电力电子技术第4章

电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日14.1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。整流与有源逆变的区别关键在于电能流动的方向电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日22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。4.1逆变的概念电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日33)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a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUdEMu10udu20u10OOwtwtIdidUdEMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1交流电网输出电功率电动机输出电功率单相全波整流和逆变动画4.1逆变的概念电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日4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。4.1逆变的概念电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日54.2三相有源逆变电路逆变和整流的区别：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。电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日6电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日7三相全控桥式整流电路在大L-R-E反电动势负载电流连续的情况下，Ud=Ud0cosa=2.34U2cosa,当a=/2~时，Ud为负值，可以实现有源逆变，吸收来自负载侧反电动势EM供出的能量，并且逆变到电网。为了实现有源逆变，Ud和反电动势EM都必须满足逆变条件所要求的极性和大小关系三相有源逆变状态波形分析：上半桥三只管的a角从各相的正半周自然换相点向右算起，而逆变角b从对应相的负半周自然换相点向左算起。下半桥的波形分析反之。•每组三相半波电路的三只管依次轮换导通120°,并且每触通一只SCR则将迫使前己导通的一只关断。•每周期同样分为6段波形分析。电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日8三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所示。图4-5三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=6wt1wt3wt24.2三相有源逆变电路动画电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日9有源逆变状态时各电量的计算：-REUIMdd输出直流电流的平均值亦可用整流的公式,即bbcos35.1cos34.222LdUUU--（4-1）每个晶闸管导通2/3，故流过晶闸管的电流有效值为：ddVTIII577.03（4-2）从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：dMddIEIRP2（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：ddVTIIII816.032224.2三相有源逆变电路电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日104.3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)逆变失败的原因电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日11换相重叠角的影响：图4-6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（从图4-6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。udOOidwtwtuaubucuaubpbgbgagbbgiVT1iVTiVT3iVTiVT3224.3逆变失败与最小逆变角的限制电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日122)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。4.3逆变失败与最小逆变角的限制电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日13g——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-（4-7）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。4.3逆变失败与最小逆变角的限制电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日144.4逆变工作状态时的直流电动机的机械特性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-RIEUdMdbcos0ddUU-ME)cos(0-RIUEddMb（4-9))cos(10-RIUCnddeb（4-10)图4-7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增大方向反向制动(逆变)正向电动(整流)正向制动(逆变)反向电动(整流)电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日152)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（3-65）、式（3-66）和式（3-68），便可得EM、n与Id的表达式。三相半波电路为例：ba-qqbqbtantan21)67sin()67sin(cos2ccMeeUE--------(4-11)qqbqbtantan2)67sin()67sin(cos2cceeMeeCUCEn-------(4-12)]2)67cos()67[cos(cos22322nUCZUIedqqbb----(4-13)4.4逆变工作状态时的直流电动机的机械特性电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日16逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：图4-7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。a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4.4逆变工作状态时的直流电动机的机械特性电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日174.5有源逆变电路应用举例直流可逆电力拖动系统图4-8两组变流器的反并联可逆线路图4-8a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电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日18两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。ba4.5有源逆变电路应用举例直流可逆电力拖动系统电力电子宋海辉PowerElectronicsTechnologyPowerElectronicsTechnology2020年2月16日19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