第3章_4_有源逆变(电力电子技术)

3.7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13.7.1逆变的概念■什么是逆变？为什么要逆变？◆逆变（invertion）：把直流电转变成交流电的过程。◆逆变电路：把直流电逆变成交流电的电路。☞当交流侧和电网连结时，为有源逆变电路。☞变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，称为无源逆变。◆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。23.7.1逆变的概念图3-46直流发电机—电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EGEM，b）两电动势同极性EMEG，■直流发电机—电动机系统电能的流转◆M作电动运转，EGEM，电流Id从G流向M，电能由G流向M，转变为M轴上输出的机械能。◆回馈制动状态中，M作发电运转，EMEG，电流反向，从M流向G，M轴上输入的机械能转变为电能反送给G。33.7.1逆变的概念图3-46直流发电机—电动机之间电能的流转c）两电动势反极性，形成短路■直流发电机—电动机系统电能的流转◆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。◆两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向电动势低的，由于回路电阻很小，即使很小的电动势差值也能产生大的电流，使两个电动势之间交换很大的功率，这对分析有源逆变电路是十分有用的。43.7.1逆变的概念EM◆以单相全波电路代替上述发电机来分析☞电动机M作电动机运行，全波电路应工作在整流状态，的范围在0~/2间，直流侧输出Ud为正值，并且UdEM，交流电网输出电功率，电动机则输入电功率。图3-47单相全波电路的整流和逆变a)b)图2-45R+-电能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOwtwtIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOwtwtIdidUdEMEMiVT1iVT2iVT1iVT2iVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1交流电网输出电功率电动机则输入电功率53.7.1逆变的概念EM图3-47单相全波电路的整流和逆变a)b)图2-45R+-电能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOwtwtIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOwtwtIdidUdEMEMiVT1iVT2iVT1iVT2iVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1☞电动机M作发电回馈制动运行，由于晶闸管器件的单向导电性，电路内Id的方向依然不变，而M轴上输入的机械能转变为电能反送给G，只能改变EM的极性。63.7.1逆变的概念图3-47单相全波电路的整流和逆变☞为了避免两电动势顺向串联，Ud的极性也必须反过来，故的范围在/2~，且|EM||Ud|。才能把电能从直流侧送到交流侧,实现逆变。a)b)图2-45R+-电能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOwtwtIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOwtwtIdidUdEMEMiVT1iVT2iVT1iVT2iVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1电能的流向与整流时相反,M输出电功率,电网吸收电功率Ud可通过改变来进行调节，逆变状态时Ud为负值，逆变时在/2~间。73.7.1逆变的概念图3-47单相全波电路的整流和逆变☞在逆变工作状态下，虽然晶闸管的阳极电位大部分处于交流电压为负的半周期，但是由于外接直流电动势的存在，使晶闸管仍然能够承受正向电压而导通。a)b)图2-45R+-电能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOwtwtIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOwtwtIdidUdEMEMiVT1iVT2iVT1iVT2iVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT183.7.1逆变的概念◆根据上述分析，产生逆变的条件☞要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。☞要求晶闸管的控制角/2，使Ud为负值。☞两者必须同时具备才能实现有源逆变。◆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。9三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不同0/2时，电路工作在整流状态/2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问题把/2时的控制角用-=b表示，b称为逆变角而逆变角b和控制角的计量方向相反，其大小自b=0的起始点向左方计量103.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb=4b=3b=6b=4b=3b=6wt1wt3wt2图3-48三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形■逆变角（记住每个导通时段所对应开通的晶闸管）◆通常把/2时的控制角用-=b表示，b称为逆变角。◆b的大小自b=0的起始点向左方计量。◆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3-48所示。113.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态IIIddVT577.03IIIIddVT816.03222REUIMddPd=RId2+EMId■基本的数量关系◆三相桥式电路的输出电压Ud=-2.34U2cosb=-1.35U2Lcosb◆输出直流电流的平均值◆流过晶闸管的电流有效值◆从交流电源送到直流侧负载的有功功率为◆变压器二次侧线电流的有效值当逆变工作时，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。(3-105)(3-106)(3-107)(3-108)123.7.3逆变失败与最小逆变角的限制■逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，形成很大的短路电流，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。133.7.3逆变失败与最小逆变角的限制■逆变失败的原因（以C相换到A相为例）◆触发电路工作不可靠（A相触发），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，晶闸管不能正常换相，电源顺向串联。◆晶闸管发生故障（A相晶闸管故障），该断时不断，或该通时不通。◆交流电源缺相或突然消失（C相电源消失），。◆换相的裕量角不足，引起换相失败。14udOOidwtwtuaubucuaubpbgbggbbgiVT1iVTiVT3iVTiVT3223.7.3逆变失败与最小逆变角的限制udOOidwtwtuaubucuaubpbgbggbbgiVT1iVTiVT3iVTiVT322◆考虑变压器漏抗引起重叠角对逆变电路换相的影响☞以VT3和VT1的换相过程来分析，在bg时，经过换相过程后，a相电压ua仍高于c相电压uc，所以换相结束时，能使VT3承受反压而关断。图3-49交流侧电抗对逆变换相过程的影响153.7.3逆变失败与最小逆变角的限制udOOidwtwtuaubucuaubpbgbggbbgiVT1iVTiVT3iVTiVT322◆考虑变压器漏抗引起重叠角对逆变电路换相的影响☞当bg时，换相尚未结束，电路的工作状态到达自然换相点p点之后，uc将高于ua，晶闸管VT1承受反压而重新关断，使得应该关断的VT3不能关断却继续导通，且c相电压随着时间的推迟愈来愈高，电动势顺向串联导致逆变失败。图3-49交流侧电抗对逆变换相过程的影响163.7.3逆变失败与最小逆变角的限制udOOidwtwtuaubucuaubpbgbggbbgiVT1iVTiVT3iVTiVT322◆考虑变压器漏抗引起重叠角对逆变电路换相的影响☞为了防止逆变失败，不仅逆变角b不能等于零，而且不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。图3-49交流侧电抗对逆变换相过程的影响173.7.3逆变失败与最小逆变角的限制mUXIBdgsin21cos2mUXIBdgsin2)cos(cos2'mingb■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☞为晶闸管的关断时间tq折合的电角度,约4~5☞g为换相重叠角，可查阅相关手册，也可根据表3-2计算，即根据逆变工作时=-b，并设b=g，上式可改写成由此计算出g☞'为安全裕量角，主要针对脉冲不对称程度（一般可达5），约取为10。◆设计逆变电路时，必须保证，因此常在触发电路中附加一保护环节，保证触发脉冲不进入小于bmin的区域内。minbb(3-109)(3-110)(3-111)18本节需要重点掌握的内容逆变的概念：逆变、有源逆变；直流发电机—电动机系统电能的流转：三种状态；逆变的条件；有源逆变工作状态分析；逆变失败的原因分析。19作业•3-14•3-1520本章小结■可控整流电路：单相可控整流电路单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路单相全波可控整流电路、单相桥式半控整流电路三相可控整流电路三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路重点掌握：电路的电路拓扑结构；电路的电路带不同负载运行情况：基本工作原理、相关电压电流波形、功率器件所承受最大正反向电压、角的移相范围、导通角、分析与计算。2122直流侧电感A3A2交流侧电感IPMA1D7C5R2D1D4D3D6D5D2C1C2C3L1L3L2L4电压传感器电压传感器电网ACACAC电压传感器电流传感器主断路器QF主接触器KMF1F2F3熔断器(保险)交流侧电容C4整流二极管滤波电容续流二极管直流侧电容负载直流电流传感器