第4章 有源逆变电路

第四章有源逆变电路••在实际应用中，有些场合需要将交流电变为直流电，这就是前面研究的整流电路，即:交流电——整流器——直流电——用电器，电器，这个过程称为整流。•而有些场合则需要将直流电变成交流电，即:直流电——逆变器——交流电——用电器(电网)。这个过程称为逆变。•在一定条件下，一套晶闸管电路既可作整流也可作逆变，这种装置称为变流装置或变流器。•••逆变电路又分为有源逆变与无源逆变电路。•有源逆变过程：直流电——逆变器——交流电——交流电网，这种种将直流电变成和电网同频率的交流电并返送到交流电网去的过程称为有源逆变。•无源逆变过程为:直流电——逆变器——交流电（频率可调）——用—用电器，这种将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电直接供给负载应用的过程称为无源逆变。•有源逆变在生产上应用很多，如直流电动机的可逆调速、绕线转子型异步电动机的串级调速、高压直流输电等。本章主要研究有源逆变。•第一节有源逆变电路•一、直流发电机一电动机系统功率的传递•图4一1所示为直流发电机——电动机系统。电机励磁回路均未未画出，控制发电机G电动势的大小与方向可实现直流电动机M的四象限的运行。图4-1直流发电机-电动机的功率传递•由上面的讨论，可归纳出如下几点:•(1)两个电源同极性相连时，电流从电动势高的电源正极流向电动势低的电源正极，电流大小由两个电动势之差与回路的总电阻决定。如果回路电阻很小，那么很小的电动势差也可以产生足够大的电流，使两个电源之间交换很大的功率。•(2)电流从电源的正端流出，则该电源输出功率;从电源的正端流入，则该电源吸收功率。•(3)两个电源反极性相连时，回路电流由两电动势之和与回路的总电阻决定，这时两个电源都输出功率，功率消耗在电阻上，如电阻很小，电流很大，相当于短路。•二、有源逆变的工作原理•用晶闸管整流电路替代直流发电机，由单相全波可控整流电路供电的直流电动机带动卷扬机，并串接大电感。为便于分析忽略变压器漏抗与晶闸管正向压降，Ld,Rd分别为电路总电感与总电阻，现以卷扬机提升与下降重物两种工作情况为例来进行分析。•(一)重物提升，变流器工作于整流状态•由单相全波整流的分析可知，大电感负载在整流状态时Ud=0.9U2cosα，控制角α的移相范围为0°~90°，电路状态与波形如图4-2(a)所示.图中Ud与E的箭头方向为规定的正方向，电压箭头为高电位到低电位，电动势则相反，是由低到高，而两端正负号表示Ud与E的实际正负端。电动机工作在电动状态UdE，变流器才能输出直流功率.电流值Id为图4-2全波电路的整流和逆变（a）α=45°；β=45°•因Ra阻值很小，其电压也很小，因此Ud≈E。电流Id从Ud的正端流出，从电动机反电动势E的正端流人，故由交流电源经变流器输出电功率，直流电动机吸收电功率并将其转换为轴上的机械功率以提升重物。如在提升运行中突然使晶闸管的控制角α减小，则Ud增大，瞬时引起电流Id增大，电动机产生的电磁转矩也增大，因电动机轴上重物产生的阻转矩不变，所以电动机转速升高，提升加快。随着转速的升高，电动机的反电动势E=Ceφn也增大，使Id恢复到原来的数值，此时电动机稳定运行在较高转速。反之α增大，电动机转速减小所以改变晶闸管的控制角.可以很方便地对电动机进行无级调速，从而改变提升的速度。•当α增大到某值如α3值，如图4一3所示，如此时电动机转矩M1恰好与负载转矩相等，则电动机稳定在n=0处a点。如图4一3中曲线①，这相当干整流器供电给电阻和电感，仍运行在整流状态。