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第3章直流-交流变换电路机械工业出版社本章要点有源逆变电路、有源逆变的条件、逆变失败与最小逆变角的限制;无源逆变电路、变频器概述;交-直-交变频器、电压型和电流型变频器、变频器180度和120度导电规则的原理与分析;SPWM变频(电压正弦PWM、电流正弦PWM、磁通正弦PWM)的原理与分析。3.1逆变的概念逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。按负载性质的不同,逆变分为有源逆变和无源逆变。1)有源逆变——可控整流电路工作在逆变状态,把该电路的交流侧接到交流电源上,把直流电逆变成与交流电源同频率的交流电返送到电源。2)无源逆变或变频——可控整流电路的交流侧不与电源联接,而直接接到无源负载。3.2有源逆变电路3.2.1单相双半波有源逆变电路1、电路结构M2u2u1VT2VTLdiERdu+-+-电能dugu2u000tttdUEM2u2u1VT2VTLdiERdu+-+-电能dugu2u000tttdUE图3-12、工作原理1)整流状态(0≤α﹤90°)当α等于零时,输出电压瞬时值ud在整个周期内全部为正;当90°α0时,ud在整个周期内有正有负,但正面积总是大于负面积,故平均值Ud为正值,其极性是上正下负,如上图a。通常Ud略大于E,此时电流Id从Ud的正端流出,从E的正端流进。电机M吸收电能,作电动运行,电路把从交流电网吸收的电能转变成直流电能输送给电动机,电路工作在整流状态,电机M工作在电动状态。2)逆变状态(90°﹤α≤180°)逆变是将电机吸收的直流电能转变成交流反馈回电网。由于晶闸管的单向导电性,负载电流Id不能改变方向,只有将E反向,即电机作发电运行才能回馈电能;为避免Ud与E顺接,此时将Ud的极性也反过来,如上图b示。要使Ud反向,α应该大于90°。当α在90°﹤α≤180°间变动时,输出电压瞬时值ud在整个周期内有正有负,但负面积大于正面积,故平均值Ud为负值,见上图b所示。此时E略大于Ud,电流Id的流向是从E的正端流出,从Ud的正端流入,逆变电路吸收从电机反送来的直流电能,并将其转变成交流电能反馈回电网,这就是该电路的有源逆变状态。(a)α=60°的整流状态(b)α=120°的逆变状态单相双半波电路α=60°的整流和α=120°的逆变时的仿真波形要使整流电路工作在逆变状态,必须满足两个条件:1)变流器的输出Ud能够改变极性(内部条件)。由于晶闸管的单向导电性,电流Id不能改变方向,为实现有源逆变,必须改变Ud的极性。即让变流器的控制角α>90°即可。2)须有外接的提供直流电能的电源E。E也要能改变极性,且有(外部条件)。3、逆变角β逆变状态时的控制角称为逆变角β,规定以α=π处作为计量β角的起点,大小由计量起点向左计算。满足如下关系:dUE3.2.2逆变失败与最小逆变角的限制1、逆变失败可控整流电路运行在逆变状态时,一旦发生换相失败,电路又重新工作在整流状态,外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路,使变流器的输出平均电压Ud和直流电动势E变成顺向串联,由于变流电路的内阻很小,将出现很大的短路电流流过晶闸管和负载,这种情况称为逆变失败,或称为逆变颠覆。造成逆变失败的原因:(1)触发电路工作不可靠。不能适时、准确地给各晶闸管分配触发脉冲,如脉冲丢失、脉冲延时等。(2)晶闸管发生故障。器件失去阻断能力,或器件不能导通。(3)交流电源异常。在逆变工作时,电源发生缺相或突然消失而造成逆变失败。(4)换相裕量角不足,引起换相失败。应考虑变压器漏抗引起的换相重叠角、晶闸管关断时间等因素的影响。交流侧电抗对逆变换相过程的影响BLBLBLuvw1VT2VT3VT+-dudiMMEL01VTi2VTi3VTi0Ptdutdi1VTi2VTi3VTi2VTi3VTi图3-32、最小逆变角β确定的方法最小逆变角β的大小要考虑以下因素:1)换相重叠角γ。