第三章-有源逆变电路..

第三章晶闸管有源逆变电路第一节有源逆变的工作原理第二节晶闸管直流可逆拖动的工作原理第三节绕线转子异步电动机串级调速与高压直流输电第四节晶闸管装置的功率因数、谐波与对电网的影响第一节有源逆变的工作原理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。2)直流发电机—电动机系统电能的流转图2-44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。•3)逆变产生的条件–单相全波电路代替上述发电机图2-45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)u10udu20u10aOOwtwtIdidUdEMu10udu20u10OOwtwtIdidUdEaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1（一）重物提升，变流器工作于整流状态大电感负截时，整流电压Ud=0.9U2cosα，电路状态与波形。Ud与E的箭头方向为规定正方向，两端正负号表示实际正负端。提升重物时电路输出功率，电动机工作在电动状态，电流Ｉd为如减小晶闸管的控制角α，则Ud增大瞬时引起Ｉd增大，电动机产生的电磁转矩亦增大，导致转速升高提升加快。随着转速升高电动机反电动势Ｅ＝ＣeФn亦增大，使电流Ｉd恢复到原来值，此时电动机稳定运行在较高转速。反之α增大则电动机转速减小。所以改变α可以方便地改变提升速度。（二）重物下放，变流器工作于逆变状态在整流状态，电流Ｉd由直流电压Ud产生，整流电压Ud的波形必须是正面积大于负面积。当重物下放时，电动机转速反向，产生的电动势E亦反向，对Ｉd来说反电动势变成正电动势。当控制角大于900时，尽管Ud波形中出现负面积大于正面积Ud变为负值，但由于E的作用，晶闸管仍能承受正压而导通。为了维持电流Ｉd流通，E在数值上必须大于反向的Ud值，电路状态与波形如下图所示，电流值从上述分析中，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。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。由上图可知电路工作在逆变时的直流电压可由积分求得公式与整流时一样，由于逆变运行时α900，cosα计算不方便，所以引入逆变角β，令α=1800-β，故逆变角为β时的触发脉冲位置可从α=1800（π）时刻前移（左移）β角来确定。有源逆变状态时各电量的计算：-REUId输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即bbcos35.1cos34.222UUUd--（2-105）每个晶闸管导通2/3，故流过晶闸管的电流有效值为：ddVTIII577.03（2-106）从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：dMddIEIRP2（2-107）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。（2-108）在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：ddVTIIII816.03222二、常用晶闸管有源逆变电路（一）三相半波有源逆变电路下图为三相半波电动机负载电路，电动机电动势E的极性符合有源逆变条件，当∣Ｅ∣∣Ｕd∣且β900时，可实现有源逆变。变流器直流电压为（二）三相全控桥有源逆变电路三相全控桥逆变电路与整流时一样分析，β＝300（α＝1500）时的ud电压波形，共阴极组管子触发换流时，由低阳极电压换到高阳极电压，所以在相电压波形中电压上跳；共阳极组管子触发换流时，由阴极电位高的管子换到阴极电位低的管子，电压波形下跳，ud电压波形如阴影线所示。管子电压波形与三相半波有源逆变电路相同。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。图2-46三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逆变失败（逆变颠覆）晶闸管变流电路工作在整流状态时，如果晶闸管损坏、触发脉冲丢失或快速熔断器烧断时，其后果至多是出现缺相，直流输出电压减小。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)逆变失败的原因三、逆变失败与逆变角的限制现以三相半波电路为例，见下图，当A相晶闸管ＶＴ1导通到ωt4时，在正常情况下Ｕg2触发ＶＴ2管换到B相导通。现由于Ｕg2丢失或ＶＴ2管损坏或B相快速熔断器烧断或B相缺相供电等原因，ＶＴ2管无法导通，ＶＴ1管不受反压无法关断，使ＶＴ1管沿着A相电压波形继续导通到正半周，如图中剖面线所示，使电源瞬时电压与Ｅ顺极性串联，出现很大的短路电流流过晶闸管与负载，这称为逆变失败或逆变颠覆。另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。由于存在换相重叠角γ，当βγ时，如上图放大部分，在ωt1时刻触发ＶＴ2管换相，由于β角太小，在过ωt2时刻（对应β=00）换流还未结束，此时A相电压uA已大于B相电压uB，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。