電力電子技術(shù)ppt 第三章 有源逆變

1、2.5 有源逆變電路 p1.什么是逆變?p2.為什么要逆變?2.5.1 逆變的概念 p前面我們介紹的各種可控整流電路都工作在整流狀態(tài)，是將交流電能變換成直流電提供給負(fù)載。逆變是把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，是整流的逆變是把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，是整流的逆過程，是將直流電能變換成交流電回饋電網(wǎng)。逆過程，是將直流電能變換成交流電回饋電網(wǎng)。上述的電路也可以工作在逆變狀態(tài)。p以三相全控橋式電路為例，這時電流Id仍保持與整流運行狀態(tài)相同的流動方向，但Ud改變了極性，功率由直流側(cè)流向可控整流電路的交流改變了極性，功率由直流側(cè)流向可控整流電路的交流側(cè)電網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)。三相可控整流電路的這種逆變模式的工作狀態(tài)，只有如圖所示在

2、直流側(cè)存在一個穩(wěn)定的能源時才是有可能的。注意，兩個電源的不能形成順向串聯(lián)。 p由三相橋構(gòu)成的有源逆變電路 電能來自太陽能或者風(fēng)能發(fā)電p舉例來說，這個穩(wěn)定的能源可以是一個光電或風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)所轉(zhuǎn)換出光電或風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)所轉(zhuǎn)換出來的電能來的電能，經(jīng)過逆變電路變換成三相交流電再連接到統(tǒng)一的電網(wǎng)中去。逆變可以節(jié)能、提高系統(tǒng)性能的作用。如：有軌電車的制動有軌電車的制動、吊車的下放貨物、電氣可逆調(diào)速系統(tǒng)等。p逆變按照負(fù)載是否為交流電源分為有源逆變和無源逆變。如果把變換器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反送到電網(wǎng)去，稱作有源逆變有源逆變。如果變換器的交流側(cè)不與電網(wǎng)連接，而直接接到普通負(fù)載，稱

3、作無源逆變無源逆變。 2.5.2 三相橋式有源逆變電路 p假設(shè)電感足夠大，直流電流近似為一個恒定值，為直流反電勢電感負(fù)載。為實現(xiàn)有源逆變必須使控制角控制角90，Ud為負(fù)，電源E極性與圖中一致，并且有: |E| | |E| | Ud Ud | |p無論在整流狀態(tài)或逆變狀態(tài)，晶閘管總是受正向電壓時才能被觸發(fā)導(dǎo)通，晶閘管的導(dǎo)電順序不變晶閘管的導(dǎo)電順序不變；處于關(guān)斷狀態(tài)的晶閘管承受正向電壓的時間比在整流運行時長。 2U1.17UcosE-UIRd dd dd dp三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時的電壓波形 uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcu

4、baucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udtOtO=4=3=6=4=3=6t1t3t2p逆變狀態(tài)的控制角為逆變角：p輸出直流電壓的平均值p輸出直流電流的平均值亦可用整流的公式，即d22L2.34cos1.35cosUUU REUIdd2.5.3 逆變失敗與最小逆變角的限制 1 1 逆變失敗逆變失敗 可控整流電路在逆變運行時，外接的直流電源就會通過晶閘管電路形成短路，或者使可控整流電路的輸出平均電壓和直流電動勢變成順向串聯(lián)，由于逆變電路的內(nèi)阻很小，將出現(xiàn)極大的短路電流流過晶閘管和負(fù)載，這種情況稱為逆變失敗，或稱為逆變顛覆。 p造成逆變失敗的原因：造成逆

5、變失敗的原因：(1) 觸發(fā)電路工作不可靠。不能適時、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配觸發(fā)脈觸發(fā)脈沖沖，如脈沖丟失、脈沖延時脈沖丟失、脈沖延時等。(2) 晶閘管晶閘管發(fā)生故障。器件失去阻斷能力，或器件不能導(dǎo)通。(3) 交流電源交流電源異常。在逆變工作時，電源發(fā)生缺相或突然消失而造成逆變失敗。(4) 換相裕量角換相裕量角不足，引起換相失敗。應(yīng)考慮變壓器漏抗引起的換相重疊角、晶閘管關(guān)斷時間等因素的影響。 p交流側(cè)電抗對逆變換相過程的影響 2.8 晶閘管觸發(fā)電路 2.8.1 晶閘管對觸發(fā)電路的要求 觸發(fā)電路除滿足驅(qū)動電路的要求外，還應(yīng)滿足如下要求：1觸發(fā)脈沖與晶閘管主電路電源必須同步。2觸發(fā)脈沖應(yīng)滿足要求的移相范

