21有源逆变概念及工作原理

有源逆变电路机电工程系李春菊有源逆变电路逆变的概念有源逆变的工作原理三相半波逆变电路三相桥式逆变电路逆变失败原因分析及逆变角的限制习题及思考题2020/1/134-3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——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。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的电路又称为变流电路。2020/1/134-4•理解和掌握单相、三相有源逆变电路的工作原理，有源逆变的应用和整流电路的功率因数及其改善的方法。•重点：波形分析法，有源逆变的条件和有源逆变失败的原因。（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）。要求及重点1.整流与逆变的关系前面一章讨论的是把交流电能通过晶闸管变换为直流电能并供给负载的可控整流电路。但生产实际中，往往还会出现需要将直流电能变换为交流电能的情况。例如，应用晶闸管的电力机车，当机车下坡运行时，机车上的直流电机将由于机械能的作用作为直流发电机运行，此时就需要将直流电能变换为交流电能回送电网，以实现电机制动。又如，运转中的直流电机，要实现快速制动，较理想的办法是将该直流电机作为直流发电机运行，并利用晶闸管将直流电能变换为交流电能回送电网，从而实现直流电机的发电机制动。一、有源逆变电路的工作原理（概念）相对于整流而言，逆变是它的逆过程，一般习惯于称整流为顺变，则逆变的含义就十分明显了。下面的有关分析将会说明，整流装置在满足一定条件下可以作为逆变装置应用。即同一套电路，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态，这样的电路统称为变流装置。变流装置如果工作在逆变状态，其交流侧接在交流电网上，电网成为负载，在运行中将直流电能变换为交流电能并回送到电网中去，这样的逆变称为“有源逆变”。如果逆变状态下的变流装置，其交流侧接至交流负载，在运行中将直流电能变换为某一频率或可调频率的交流电能供给负载，这样的逆变则称为“无源逆变”或变频电路。1.整流与逆变的关系图2-2两个电源间能量的传送(a)同极性连接E1E2;(b)同极性连接E2E1；(c)反极性连接RIE1E2(a)RIE1E2(b)RIE1E2(c)2.电源间能量的变换关系一、有源逆变电路的工作原理（概念）图(a)表示直流电源E1和E2同极性相连。当E1＞E2时，回路中的电流为REEI21式中R为回路的总电阻。此时电源E1输出电能E1I，其中一部分为R所消耗的I2R，其余部分则为电源E2所吸收的E2I。注意上述情况中，输出电能的电源其电势方向与电流方向一致，而吸收电能的电源则二者方向相反。RIE1E2(a)RIE1E2(b)RIE1E2(c)2.电源间能量的变换关系在(b)中，两个电源的极性均与图中相反，但还是属于两个电源同极性相连的形式。如果电源E2＞E1，则电流方向如图，回路中的电流I为REEI12此时，电源E2输出电能，电源E1吸收电能RIE1E2(a)RIE1E2(b)RIE1E2(c)2.电源间能量的变换关系在图(c)中，两个电源反极性相连，则电路中的电流I为REEI21此时电源E1和E2均输出电能，输出的电能全部消耗在电阻R上。如果电阻值很小，则电路中的电流必然很大；若R=0，则形成两个电源短路的情况。RIE1E2(a)RIE1E2(b)RIE1E2(c)2.电源间能量的变换关系综上所述，可得出以下结论：(1)两电源同极性相连，电流总是从高电势流向低电势电源，其电流的大小取决于两个电势之差与回路总电阻的比值。如果回路电阻很小，则很小的电势差也足以形成较大的电流，两电源之间发生较大能量的交换。(2)电流从电源的正极流出，该电源输出电能；而电流从电源的正极流入，该电源吸收电能。电源输出或吸收功率的大小由电势与电流的乘积来决定，若电势或者电流方向改变，则电能的传送方向也随之改变。(3)两个电源反极性相连，如果电路的总电阻很小，将形成电源间的短路，应当避免发生这种情况。2.电源间能量的变换关系图2-3直流卷扬系统(a)提升重物；(b)放下重物V1V2V3V4＋－udLdIdM－＋EDRa重物(a)V1V2V3V4＋－udLdIdM－＋EDRa重物(b)nn3.有源逆变电路的工作原理一、有源逆变电路的工作原理（概念）3.1整流工作状态（0＜α＜π/2）由第１章的学习已知，对于单相全控整流桥，当控制角α在0～π/2之间的某个对应角度触发晶闸管时，上述变流电路输出的直流平均电压为Ud=Udocosα，因为此时α均小于π/2，故Ud为正值。在该电压作用下，直流电机转动，卷扬机将重物提升起来，直流电机转动产生的反电势为ED，且ED略小于输出直流平均电压Ud，此时电枢回路的电流为REUIDdd3.有源逆变电路的工作原理3.2中间状态（α=π/2）当卷扬机将重物提升到要求高度时，自然就需在某个位置停住，这时只要将控制角α调到等于π/2的位置，变流器输出电压波形中，其正、负面积相等，电压平均值Ud为零，电动机停转（实际上采用电磁抱闸断电制动），反电势ED也同时为零。此时，虽然Ud为零，但仍有微小的直流电流存在。注意，此时电路处于动态平衡状态，与电路切断、电动机停转具有本质的不同。3.有源逆变电路的工作原理3.3有源逆变工作状态（π/2＜α＜π）上述卷扬系统中，当重物放下时，由于重力对重物的作用，必将牵动电机使之向与重物上升相反的方向转动，电机产生的反电势ED的极性也将随之反相。