,电机正转发电制动机运行;第三象限,变流器Ⅱ的控制角Ⅱ<900,UdⅡ>E,整流状态,电机反转电动运行;第四象限,变流器Ⅰ的控制角1>900,Ud1<E,有源逆变状态,电机反转发电制动运行。7/6/202333北京交通大学电气工程学院4.4变流电路的功率因数及改善方法一、变流电路的功率因数1、定义变流电路电网侧有功功率与视在功率之比。2、计算方法1

=P/S若忽略变流电路损耗,P应等于整流负载功率。7/6/202334北京交通大学电气工程学院3、计算方法2

=coscos:相位移系数(基波的有功功率与基波的视在功率之比):电流畸变系数(基波电流有效值与总电流有效值之比),即:=I1/I7/6/202335北京交通大学电气工程学院例:单相全控桥式电路功率因数计算计算方法17/6/202336北京交通大学电气工程学院例:单相全控桥式电路功率因数计算计算方法27/6/202337北京交通大学电气工程学院二、功率因数的改善方法☆1、全控变流器的半控工作状态(提高基波功率因数)

整流波形逆变波形7/6/202338北京交通大学电气工程学院2、强迫换相(1)熄灭角控制(使基波电流超前电压,对整个电力系统有利)7/6/202339北京交通大学电气工程学院2、强迫换相(续)(2)对称角控制(使基波功率因数=1)7/6/202340北京交通大学电气工程学院2、强迫换相(续)(3)脉冲宽度控制(使基波功率因数=1,同时提高电流畸变系数)7/6/202341北京交通大学电气工程学院3、串联变流器的顺序控制(主要是提高基波功率因数)7/6/202342北京交通大学电气工程学院课堂思考

1、下列电路中能用于有源逆变的有:(1)单相桥式全控整流电路(2)单相桥式半控整流电路(3)单相桥式不可控整流电路(4)三相桥式全控整流电路(5)三

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