6、圍。3為滿足三相全控橋的要求，觸發(fā)電路應(yīng)能輸出雙窄脈沖或?qū)捗}沖。 4. 為滿足反并聯(lián)可逆電路的要求，觸發(fā)電路應(yīng)有min、min 限制。2.8.2 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路 觸發(fā)電路組成1 脈沖形成與放大環(huán)脈沖形成與放大環(huán)節(jié)節(jié)p脈沖形成環(huán)節(jié)由V4、V5構(gòu)成；放大環(huán)節(jié)由V7、V8組成?？刂齐妷簎co加在V4基極上，觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次輸出，經(jīng)整流提供。 p當(dāng)V4的基極電壓uco=0時，V4截止。+E1電源通過R11提供給V5一個足夠大的基極電流，使V5飽和導(dǎo)通。所以V5集電極電壓接近于-E1，V7、V8處于截止?fàn)顟B(tài)，無脈沖輸出。電源+E1經(jīng)R9、V5的發(fā)射極到-E1對電容C3充電，充滿后

7、電容兩端電壓接近2E1，極性如圖所示。p當(dāng)uco0.7V時，V4導(dǎo)通。A點電位從+E1突降到1V，由于電容C3兩端電壓不能突變，所以V5基極電位也突降到-2E1，V5基射極反偏置，V5立即截止。它的集電極電壓由-E1迅速上升到鉗位電壓2.1V時，使得V7、V8導(dǎo)通，輸出觸發(fā)脈沖。p同時電容C3由+E1經(jīng)R11、VD4、V4放電并反向充電，使V5基極電位逐漸上升。直到V5基極電位ub5 -E1，V5又重新導(dǎo)通。這時V5集電極電壓又立即降到-E1，使V7、V8截止，輸出脈沖終止。可見，脈沖前沿由V4導(dǎo)通時刻確定，脈沖寬度由反向充電時間常數(shù)R11C3決定。 2 2 鋸齒波的形成和鋸齒波的形成和脈沖移

8、相環(huán)節(jié)脈沖移相環(huán)節(jié)p鋸齒波電壓形成電路由V1、V2、V3和C2等元件組成，其中V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路。p當(dāng)V2截止時，恒流源電流I1C對電容C2充電，所以C2兩端的電壓uC為puC按線性增長,即ub3按線性增長。調(diào)節(jié)電位器RP2，可以改變C2的恒定充電電流I1C。 p當(dāng)V2導(dǎo)通時，因R4很小所以C2迅速放電，使得ub3電位迅速降到零伏附近。當(dāng)V2周期性地導(dǎo)通和關(guān)斷時，ub3便形成一鋸齒波。射極跟隨器V3的作用是減小控制回路電流對鋸齒波電壓ub3的影響。pV4基極電位由鋸齒波電壓、控制電壓uco、直流偏移電壓up三者疊加所定,它們分別通過電阻R6、R7、R8 與V4基極連接。 t

9、ICdtIuC1C1c1p根據(jù)疊加原理，先設(shè)uh為鋸齒波電壓ue3單獨作用在基極時的電壓，其值為 所以uh仍為鋸齒波，但斜率比ue3低。p同理，直流偏移電壓up單獨作用在V4基極時的電壓 為 p控制電壓uco單獨作用在V4基極時的電壓 為 所以， 仍為一條與up平行的直線，但絕對值比up?。?仍為一條與uco平行的直線，但絕對值比uco小。 )/(/87687e3hRRRRRuu)/(/76876ppRRRRRuu)/(/86786c0c0RRRRRuupuc0upuc0up當(dāng)V4不導(dǎo)通時，V4的基極b4的波形由 確定。當(dāng)b4點電壓等于0.7V后，V4導(dǎo)通。產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。改變uco便可以改變脈

