電力電子技術講義B

1、第4章 有源逆變電路,4.1有源逆變的工作原理 4.2有源逆變電路的應用 4.3變流裝置的功率因素及其對電網(wǎng)的影響 4.4變流裝置的觸發(fā)電路,4.1有源逆變的工作原理,直流電,逆變器,交流電,有源逆變,無源逆變,電網(wǎng),用電設備,有源逆變應用：直流電動機可逆拖動， 線繞式異步電動機串級調速，直流輸電,4.1.1工作原理,1,2,M,VT1,0,VT2,L,重物,重物上升，變流器為電機提供能量，電機工作在電動狀態(tài)； 重物下降，電機工作在發(fā)電狀態(tài)，變流器吸收電機提供能 量，送回電網(wǎng),仿真模型 f41.mdl,RM,M,Ud,id,功率,發(fā)電機狀態(tài),E,RM,M,Ud,id,功率,電動狀態(tài),E,整流（

2、,逆變（,RM,M,Ud,id,短路,發(fā)電機狀態(tài),E,整流與逆變的比較,短路（不允許,4.1.2逆變條件,要有給晶閘管正向電壓的外部直流電源E，且EUd 變流器工作在的區(qū)域（輸出負電壓,逆變角 整流Ud=Udocos () 逆變Ud=-Udocos (,逆變電路：單/三相半波；單/三相全控橋。 （有或相當于有續(xù)流二極管的電路因無法 輸出負電壓，不能做為逆變電路,逆變角的定義,逆變電路的要求,又稱變流器 （既能整流又能逆變,仿真模型 f411.mdl,4.1.3逆變失敗與逆變角的限制,VT2脈沖丟失,逆變失敗的原因 觸發(fā)電路不可靠（脈沖丟失或延時） 晶閘管故障 交流電源異常（缺相或丟失） 逆變角

3、太小,Ud與E順向連接造成短路,逆變失敗相當于短路，將損壞變流裝置 （整流失敗只會使輸出電壓缺相,逆變角的限制,4.2有源逆變電路的應用,4.2.1直流電動機可逆拖動系統(tǒng),一組變流器供電，接觸器控制正反轉,M,Ud,接觸器動作慢,壽命短,且切換需要控制,K1,K2,K1,K2,兩組變流器供電,Lc3,Lc4,L,M,M,M,L,U,V,W,O,1,2,三相半波,U,V,W,U,V,W,三相橋式,1,2,反并連接,1,2,M,L,1,2,M,L,1,2,M,L,1,2,M,L,1,2,n,T,id,id,id,Text,id,四象限運行圖,正轉整流 電動運行,反轉整流 發(fā)電運行,反轉整流 電動運

4、行,正轉逆變 發(fā)電運行,有源逆變產生制動轉矩， 實現(xiàn)快速制動,工作方式,邏輯無環(huán)流工作方式 1/2組不同時工作無環(huán) 流（無需笨重的電抗器限制 環(huán)流） 根據(jù)直流電動機的轉向 （E的極性）及零電流 （Id=0）作出邏輯判斷， 按要求控制1/2兩組變流器 的工作狀態(tài),M,L,1,2,id,環(huán)流,環(huán)流：不經負載， 徒增器件電流負擔,工作方式 Uc=0 =90n=0 Uc(Uc0)(Ud=Ud ) 1組整流， 2組待逆變(1組脈沖左移，2組脈沖右移） 電機正轉；此時若要降低正轉轉速，只須降低 Uc，則2組逆變，1組待整流，轉速下降后， 1組重新進入整流狀態(tài),Ud=Ud （）（平均值相等）無直流 環(huán)流,