此值与电路形式、工作电流大小、触发角大小有关。即根据α=π-β,设β=γ,则:2)晶闸管关断时间tq所对应的电角度δ。折算后的电角度约4度~5度;mUXIsin2)cos(cos2BdmUXIsin21cos2Bd3)安全裕量角θ′。考虑到脉冲调整时不对称、电网波动、畸变与温度等影响,还必须留一个安全裕量角,一般取θ′为10度左右。综上所述,最小逆变角为:为了可靠防止β进入βmin区内,在要求较高的场合,可在触发电路中加一套保护线路,使β在减小时不能进入βmin区内,或在βmin处设置产生附加安全脉冲的装置,万一当工作脉冲进入βmin区内时,由安全脉冲在βmin处触发晶闸管,防止逆变失败。00'min35~303.2.3有源逆变的应用——两组晶闸管反并联时电动机的可逆运行下图为两组晶闸管反并联电路的框图。设P为正组,N为反组,电路有四种工作状态。4-5M+-+-+-PNd2IdIdβUEdαUM+-+-+-PNd1IdIdβUEdαU(1)正组整流上左图为正组整流工作状态。设P在控制角α作用下输出整流电压Udα,加于电动机M使其正转。当P组处于整流工作状态时,反组N不能也工作在整流状态,否则会使电流Id1不经过负载M,而只在两组晶闸管之间流通,这种电流称为环流,环流实质上是两组晶闸管电源之间的短路电流。因此,当正组整流时,反组应关断或处于待逆变状态。所谓待逆变,就是N组由逆变角β控制处于逆变状态但无逆变电流。要做到这一点,可使。这样,正组P的平均电流供电动机正转,反组N处于待逆变状态。由于,故没有平均电流流过反组,不产生真正的逆变。dαdβUUdαdβUU(2)反组逆变当要求正向制动时,流过电动机M的电流Id必须反向才能得到制动力矩,由于晶闸管的单向导电性,这只有利用反组N的逆变。为此,只要降低且使,则N组产生逆变,流过电流Id2,电机电流Id反向,反组有源逆变将电势能E通过反组N送回电网,实现回馈制动。(3)反组整流N组整流,使电动机反转,其过程与正组整流类似。(4)正组逆变P组逆变,产生反向制动转矩,其过程与组反逆变类似。dβU)(dαdβUUE3.3无源逆变(变频)电路3.3.1变频器概述将电网提供的恒压恒频CVCF(ConstantVoltageConstantFrequency)交流电变换为变压变频VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)交流电供给负载”的过程称为变频,实现变频的装置叫变频器。变频器:交-交变频器交-直-交变频器1、交-交变频器工频交流电直接变换成不同频率交流电,不通过中间直流环节,又称直接变频器或周波变换器(Cycloconverter)。没有中间直流环节,仅用一次变换实现变频,效率高。交-交变频器的主要构成环节。交-交变压变频ACCVCFACVVVF~50Hz图6-8交交变频器的主要构成环节2、交-直-交变频器先把交流电转换为直流电,经中间滤波环节后,再把直流电逆变成变压变频的交流电,又称为间接变频器。主要构成环节如图a所示。1)用可控整流器调压、用逆变器调频输入:晶闸管可控整流,功率因数低;输出:晶闸管三相六拍逆变器,输出谐波较大。2)用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频输入:不可控整流器,只整流不调压,斩波器脉宽调压,输入功率因数高;输出:逆变环节谐波较大。3)用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器调压调频输入:不可控整流器,输入功率因数高;输出:用PWM逆变,则输出谐波可以减少。输出波形非常逼近正弦波。3、电压型、电流型交-直-交变频器比较根据交-直-交变频器的中间滤波环节是采用电容性元件或是电感性元件,可以将交-直-交变频器分为电压型变频器和电流型变频器两大类。电压型变频器:中间直流环节采用电容滤波元件。电流型变频器:中间直流环节采用电感滤波元件。(1)交-直-交电压型变频器直流环节:大电容,输出电压波形平直(矩形或阶梯波)-----恒压源性质-----电压型变频器;采用二极管整流,输出采用GTR的六拍逆变。