10、沖產(chǎn)生時刻，脈沖被移相。加up的目的是為了確定控制電壓uco=0時脈沖的初始相位。p以三相全控橋為例，當(dāng)接反電勢電感負(fù)載時，脈沖初始相位應(yīng)定在=90；當(dāng)uco=0時，調(diào)節(jié)up的大小使產(chǎn)生脈沖的M點對應(yīng)=90的位置。當(dāng)uco為0，=90，則輸出電壓為0；如uco為正值，M點就向前移，控制角90，處于逆變狀態(tài)。cophuuup鋸齒波的觸發(fā)電路的工作波形 3 3 同步環(huán)節(jié)同步環(huán)節(jié)p同步環(huán)節(jié)是由同步變壓器TS、VD1、VD2、C1、R1和晶體管V2組成。同步變壓器和整流變壓器接在同一電源上，用同步變壓器的二次電壓來控制V2的通斷作用，這就保證了觸發(fā)脈沖與主電路電源同步。 p與主電路同步是指要求鋸齒波的

11、頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。鋸齒波是由開關(guān)管V2控制的，也就是由V2的基極電位決定的。p同步電壓uTS經(jīng)二極管VD1加在V2的基極上。當(dāng)電壓波形在負(fù)半周的下降段時，因Q點為零電位，R點為負(fù)電位，VD1導(dǎo)通，電容C1被迅速充電。Q點電位與R點相近，故在這一階段V2基極為反向偏置，V2截止。p在負(fù)半周的上升段，+E1電源通過R1給電容C1充電，其上升速度比uTS波形慢，故VD1截止，uQ為電容反向充電波形。當(dāng)Q點電位達(dá)1.4V時，V2導(dǎo)通，Q點電位被鉗位在1.4V。直到TS二次電壓的下一個負(fù)半周到來，VD1重新導(dǎo)通，C1放電后又被充電，V2截止。p如此循環(huán)往復(fù)，在一個正弦波周期內(nèi)，包

12、括截止與導(dǎo)通兩個狀態(tài)，對應(yīng)鋸齒波波形恰好是一個周期，與主電路電源頻率和相位完全同步，達(dá)到同步的目的。可以看出鋸齒波的寬度是由充電時間常數(shù)R1C1決定的。 4 4 雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)p觸發(fā)電路自身在一個周期內(nèi)可輸出兩個間隔60的脈沖，稱內(nèi)雙脈沖電路。而在觸發(fā)器外部通過脈沖變壓器的連接得到雙脈沖稱為外雙脈沖。p本觸發(fā)電路屬于內(nèi)雙脈沖電路。當(dāng)V5、V6都導(dǎo)通時，V7、V8截止，沒有脈沖輸出。只要V5、V6有一個截止，就會使V7、V8導(dǎo)通，有脈沖輸出。因此本電路可以產(chǎn)生符合要求的雙脈沖。p第一個脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對應(yīng)的控制角使V4由截止變導(dǎo)通造成V5瞬時截止，使得V8輸出脈沖。隔

13、60的第二個脈沖是由后一相觸發(fā)單元通過連接到引腳Y使本單元V6截止，使本觸發(fā)電路第二次輸出觸發(fā)脈沖。其中VD4和R17的作用主要是防止雙脈沖信號相互干擾。p在三相橋式全控整流電路中，雙脈沖環(huán)節(jié)的可按下圖接線。六個觸發(fā)器的連接順序是：1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。 5 5 強觸發(fā)環(huán)節(jié)強觸發(fā)環(huán)節(jié)p36V交流電壓經(jīng)整流、濾波后得到50V直流電壓，經(jīng)R15對C6充電，B點電位為50V。當(dāng)V8導(dǎo)通時，C6經(jīng)脈沖變壓器一次側(cè)R16、V8迅速放電，形成脈沖尖峰，由于有R15的電阻，且電容C6的存儲能量有限，B點電位迅速下降。當(dāng)B點電位下降到14.3V時，VD15導(dǎo)通

14、，B點電位被15V電源鉗位在14.3V，形成脈沖平臺。C5組成加速電路，用來提高觸發(fā)脈沖前沿陡度。 6 6 脈沖封鎖脈沖封鎖p二極管 VD5陰極接零電位或負(fù)電位，使V7、V8截止，可以實現(xiàn)脈沖封鎖。VD5用來防止接地端與負(fù)電源之間形成大電流通路。 2.8.4 2.8.4 觸發(fā)電路的定相觸發(fā)電路的定相p初始脈沖是指Ud0時，控制電壓uco與偏移電壓up為固定值條件下的觸發(fā)脈沖。因此，必須根據(jù)被觸發(fā)晶閘管陽極電壓的相位，正確供給各觸發(fā)電路特定相位的同步電壓，才能使觸發(fā)電路分別在各晶閘管需要觸發(fā)脈沖的時刻輸出脈沖。這種選擇同步電壓相位以及得到要求的觸發(fā)時刻的方法，稱為觸發(fā)電路的定相?，F(xiàn)以三相全控橋為

