电力电子技术-3.7有源逆变

2-13.7整流电路的有源逆变工作状态3.7.1逆变的概念3.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态3.7.3逆变失败与最小逆变角的限制2-2IntroductionDc-to-acconvertersareknownasinverters.Thefunctionofaninverteristochangeadcinputvoltagetoasymmetricacoutputvoltageofdesiredmagnitudeandfrequency.Avariableoutputvoltagecanbeobtainedbyvaryingtheinputdcvoltageandmaintainingthegainoftheinverterconstant.Ifthedcinputvoltageisfixedanditisnotcontrollable,avariableoutputvoltagecanbeobtainedbyvaryingthegainoftheinverter,whichisnormallyaccomplishedbyPWMcontrolwithintheinverter.2-33.7.1逆变的概念1)什么是逆变？为什么要逆变？逆变（Invertion,Inversion）——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。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。2-43.7.1逆变的概念2)直流发电机—电动机系统电能的流转直流发电机—电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EGEMb）两电动势同极性EMEGc）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。电动回馈反接2-53.7.1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)u10udu20u10aOOwtwtIdidUdEMu10udu20u10OOwtwtIdidUdEMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1有源负载+uEd+--整流有源负载+uEd+--逆变2-6有源负载+uEd+--逆变3.7.1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a/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。2-73.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态逆变和整流的区别：控制角a不同0a/2时，电路工作在整流状态。/2a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/2时的控制角用-a=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。2-83.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态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。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起点触发点输出负电压，注意电流不能反向逆变角越小输出负压绝对值越大2-93.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态有源逆变状态时各电量的计算：ddUEIR-输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即bcos34.22UUd-每个晶闸管导通2/3，故流过晶闸管的电流有效值为：ddVTIII577.03从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：dMddIEIRP2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。在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：ddVTIIII816.03222每周期上管加下管电流均方根2-103.7.3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2-113.7.3逆变失败与最小逆变角的限制换相重叠角的影响：交流侧电抗对逆变换相过程的影响当bg时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。如果bg时，该通的VT1会关断，而应关断的VT3不能关断，最终导致逆变失败：变正的c相电源和反电势串联通过VT3短路。udOOidwtwtuaubucuaubpbgbgagbbgiVT1iVTiVT3iVTiVT322有源负载+uEd+--逆变有源负载+uEd+--逆变失败ac,可换相ac,换相失败,c管持续导通,进入整流状态,输出电压改变极性,形成短路电流E+u+--i正常逆变时E+u+--i逆变失败时2-123.7.3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′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。2-132.7.3逆变失败与最小逆变角的限制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%g220V800A240kV。A5%15~202)参照整流时g的计算方法mUXIBdgaasin2)cos(cos2-根据逆变工作时，并设，上式可改写成ba-gbmUXIBdgsin21cos2-这样，bmin一般取30~35。2-143.8晶闸管直流电动机系统3.8.1工作于整流状态时3.8.2工作于有源逆变状态时3.8.3直流可逆电力拖动系统2-153.8晶闸管直流电动机系统·引言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。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。2-162.8.1工作于整流状态时整流电路接反电势负载时，如果负载电流断续，对整流电路和电机的工作都很不利。三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形通常在电枢回路串一平波电抗器，保证整流电流在较大范围内连续。udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR2-172.8.1工作于整流状态时此时，整流电路直流电压的平衡方程为式中，。为电动机的反电动势负载平均电流Id所引起的各种电压降，包括：–变压器的电阻压降–电枢电阻压降–由重叠角引起的电压降晶闸管本身的管压降，它基本上是一恒值。系统的两种工作状态：电流连续工作状态电流断续工作状态UIREUdMd23BMBXRRRMEdIRBdRIMdRI)2(3dBIXU2-183.8.1工作于整流状态时转速与电流的机械特性关系式为1)电流连续时电动机的机械特性在电机学中，已知直流电动机的反电动势为nCEeM可根据整流电路电压平衡方程式（2-112），得UIRUEdM--acos17.12edeCUIRCUn-acos17.12三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性其机械特性是一组平行的直线调节a角，即可调节电动机的转速。Ona1a2a3a3a2a1Id(RB+RM+)IdCe3XB2三相半波2-193.8.1工作于整流状态时2)电流断续时电动机的机械特性当负载减小时，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。电动机的实际空载反电动势都是时为：主电路电感足够大，可以只考虑电流连续段，完全按线性处理。当低速轻载时，可改用另一段较陡的特性来近似处理，等效电阻要大一个数量级。60a22U60a)3cos(22a-U当Id减小至某一定值Idmin以后，电流变为断续，这个是不存在的，真正的理想空载点远大于此值。0E电流断续时电动势的特性曲线断续区特性的近似直线断续区连续区EE0E0'OIdminId(0.585U2)(U2)2021.17cos60UudOwtuaubucaudEuduaubucudE600=600600理想空载转速对应最大电压降低为U2maxcos(a-2-203.8.1工作于整流状态时电流断续时电动机机械特性的特点：电流断续时电动势的特性曲线电流断续时理想空载转速抬高。机械特性变软，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。随着a的增加，进入断续区的电流值加大。断续区特性的近似直线断续区连续区EE0E0'OIdminId(0.585U2)(U2)2Oa3a2a1Id分界线断续区连续区a5a4E0E考虑电流断续时不同a时反电动势的特性曲线a1a2a360，a5a4602-213.8.2工作于有源逆变状态时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-RIEUdMdbcos0ddUU-ME)cos(0-RIUEddMb)cos(10-RIUCnddeb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=2a'=b'=2b'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2-222.8.2工作于有源逆变状态时2)电流断续时电动机的机械特性[略]可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，把代入可得EM、n与Id的表达式。三相半波电路为例：ba-tan2tan77sin()sin()662cos1cMceEUeqqbqb--------tan2tan77sin()sin()2cos66cMceeeEUnCCeqqbqb-------223277[cos()cos()]2cos662edCUInZUbbqq----2-233.8.2工作于有源逆变状态时逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：电动机在四象限中的机械特性第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=2a'=b'=2b'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。2-243.8.3直流可逆电力拖动系统图2-53两组变流器的反并联可逆线路图