换相重叠角的影响：图2-47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2-47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。udOOidwtwtuaubucuaubpbgbgagbbgiVT1iVTiVT3iVTiVT3222)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′（2-109）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。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-（2-110）（2-111）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。一、由晶闸管桥路供电、用接触器控制直流电动机的正反转当晶闸管桥路工作在整流状态，接触器KM1触点闭合时电动机正转；KM1断开KM2闭合时则电动机反转。当电动机从正转到反转时，为了实现快速制动与反转、缩短过渡过程时间以及限制过大的反接制动电第二节晶闸管直流可逆拖动的工作原理流，可将桥路触发脉冲移到α900，即工作在逆变状态。在初始阶段KM1尚未断开，在电抗器中的感应电动势作用下，电路进入有源逆变状态，将电抗器中的能量逆变为交流能量返送电网。二、采用两组变流桥的可逆电路常用的反并联电路。反并联可逆电路常用的有：逻辑无环流、有环流以及错位无环流三种工作方式，现分别叙述如下：（一）逻辑控制无环流可逆电路的基本原理当电动机磁场方向不变时，正转时由Ⅰ组桥供电；反转时由Ⅱ组桥供电，采用反并联供电可使直流电动机在四个象限内运行。电动机正转：第一象限工作，Ⅰ组桥投入触发脉冲，αⅠ900，Ⅱ组桥封锁阻断，Ⅰ组桥处于整流状态，电动机正向运转。（二）有环流反并联可逆电路的基本原理在实际运行中如能严格保持α=β，两组反并联的变流器之间是不会产生直流环流的。但是由于两组变流器的直流输出端瞬时电压值udI与udⅡ不相等，因此会出现瞬时电压差称为均衡电压uc亦称环流电压，在uc作用下产生不流经负载的环流电流，为限制环流电流必须串接均衡电抗器LC。在可逆系统中通常限制最大环流为额定电流的5%～10%。（三）错位无环流可逆电路的基本原理有环流系统必须配置均衡电抗器，增加了设备费用与损耗，为了不用均衡电抗器又能避免逻辑无环流系统切换控制复杂的缺点，出现一种错位无环流系统。逻辑无环流不产生环流的原因是工作时封锁一一组变流器的触发脉冲，而错位无环流是二组变流器都输入触发脉冲，只是适当错开彼此间触发脉冲的位置，使不工作的那一组晶闸管在受到脉冲时，阳极电压恰好为负值，使之不能导通，从而消除环流。第三节绕线转子异步电动机串级调速与高压直流输电一、绕线转子异步电动机晶闸管串级调速串级调速主电路如图所示，逆变电压Udβ为引入转子电路的反电动势，改变逆变角β即可改变反电动势大小，达到改变转速的目的。Ud是转子整流后的直流电压，其值为式中E20——转子开路线电动势（n=0）；S——电动机转差率。当电动机转速稳定，忽略直流回路电阻时，则整流电压Ｕd与逆变电压Udβ大小相等、方向相反。当逆变变压器TI二次线电压为U21时，则:斩波式逆变器串级调速原理框图如图中a所示。二、高压直流输电高压直流输电在跨越江河、海峡和大容量远距离的电缆输电、联系两个不同频率（50HZ与60HZ）的交流电网、同频率两个相邻交流电网的非同步并联等方面发挥重要作用，它能减少输电线中的能量损耗、提高输电效益以及增加电网稳定性和操作方便。随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的谐波(harmonics)和无功(reactivepower)问题日益严重，引起了关注。无功的危害：导致设备容量增加。使设备和线路的损耗增加。线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。谐波的危害：降低设备的效率。影响用电设备的正常工作。引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。导致继电保护和自动装置的误动作。对通信系统造成干扰。第四节晶闸管装置的功率因数、谐波与对电网的影响2）功率因数正弦电路中的情况电路的有功功率就是其平均功率：w20cos)(21UItuidP（2-59）视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI（2-60）无功功率定义为：Q=UIsin（2-61）功率因数l定义为有功功率P和视在功率S的比值：SPl（2-62）此时无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间有如下关系：222QPS（2-63）功率因数是由电压和电流的相位差决定的：l=cos（2-64）非正弦电路中的情况有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数仍由式定义。不考虑电压畸变，研究电压为正弦波、电流为非正弦波的情况有很大的实际意义。SPl非正弦电路的有功功率：P=UI1cos1（