15、例說明定相的方法。p晶閘管VT1的陽極與uu相接， VT1所接主電路電壓為+uu，觸發(fā)脈沖從0至180對應(yīng)的范圍為t1t2。 采用鋸齒波同步的觸發(fā)電路時，同步信號負(fù)半周的起點對應(yīng)于鋸齒波的起點，通常使鋸齒波的上升段為240，上升段起始的30和終了段30線性度不好，舍去不用，使用中間的180。所以取同步波- uu。p三相橋整流電路大量用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，且通常要求可實現(xiàn)再生制動，使Ud=0時的觸發(fā)角為90。當(dāng) 90時為逆變工作。將=90確定為鋸齒波的中點，鋸齒波向前向后各有90的移相范圍。=0對應(yīng)于uu的30的位置，說明VT1的同步電壓應(yīng)滯后于uu 180。對于其他5個晶閘管，也存在同樣的關(guān)系

16、，即同步電壓滯后于主電路電壓180。p因此一旦確定了整流變壓器和同步變壓器的接法，即可選定每一個晶閘管的同步電壓信號。p同步變壓器和整流變壓器的接法及矢量圖 p同步電壓的選取結(jié)果見表。 晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓+ Uu- Uw+ Uv- Uu+ Uw- Uv同步電壓- Usu+ Usw- Usv+ Usu- Usw+ Usvp為防止電網(wǎng)電壓波形畸變對觸發(fā)電路產(chǎn)生干擾，可對同步電壓進(jìn)行R-C濾波，當(dāng)R-C濾波器滯后角為60時，同步電壓選取結(jié)果見表 晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓+ Uu- Uw+ Uv- Uu+ Uw- Uv同步電壓+ Usv-

17、Usu + Usw- Usv + Usu - Usw2.9 晶閘管-直流電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性 p晶閘管可控整流裝置帶直流電動機(jī)負(fù)載組成的系統(tǒng)習(xí)慣稱為晶閘管-直流電動機(jī)系統(tǒng)，是電力拖動系統(tǒng)中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。其一是在帶電動機(jī)負(fù)載時整流電路的工作情況，其二是由整流電路供電時電動機(jī)的工作情況。本節(jié)主要分析由整流電路供電時電動機(jī)的工作情況。2.9.1 工作于整流狀態(tài)時 1 1 電流連續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性電流連續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性p直流電機(jī)傳動時負(fù)載就是反電勢電感負(fù)載，在負(fù)載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感性負(fù)載時相似，電動機(jī)穩(wěn)態(tài)時，雖然ud波形脈動較大，但由于電動機(jī)有較大

18、的機(jī)械慣量，故其轉(zhuǎn)速和反電動勢都基本無脈動。此時整流電壓的平均值由電動機(jī)的反電動勢及電路中負(fù)載平均電流Id所引起的各種電壓降所平衡，整流電壓的交流分量則全部降落在電抗器上。p整流電路直流電壓的平衡方程為式中 p在負(fù)載電流連續(xù)的情況下，機(jī)械特性方程為：UIREU2dMd)2/(6BMBXRRRede22cos34. 2CUIRCUnp三相橋式全控整流電路電動機(jī)負(fù)載電流連續(xù)時的機(jī)械特性 2.電流斷續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性電流斷續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性 當(dāng)電機(jī)工作在電感較小或負(fù)載較輕的情況下，電流要出現(xiàn)斷續(xù)的現(xiàn)象。電流斷續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性呈現(xiàn)出非線性，變軟。實際的空載反電動勢遠(yuǎn)大于理想的空載反電動勢，這使