5、udud (瞬時值不等）有交流環(huán)流 串環(huán)流電抗器抑制交流環(huán)流 環(huán)流電抗器采用對稱串入正反兩組變流器，因 為總有一組變流器流過直流電流，會造成電抗 器鐵芯飽和，電感量下降。 Lc 的大小以將環(huán)流限制在3% 5 %Id即可,應將此波形加一負號（使參考方向相同）， 又因使用相同電源，故應前移180后比較,udud (瞬時值不等）有交流環(huán)流,錯位無環(huán)流工作方式 錯位無環(huán)流是二組變流器都輸入脈沖， 但二組脈沖彼此錯開，使不工作一組 所受到脈沖的晶閘管的陽極電壓恰好 為負，從而消除環(huán)流,4.2.2繞線轉子異步交流電動機的串級調速系統(tǒng),Udb,U dB,U2l(線電壓,電路原理圖,電動機轉動時，轉子感應電壓

6、的頻率較高， 頻敏電阻器等效電阻較大，限制啟動電流,調速原理,4.3變流裝置的功率因數(shù)及其對電網(wǎng)的影響,4.3.1變流裝置的功率因數(shù),以單相全波電路大電感負載電路為例,變流裝置的功率因數(shù)隨移相角 而變化,產品銘牌上的功率因 數(shù)指額定工作條件下的數(shù)據(jù),4.3.2提高功率因數(shù)的方法,i1,C,SCR,u1,id,Ic,U1,I1,Id,ic,1接入補償電容,LC濾波，去除高頻諧波,2電感電容諧振補償法,提高的方法,降低的方法,Ud1,Ud2,_,Ud,M,_,Ud=Ud1+Ud2(輸出電壓高時,各裝置工作在小角度,Ud1,Ud2,_,Ud,M,_,Ud=Ud1-Ud2(輸出電壓低時,小角工作,小角

7、及小角工作,4.3.3變流裝置對電網(wǎng)的影響,變流裝置,產生諧波電流,諧波污染源,電網(wǎng)內部產生諧波電壓,降低電網(wǎng)質量,通信線路雜音,電機噪音,附加溫升,絕緣電壓,4.4變流裝置觸發(fā)電路,主變壓器,同步變壓器,us,Uc,觸發(fā)電路,負載,ug,同步電壓us:保證觸發(fā)脈沖與晶閘管有相同參考相位,控制電壓Uc：用于移相，改變a角,us與Uc共同控制觸發(fā)脈沖的位置。根據(jù)us的不同， 觸發(fā)電路包括正弦波觸發(fā)電路與鋸齒波觸發(fā)電路,基本結構,4.4.1正弦波同步觸發(fā)電路,同步移相環(huán)節(jié),V1,R5,R4,RL,C4,Uc,us,15V,R8,us,ug,Uc,Uc,正值,負值,Uc=0,脈沖形成放大環(huán)節(jié),其它環(huán)

8、節(jié),輸出部分：VD9/VD10防止 輸出負脈沖，R14為限流電 阻，VD8/R12防止V3截止 時，TP初級繞組產生感應高 壓擊穿V3,同步輸入部分：us經R1/C1 濾波，防止電網(wǎng)電壓波動對觸 發(fā)電路的影響，us落后us一 定角度-tg-1R1C1,min和min的限制電路,特點,4.4.2鋸齒波同步觸發(fā)電路,RP1,15V,Uc,15v,Up,X,Y,15V,接封鎖信號,A,B,15V,脈沖形成放大環(huán)節(jié),RP1,15V,Uc,15v,Up,X,Y,15V,接封鎖信號,A,B,15V,同步移相環(huán)節(jié),V2截止,V2導通,t,us,240,120,us,usT,uG,VD1通,C1放電,V2截止