如果变流器仍工作在α＜π/2的整流状态，从上面曾分析过的电源能量流转关系不难看出，此时将发生电源间类似短路的情况。为此，只能让变流器工作在α＞π/2的状态，因为当α＞π/2时，其输出直流平均电压Ud为负，出现类似图2-2(b)中两电源极性同时反向的情况，此时如果能满足ED＞Ud，则回路中的电流为RUEIdDd3.有源逆变电路的工作原理电流的方向是从电势ED的正极流出，从电压Ud的正极流入，电流方向未变。显然，这时电动机为发电状态运行，对外输出电能，变流器则吸收上述能量并馈送回交流电网去，此时的电路进入到有源逆变工作状态。上述三种变流器的工作状态可以用图2-4所示波形表示。图中反映出随着控制角α的变化，电路分别从整流到中间状态，然后进入有源逆变的过程。图2-4直流卷扬机系统的电压电流波形(a)整流；(b)中间状态；(c)有源逆变0id0udu10u20u10u20EDtttttt0(a)0udu10u20u10u200idudu10u20u10u20id(b)ED0(c)现在应深入分析的问题是，上述电路在α＞π/2时是否能够工作？如何理解此时输出直流平均电压Ud为负值的含义?上述晶闸管供电的卷扬系统中，当重物下降，电动机反转并进入发电状态运行时，电机电势ED实际上成了使晶闸管正向导通的电源。当α＞π/2时，只要满足Ed＞|u2|，晶闸管就可以导通工作，在此期间，电压ud大部分时间均为负值，其平均电压Ud自然为负，电流则依靠电机电势ED及电感Ld两端感应电势的共同作用加以维持。正因为上述工作特点，才出现了电机输出能量，变流器吸收并通过变压器向电网回馈能量的情况。1）外部条件务必要有一个极性与晶闸管导通方向一致的直流电势源。这种直流电势源可以是直流电机的电枢电势，也可以是蓄电池电势。它是使电能从变流器的直流侧回馈交流电网的源泉，其数值应稍大于变流器直流侧输出的直流平均电压。4.有源逆变电路的工作条件2）内部条件要求变流器中晶闸管的控制角α＞π/2，这样才能使变流器直流侧输出一个负的平均电压，以实现直流电源的能量向交流电网的流转。上述两个条件必须同时具备才能实现有源逆变。必须指出，对于半控桥或者带有续流二极管的可控整流电路，因为它们在任何情况下均不可能输出负电压，也不允许直流侧出现反极性的直流电势，所以不能实现有源逆变。有源逆变条件的获得，必须视具体情况进行分析。例如上述直流电机拖动卷扬机系统，电机电势ED的极性可随重物的“提升”与“下降”自行改变并满足逆变的要求。对于电力机车，上、下坡道行驶时，因车轮转向不变，故在下坡发电制动时，其电机电势ED的极性不能自行改变，为此必须采取相应措施，例如可利用极性切换开关来改变电机电势ED的极性，否则系统将不能进入有源逆变状态运行。2020/1/134-22直流发电机—电动机系统电能的流转图aM电动运转，EGEM，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，EMEG，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，在工作中必须严防这类事故发生。c)b)a)MGMGMGEGEMIdR∑EGEMIdR∑EGEMIdR∑3.有源逆变电路的工作原理2020/1/134-23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a)b)图2-45R+-电能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEMiVT1iVT2iVT1iVT2iVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1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UdEM，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，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。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。3.有源逆变电路的工作原理2020/1/134-24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。（2）晶闸管的控制角π/2，使Ud为负值。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，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。2020/1/134-25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。•在可逆拖动系统中，通常采用两套变流器相互切换。2020/1/134-26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＋=2020/1/134-27二、单相桥式有源逆变电路1、变流器工作于整流状态（02）Ud0,E0，UdE，M工作于电动状态2020/1/134-282、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：E0（反极性），Ud0（反极性）且UdE2020/1/134-293、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。cos