19、得理想空載轉(zhuǎn)速升高。實際應(yīng)用中，串平波電抗器使電動機(jī)在工作范圍內(nèi)保持在電流連續(xù)狀態(tài)，提高直流電動機(jī)的機(jī)械特性硬度。p串聯(lián)電抗器的電感量決定著主回路最小連續(xù)電流值p三相半波主回路電感量 p三相全控橋主回路電感量pIdmin 是最小連續(xù)電流值，一般取 Idmin=(510)Idp串接的平波電抗器的電感量為 )mH( /46. 1dmin2IUL )mH( /693. 0dmin2IUL )(mH mBdLLLLp考慮電流斷續(xù)時不同時反電動勢的機(jī)械特性曲線 2.9.2 工作于有源逆變狀態(tài)時 p電流連續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性電流連續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性主回路電流連續(xù)時的機(jī)械特性由電壓平衡方程式?jīng)Q定逆變時由于

20、 ，因為 ，電動機(jī)的機(jī)械特性方程式 URIEU2dMdcosd0dUU)2cos(dd0MURIUE)2cos(1dd0eURIUCnnCEeM2 2 電流斷續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性電流斷續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性p電機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速上翹很多，機(jī)械特性變軟，且呈現(xiàn)非線性。當(dāng)控制角由小變大，電動機(jī)的機(jī)械特性則逐漸的由第1象限往下移，進(jìn)而到達(dá)第4象限。p圖中第1、第4象限中的特性和第3、第2象限中的特性是分別屬于兩組整流電路的，它們輸出整流電壓的極性彼此相反，故分別標(biāo)以正組和反組變流器。p電動機(jī)在四象限中的機(jī)械特性 2.10 整流電路的諧波分析 (1) 諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用

21、電效率，大量的3次諧波流過中線會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。(2) 諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，使電機(jī)發(fā)生機(jī)械振動、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短以致?lián)p壞。(3) 諧波會引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，會使上述(1)和(2)兩項的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。(4) 諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作，并使電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確。(5) 諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。諧波的危害諧波的危害對于周期為的 非正弦電壓 ，一般滿足狄里赫利條件，可分解為如下形式

22、的傅里葉級數(shù)式中 n=1, 2, 3, 或 /2T)( tu)sincos()(10tnbtnaatunnn200)(d)(21ttua20)(dsin)(21ttntuan20)(dcos)(21ttntubn)sin()(10nnntncatu式中, cn，n和 an，bn的關(guān)系為)/arctan(nnnbannncasinnnncbcos2.10.1 整流電路輸出電壓和負(fù)載電流的諧波分析 整流電路的輸出電壓中主要成分為直流，同時還包含有大量的高次諧波分量。采用諧波分析的方法，對于研究整流電路的質(zhì)量指標(biāo)和為減小電流的脈動分量，保持輸出負(fù)載電流連續(xù)而選擇合適的平波電抗器的電感量是非常有用的。

23、 在交流電源的一個周期2中，有m個形狀相同但相差2/m的電壓脈波。若脈波的周期為T，則每個脈波寬度為T=2/m，則如下關(guān)系式成立，即ud (t) =ud(t+2/m)。 輸出電壓波形的時間原點如圖所示，則ud的傅里葉級數(shù)表達(dá)式為 式中，直流平均值：n次諧波的幅值：1dd)sin()cos(nnntnbtnaUu)d()(2)d()(/21d)(120d20d0ddmmTttumttumttuTU22nnnbaUn次諧波的相位角：n次諧波的系數(shù)：經(jīng)推導(dǎo)可得m脈波整流電壓中的 n次諧波幅值Un為 (推導(dǎo)過程見書) nnnabarctan)d()cos()(d)cos()(220d0dmTnttnt

24、umttntuTa)d()sin()(d)sin()(220d0dmTnttntumttntuTb) 1)(1(2cos) 1)(1(2) 1() 1(cossin2222nnnnnnnmnmmUUm脈波整流電壓中的諧波階次為nKm，K1，2，3，。將nKm，n/m=K(K1，2，3，)代入上式得到 令m2、3、6，即得到單相橋式、三相半波、三相全橋相控整流電路輸出電壓的各次諧波，令=0即可得到功率二極管整流電路在單相橋式、三相半波、三相全橋相控整流電路輸出電壓的各次諧波。 ) 1)(1(2cos) 1)(1(2) 1() 1(cossin2222nKmKmKmKmKmKmKmmUUp左圖畫出了 n6(1)、12(2)、18(3)的諧波特性。由圖可見，輸出電壓的諧波幅值隨控制角的增大而增大，在 = 90時諧波幅值最大，在180之間，輸出電壓的諧波幅值隨控制角的增大而減小。 三相橋式整流電路n次諧波幅值(取標(biāo)幺值)