第九講 整流及有源逆變

1、電 力 電 子 技 術(shù)Power Electronic TechnologyPower Electronic Technology合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組8.2 8.2 在某些工業(yè)場(chǎng)合，如電解電鍍中，常常使用低電壓大電流（例如幾十伏，幾千至幾萬(wàn)安）可調(diào)直流電源。此時(shí)若采用三相橋式整流電路，由于有兩個(gè)管壓降損耗，降低了效率。若采用兩組三相半波可控整流電路并聯(lián)，使每組電路只承擔(dān)一半的負(fù)載電流，同時(shí)對(duì)變壓器次級(jí)采用合適的連接方式，以消除三相半波可控整流器的直流磁化，則可以滿(mǎn)足低電壓大電流的負(fù)載要求，下面介紹帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路。變壓器二次側(cè)每相有兩個(gè)匝數(shù)相同的繞

2、組繞在同一鐵芯上，分別構(gòu)成a,b,c和a,b,c兩套繞組，且每相兩個(gè)繞組極性相反（同名端相反），故稱(chēng)為雙反星形電路。由于同一鐵芯兩個(gè)繞組上的相電壓相位差180，兩組相電流在相位上也差180，對(duì)鐵芯磁化方向相反，因而直流磁勢(shì)互相抵消，沒(méi)有直流磁化。 合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組8.2 8.2 雙反星形可以看作是兩個(gè)三相半波整流電路并聯(lián)運(yùn)行，兩個(gè)直流電源并聯(lián)時(shí)，只有當(dāng)輸出電壓平均值和瞬時(shí)值均相等時(shí)，才能使負(fù)載均流。雙反星形電路與六相半波可控整流電路等效，兩組整流電壓平均值相等，但它們的脈動(dòng)波相差60，瞬時(shí)值不等。在任一瞬間，六相繞組中只有相電壓最高的那一相晶閘管可以導(dǎo)通，其余的

3、晶閘管均承受反壓而關(guān)斷，每個(gè)晶閘管的最大導(dǎo)通角為60，并未達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行提供大電流的要求。六相半波整流電路晶閘管導(dǎo)電時(shí)間短，變壓器利用率低。 合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組8.2 8.2 為解決并聯(lián)問(wèn)題，將兩個(gè)二次側(cè)繞組的中點(diǎn)用平衡電抗器連接，即構(gòu)成如上圖所示的帶平衡電抗器的雙反星形整流電路。 平衡電抗器Lp可使得任一時(shí)刻兩組三相半波整流電路能同時(shí)導(dǎo)電，每組只供給負(fù)載電流的一半，即每一相如ia和ia的平均值都為1/6Id。與三相橋式整流電路相比，在采用相同晶閘管的條件下，帶平衡電抗器的雙反星形整流電路的輸出電流可增大一倍。TabcLRniPLPudidVT2VT6VT4VT1V

4、T3VT5cabn1n2合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組8.2 8.2 設(shè)某時(shí)刻ub和ua均為正值，且ubua，由于VT1和VT6共陰極，則以n為基準(zhǔn)，O2的電位比O1的電位更低，則在電感Lp兩端產(chǎn)生電流ip，由O1流向O2，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)up的方向要阻止電流ip增大，方向如圖中所示。正是由于O1、O2間的電位差加在Lp的兩端，補(bǔ)償了ub和ua的電動(dòng)勢(shì)差，使得ua和ub兩相的晶閘管VT1和VT6能同時(shí)導(dǎo)電。 合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組8.2 8.2 d1d2puuu)(212121d2d1pd1pd2duuuuuuu兩個(gè)星形的中點(diǎn)O1和O2間的電壓等于u

5、d1和ud2之差。該電壓加在Lp上，產(chǎn)生電流ip，它通過(guò)兩組星形電路自成回路，不流到負(fù)載中去，稱(chēng)為環(huán)流或平衡電流；考慮到ip后，每組三相半波承擔(dān)的電流可以均流為Id/2 ip （負(fù)載電流平均值為Id）。否則由于平衡電抗器的作用會(huì)使得感應(yīng)電壓不一致，而重新平衡。為了使兩組電流盡可能平均分配，一般使Lp值足夠大，以便限制環(huán)流在負(fù)載額定電流的1%2%以?xún)?nèi)。在結(jié)構(gòu)上，平衡電抗器一分為二，每組整流電路各占一半。電抗器的兩個(gè)繞組都繞在同一鐵芯上，由于兩組變流器共同向負(fù)載供電，直流磁勢(shì)互相抵消，電抗器的鐵芯不會(huì)產(chǎn)生直流磁化和飽和的問(wèn)題，因此電抗器的體積不用做很大。合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教