如α再增大到90°，如图4-3中曲线②，则电动机转矩小于负载转矩，于是在重物作用下电动机反转，E改变方向，E使Id增加，最后稳定在b点，此时电动机运行在能耗制动状态，向整流器输出的平均功率为零。图4-3整流逆变时的机械特性•(二)重物下放，变流器工作于逆变状态•为了使重物能匀速下降，直流电动机必须作发电制动运行。在直流发电机电动机系统中，由于电流的流向不受限制，所以功率反方向传递十分方便。但对于晶闸管电路，由于元件具有单向导电性，电流方向不能改变。因此要改变功率的传递方向，只有改变电压的极性。由于重物由提升改变为下放，电动机的转速与电动势E已变为上负下正。为了不使E与Ud顺向串联形成短路，变流器直流侧电压Ua也必须反过来，变成上负下正•为什么在这种情况下变流器直流侧Ua会变为负值呢?原来在可控整流时，电流Id只能由直流电压Ud产生，ud的波形必须正面积大于负面积，才能使平均电压Ud大于0，产生Id现在的情况与整流不同，在变流器直流侧存在与同方向的电动势E，当控制角α增大到大于90°时，尽管品闸管的阳极电位处于交流电压大部分为负半周的时刻，但由于E的作用，晶闸管仍能承受正压而导通。因此，只要E在数值上大于Ud.变流器在触发脉冲作用下，晶闸管仍能轮流导通180°，维持Id流通。波形如图4一2(b)所示，ud波形由于负面积大于正面积，平均电压Ud小于0。这种状态，在Ud与E在规定正方向不变时.直流电流为•由于Ud与E的实际方向与规定的正方向相反，故•E是产生Id的电动势，而Ud却起着反电动势的作用，功率传递关系是：电动机由重物下降带动，发出直流电功率，变流器将直流电功率逆变为50Hz交流电反送到电网，这就是有源逆变工作状态。•由于逆变时电流Id方向未变(也不可能变)，电动机产生的电磁转矩的方向也不变，但电动机转向反了，所以电磁转矩变成制动转矩，防止重物下落加速。当卷扬机下放重物时。•可调节α到大于90°的某值，同时电磁抱闸通电松开，这时电动机在重物下降的带动下反转并逐渐加速，产生的电动势E也逐渐增大。当电动机加速到一定转速使EUd时，回路中有电流Id流过，电动机产生制动转矩。当制动转矩增大到与重物产生的机械转矩相等时，重物保持匀速下降。因此当控制角α在90°~180°范围内变化时，可以很方便地改变卷扬机重物下降的速度。•由图4一2(b)中波形可见，变流器在逆变时的直流电压可由积分求得，有•公式与整流时一样。由于逆变运行时α90°，cosα计算不太方便，于是引入逆变角β，令α=π-β，用电度表表示时为α=180°-β，所以•逆变角β时的触发脉冲位置可从α=π（180°）时刻前移（左移）β角来确定。•••通过上面的分析，可以总结有源逆变的工作原理为以下两点：•(1)在有源逆变时，一周期内晶闸管导通的时间中，直流侧负电压的时间长，即电压波形负面积大于正面积(Ud0)，所以直流平均功率的传递方向是由电动机返送到交流电源;而整流时则相反，为正面积大于负面积(Ud0)，直流平均功率的传递方向是交流电源经变流器送到直流负载。所以同一套变流装置当α90°(β90°)时可工作在整流状态;当β90°(α90°)时工作于逆变状态，当β=α=90°时，交直流侧无直流能量交换(交流能量还有交换)。与整流时一样，为了保持逆变电流连续，逆变电路都串接大电抗。•（2）实现有源逆变的条件有以下两个:•1）直流侧必须外接与直流电流Id同方向的直流E，其数值要稍大于Ud，才能提供逆变能量。•2)变流器必须工作在β90°(α90°)区域，使Ud0，才能把直流功率逆变为交流功率返送电网。•以上两个条件，缺一不可。由于半控桥式晶闸管电路或有续流二极管的电路，不可能输出负电压，也不允许直流接上反极性的直流电源，故不能实现有源逆变。