9、,VD1截止,C1充電,V2截止,uG電壓為正,V2導通,當電容電壓為圖示 方向時V2總是截止,其它環(huán)節(jié),雙脈沖電路,特點,抗干擾性能好,移相范圍寬,具有強觸發(fā)/雙脈 沖/脈沖封鎖環(huán)節(jié),應用于大中容量的變流器中,4.4.3觸發(fā)脈沖與主電路電壓的同步,us,180,ug,U,us,t,t,t,ug,U,t,正弦波觸發(fā)電路,120,t,120,鋸齒波觸發(fā)電路,t,120,Uc=0,Uc=0,同步問題,主變壓器,同步變壓器,us,Uc,觸發(fā)電路,負載,ug,uU,以U相為例,同步示例,解題步驟 （1）確定同步電壓與主電路晶閘管陽極電壓的相位關系 （2）畫出陽極電壓與電網(wǎng)電壓的相位關系 （3）確定同步

10、電壓與電網(wǎng)電壓的相位關系,變壓器鐘點數(shù)：以初級線電壓為長針，次級線電壓為短針所構成的。偶數(shù)鐘點初次級接法相同（Y/Y），奇數(shù)鐘點接法不同Y,例4.4.1：已知三相半波可控整流電路主變壓器的接法如圖所示，采用正弦波（NPN）觸發(fā)電路，要求電路工作在整流與逆變狀態(tài)，試確定同步變壓器器接法,U1,V1,W1,U,V,W,U1,V1,W1,SU,SV,SW,U1V1,30,U1(U,120,SU,SUV,解,1）正弦波觸發(fā)電路，主電路電壓U超前同步電壓SU 120,2）變壓器相量圖,3）SUV落后U1V1 120度，即同步變壓器采用Y/Y-4接法,1CF,VT1,負載,SU與電網(wǎng)電壓V1同相位,例4.

11、4.2三相全控橋主變壓器接法/Y-5，采用NPN鋸齒 波觸發(fā)電路，同步變壓器次級電壓us經阻容濾波為us后 接至觸發(fā)電爐，us落后us30,試確定同步變壓器接法,U1,V1,W1,SU,SV,SW,U1V1,150,UV,SU,SUV,解,1）鋸齒波觸發(fā)電路，主電路電壓U超前同步電壓SU 180度,2）變壓器相量圖,3）SUV落后U1V1 0度，即同步變壓器采用Y/Y-10及Y/Y-4接法,1CF,VT1,因SU 落后SU 30度，故主電路電壓U超前同步電壓SU 150 度,U,VT4,4CF,S（-U,150,第5章交流調壓和斬波電路,5.1交流調壓電路 5.2直流斬波電路,5.1交流調壓電

12、路,用途:電爐溫控,調光,異步交流電機調速 調壓器中晶閘管的控制分過零控制和移相控制 調壓電路分單相和三相調壓電路,有效值固定的交流電壓,調壓器,有效值可調的交流電壓,過零控制(通斷控制,uin,uout,連續(xù)式,斷續(xù)式,控制時間Tc,n個周波連續(xù)輸出,n個周波斷續(xù)輸出,特點：有級調壓,輸出電壓(功率)調節(jié)不平滑,適合 時間常數(shù)較大的對象.但諧波含量低,功率因數(shù)高,移相控制,電阻性負載,輸出電壓波形,仿真模型 f51.mdl,電感性負載,求取UO（IO）的關鍵是值的確定,180,Q,a,180度,90度,負載阻抗角上升,0度（純電阻,90度（純電感,解超越方程(2) 較為困難,根據(jù) 負載阻抗角

13、及 查上圖可得導 通角,感性負載對觸發(fā)脈沖的要求 (1)VT1/VT2觸發(fā)脈沖必需隔離,即不能有公共接地端 (2)采用強觸發(fā)(寬脈沖/高頻調制脈沖),防止輸出電壓 正負波形不對稱,出現(xiàn)直流分量,5.2 直流調壓器(斬波器,調壓器按輸出電壓與輸入電壓的關系分： 降壓式/升壓式/升降壓式； 調壓器按工作方式分：斬波式/諧振式； 斬波器用于直流電動機調速系統(tǒng),固定的直流電壓,斬波器 （調壓器,可調的直流電壓,5.2.1降壓斬波器,E,VD,L,M,R,VT,Io,Uo,降壓斬波器,電流連續(xù),仿真模型 f52.mdl,E=100V,ED=10V,R=50,L=1H,輸出電壓控制方法,求負載電流的最大值