IM2VT6VD4VD2VD6VT4VT整流器逆变器图4-8三相桥式电压型交直交变频器图3-5(2)交-直-交电流型变频器直流环节:大电感,输出电流平直(矩形波或阶梯波)-----恒流源性质-----电流型变频器。L1VT2VT3VT5VT6VT4VT图4-9三相桥式电流型交-直-交变频器(3)交-直-交电压型和电流型变频器比较1)无功能量的缓冲电压型:电容储能;电流型:电感储能。2)调速时的动态响应电流型:直流电压可迅速改变,动态响应比较快;电压型:直流电压不可改变,动态响应慢。3)适用范围电压型:多电机同步运行,不可快速加减速。电流型:单电机传动,可快速起制动和可逆运行。4)回馈制动电流型变频器-----电动:UR整流α90°、CSI逆变,如图a所示;回馈制动:UR有源逆变α90°,Ud反向,CSI整流,电机发电,电流Id方向不变。如图b。电压型变频器——电动:与上同;制动:电容电压极性不能反向,无法回馈制动。只可用能耗制动或反并联另一组反向整流器,并使其工作在有源逆变状态,以通过反向制动电流,实现回馈制动。电流型变频调速系统的电动和回馈制动两种运行状态~URCSIM3~p+-dLdIdUeT090rs整流逆变电动(a)+-r~URCSIM3~p+-dLdIdUeT090rs有源逆变整流发电(b)-+r3.3.2无源逆变(变频)电路的原理1、单相半桥逆变电路1VT2VT1VD2VD0iUZN++dU1C2C(a)电路驱动1VT2VT驱动2VT导通导通1VT1VT2VT1VD2VD1VT2VT1VD2VD0i0i0i2TT(b)电压波形4TT43T(c)电阻负载电流波形MIRL0000d21UtttMI(d)电感负载电流波形t(e)RL负载电流波形UNu图3-82、单相全桥逆变电路1VT1VD2VT3VT4VT2VD3VD4VDdUUVZ0i驱动1VT4VT、、驱动2VT3VT驱动1VT4VT、1VD2VD3VD4VD1VT2VT3VT4VT1VD4VD1VT4VT2VD3VD2VT3VT(a)负载电压(b)电阻负载电流波形(c)电感负载电流波形(d)RL负载电流波形0i0i0iUVu0000ttttdU4T2T43TT图3-93、三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路如下图所示。三相桥式逆变电路:180°导电型交-直-交电压型120°导电型交-直-交电流型1VT1VD2VT3VT4VT5VT6VT2VD3VD4VD5VD6VDdUUVWUiViWi图3-103.3.3180度导电型的交-直-交电压型变频器6个晶闸管按一定的规则通断,将Cd送来的直流电压Ud逆变成频率可调的交流电。调压靠前级的可控整流电路完成。dU+dC1VD2VD3VD4VD1VT2VT4VTURL1L4UC1C46VD3VTVR6VTC3C6L3L6VWC2C55VD5VTL5L2UZVZWZ0WR1、主电路组成图3-11主电路=整流器+滤波电容+晶闸管逆变器整流器:单相或三相整流电路。滤波电容:Cd。逆变器:VT1~VT6主晶闸管;VD1~VD6续流二极管;RU、RV、RW为衰减电阻;L1~L6为换流电感;C1~C6为换流电容;ZU、ZV、ZW三相对称负载。2、晶闸管导通规则及输出波形分析逆变器一个周期中:(1)6个晶闸管的导通顺序为:VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1,则各晶闸管的触发间隔为60°。(2)每组晶闸管触发间隔为120°。每相晶闸管触发间隔为180°。(3)按顺序,晶闸管触发间隔为60°,每个晶闸管维持导通180°后关断(180°导电型)。6个晶闸管在360°区间里的导通情况如下表。(1)逆变器中晶闸管的导通情况(180°电压型)晶闸管区间00~600~1200~1800~2400~3000~3600VT1导通导通导通╳╳
本文标题:有源逆变电路
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