•第二节三相有源逆变电路•单相全控桥式电路工作在有源逆变的工作情况与单相全波时基本情况相同，而在实际生产中最为常见的有源逆变电路有三相半波与三相全控桥有源逆变电路。•一、三相半波有源逆变电路•图4-4（a）所示为三相半波有源逆变主电路图，电动机电动势E的极性具备有源逆变的条件，当β90°，时，可以实现有源逆变。变流器直流侧电压计算公式为图4-4三相半波逆变电路••逆变时元件两端电压波形画法与整流时一样，图4一4(c)所示为VT1管电压uVT1的波形，一个周期内120°导通，接着120°内由于VT2管导通，VT1管承受uUV电压，最后120°内由于VT3管导通，VT1管承受uUW电压.从管子电压波形可见，整流时总是负面积大于征面积，α=90°时正负面积相等；逆变时总是正面积大于负面积，β=0°时正面积最大.当α=β时，整流与逆变管子电压波形形状一样。•在逆变状态电流连续时，保持电动机励磁磁通通不变，改变β或α可得到一组机械特性曲线族，如图4一3中横轴以下部分所示。逆变状态的机械特性的特点是:负载增加也就是电枢电流增加时转速增加，这是由于逆变时电动机工作在发电制动状态，产生的电磁转矩是制动转矩相应增大，使之与增大了的负载转矩达到新的平衡，这样电动机就稳定运行在较高转速。二、三相全控桥有源逆变电路•三相全控桥逆变电路工作与整流时一样，要求每隔60°依次触发管子导通120°，触发脉冲必须是窄双脉冲或宽脉冲，•第三节逆变失败与最小逆变角的限制•一．逆变失败的原因（逆变失败也称为逆变颠覆）•1、晶闸管工作在有源逆变状态时，当发生晶闸管损坏、触发脉冲丢失或快熔烧断时，就会出现逆变失败。•2、一种经常导致逆变失败的原因是逆变电路工作时逆变角β太小·由于整流变压器存在漏抗因而存在换相重叠角γ，当βγ时，如图4一6中的放大部分所示，正常工作时在ωt1时刻触发VT2管VT1关断，VT2导通，完成VT1到VT2的换相。由于β角太小，在过ωt2时刻(对应β=0°)换流还未结束，此时U相电压uU已大于V相电压uV，使VT1管仍承受正压而继续导通，VT2管导通短时间后又受反压关断，相当于Ug2脉冲丢失，而造成逆变失败。图4-6有源逆变环流失败波形•二、最小逆变角的确定及限制•根据上述各种逆变失败原因的分析，可以总结出这样一条规律:为了保证逆变能正常工作，除了选用可靠的触发器不丢失脉冲外，同时对触发脉冲的最小逆变角βmin，必须要有严格的限制。•〔一)最小逆变角βmin的确定•要保证在电压换相点之前完成换相，触发脉冲必须有超前的电角度，即最小逆变角βmin应根据下面的因素来考虑。•（1）换相重叠角γ。由于整流变压器存在漏抗，因而晶闸管在换相时存在换相重叠角γ，如图4-6所示。在γ期间，两晶闸管都导通，也就是在此期间晶闸管换相尚未成功。如果βγ，则在ωt2，β=0°处换相没有结束，一直延至ωt3时刻，此时uUuV，即VT1晶闸管管不断，VT2管不能导通，逆变失败。γ随电路形式、工作电流大小的不同而不同，一般考虑γ为15°~25°电角度。•(2)晶闸管关断时间所对应的电角度δ0。晶闸管本身由通态到关断也需要一定的时间，这由管子自身的参数决定。一般tq需200~300μs，对应的电角度为3.6°~5.4°。•(3)安全裕量角θ。由于触发器各元件的工作状态〔例如受温度影响)会发生变化，使触发脉冲的间隔出现间隔不均匀现象，即触发脉冲不对称现象。这样就可能出现间隔距离大的那相触发脉冲延迟后，造成晶闸管不能顺利换相。再考虑到电源电压波动、波形畸变与温度等影响，还必须留一个安全裕量角，一般取θ为10°左右。•综上所述，最小逆变角为