14、與最小值,電流斷續(xù),求出tx即可求出Uo 及Io 電流斷續(xù)對電動機不利， 少見,注意:io=0時uo=ED,5.2.2升壓斬波器,設C足夠大，Uo基本不變; L足夠大，IE近似為一直線. VT導通，L儲能IEEt1 VT關斷，L釋能IE （U-E） （T-t1) 則： IEEt1=IE （U-E） （T-t1) Et1=（U-E） （T-t1) U=TE/(T-t1) UE,升壓斬波器,E,VD,L,M,R,VT,Io,Uo,升壓斬波器,C,IE,uL,t,VT導通,VT關斷,E-UO,E,IE,t,UO,t,L儲能,L釋能,t1,T,升壓斬波器多用于直 流電機的在生制動,5.2.3升降壓斬波

15、器,E,E,VD2,VD1,L,ED,M,VT1,VT2,L,ED,M,斬波器,Io,Uo,Io,Uo,半橋斬波器,E,VD2,VD1,L,M,VT1,VT2,全橋斬波器,VD4,VD3,VT3,VT4,VT3不通/VT4導通 構成半橋斬波器（一二象限,VT1不通/VT2導通 構成半橋斬波器（三四象限,輸出電壓為,輸出電流可逆,電流可逆斬波器,VT1/VD1構成降壓斬波器（VT2不通,電機工作在正轉電動狀態(tài),VT2/VD2構成升壓斬波器（VT1不通,電機工作在正轉發(fā)電狀態(tài),E,E,VD2,VD1,L,ED,M,VT1,VT2,L,ED,M,斬波器,Io,Uo,Io,Uo,半橋斬波器,E,VD2

16、,VD1,L,M,VT1,VT2,全橋斬波器,VD4,VD3,VT3,VT4,VT3不通/VT4導通 構成半橋斬波器（一二象限,VT1不通/VT2導通 構成半橋斬波器（三四象限,輸出電壓為,輸出電流可逆,電流可逆斬波器,VT1/VD1構成降壓斬波器（VT2不通,電機工作在正轉電動狀態(tài),VT2/VD2構成升壓斬波器（VT1不通,電機工作在正轉發(fā)電狀態(tài),E,C,VD1,VD2,VD3,L,L1,L2,L3,M,VT2,VT1,VT3,多相多重斬波器,三相三重斬波器（由LC濾波器和三個降壓斬波器組成,i1,i2,i3,io,i1,t,i2,t,t,io,i3,t,錯開的單相斬波器使總輸出電壓/電流,

17、脈動減少（諧波含量低,5.2.4斬波器中晶閘管關斷控制,E,E,C1,C1,VD,VD1,VD,L1,L,L1,L,M,M,VT2,VT1,VT2,VT3,VT1,先觸發(fā)VT2導通，使C1充電至E，Uo=0,VT1導通時，C1同時經VT1/L1/VD1放電并,反充，Uo=E，若VT2導通，則VT1關斷,定頻調寬電路,控制VT2導通，使C1充電,控制VT3使C1反充,實際上VT2導通時VT1關斷,E,E,C1,C1,VD,VD1,VD,L1,L,L1,L,M,M,VT2,VT1,VT2,VT3,VT1,先觸發(fā)VT2導通，使C1充電至E，Uo=0,VT1導通時，C1同時經VT1/L1/VD1放電并,反充，Uo=E，若VT2導通，則VT1關斷,定頻調寬電路,控制VT2導通，使C1充電,控制VT3使C1反充,實際上VT2導通時VT1關斷,E,E,C1,C1,VD,VD1,VD,L1,L,L1,