6、研組8.2 8.2 圖2-37 平衡電抗器作用下輸出電壓的波形和平衡電抗器上電壓的波形upud1,ud2OO60360t1ttuaubucucuaububua合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組8.2 8.2 =30、=60和=90時(shí)輸出電壓的波形分析 需要分析各種控制角時(shí)的輸出波形時(shí)，可先求出兩組三相半波電路的ud1和ud2波形，然后做出波形(ud1+ud2)/2； 雙反星形電路的輸出電壓波形與三相半波電路比較，脈動(dòng)程度減小了，脈動(dòng)頻率加大一倍，f=300Hz； 電感負(fù)載情況下，=90時(shí),輸出電壓波形正負(fù)面積相等，Ud=0，移相范圍是90；。90。60。30udududtOtOt

7、Ouaubucucuaububucucuaububucucuaub圖2-39 當(dāng) =30、60、90時(shí)，雙反星形電路的輸出電壓波形 合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組8.2 8.2 每一組中的每一個(gè)晶閘管仍按三相半波的導(dǎo)電規(guī)律而各輪流導(dǎo)電120。每相的觸發(fā)脈沖，從第一個(gè)正自然換相點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算起，分別為1,3,5和2,4,6。這樣，在不同的時(shí)刻導(dǎo)通的SCR分別為6,1、1,2、2,3、3,4、4,5、5,6、6,1。如果是電阻負(fù)載，則ud波形不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)值，僅保留波形中正的部分。同樣可以得出，當(dāng) =120時(shí)，Ud=0，因而電阻負(fù)載移相范圍為120。 整流電壓平均值與三相半波整流電路的相

8、等，負(fù)載電流連續(xù)時(shí),整流電壓平均值為:Ud=1.17U2cos 將雙反星形電路與三相橋式電路進(jìn)行比較可得出以下結(jié)論： （1）三相橋?yàn)閮山M三相半波串聯(lián)，而雙反星形為兩組三相半波并聯(lián)，且后者需用平衡電抗器； （2）當(dāng)變壓器二次有效值U2相等時(shí)，雙反星形整流電路的整流電壓平均值Ud是三相橋式整流電路的1/2；若采用相同的晶閘管，雙反星形整流電路允許的整流電流平均值Id是三相橋式整流電路的2倍； （3）兩種電路中，晶閘管的導(dǎo)通及觸發(fā)脈沖的分配關(guān)系一樣。合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組9.1 逆變的概念1. 什么是逆變？為什么要逆變？逆變（invertion）把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，為整流

9、的逆過(guò)程。逆變電路把直流電逆變成交流電的電路； 實(shí)例：電力機(jī)車(chē)下坡行駛，機(jī)車(chē)的位能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，反送到交流電網(wǎng)中去，有助于剎車(chē)； 有源逆變電路交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)，即電網(wǎng)為負(fù)載。 應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速以及高壓直流輸電等； 對(duì)于可控整流電路，滿(mǎn)足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉(zhuǎn)變。既可工作在整流狀態(tài)又可工作在逆變狀態(tài)，稱(chēng)為變流電路（converter）。無(wú)源逆變變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到普通負(fù)載，將在第5章介紹。合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組9.1 圖a中，E1E2，則電流從E1流向E2。E1發(fā)出功率P1=

10、E1*I，E2接受功率P2=E2*I，電阻消耗的功率為PR=(E1-E2)*I。圖b為E2E1，則電流反向，此時(shí)E1接受功率，E2發(fā)出功率?？梢?jiàn)當(dāng)兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)同極性相接時(shí)，電流總是從電動(dòng)勢(shì)高的流向低的，由于回路電阻很小，即使很小的電壓差也能產(chǎn)生大的電流，兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)間交換很大的功率。圖c中E1和E2串聯(lián)，則此時(shí)E1和E2都輸出功率，電阻消耗的功率為PR=(E1+E2)*I。如果R僅為回路電阻，則電流I將很大，實(shí)際為兩個(gè)電源的短路，應(yīng)避免這種事情發(fā)生。REEI21REEI21EI12REEI12REE12REa)b)c)I合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組9.1 EI1RMEMEI1R

11、GEMd)e)+-+-EI1RGEMf)+- 圖d中，用直流電機(jī)替代電源E2，則E1為電動(dòng)機(jī)提供電樞電源，M工作在電動(dòng)狀態(tài)。若電動(dòng)機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)，且EME1，則電流I反向，電機(jī)作為直流發(fā)電機(jī)來(lái)運(yùn)行，如圖e所示。 在前面介紹的相控整流電路中，直流電源E1是通過(guò)晶閘管對(duì)交流電源整流得來(lái)的，而晶閘管的單向?qū)щ娦詻Q定了電流I的方向不能改變，若想實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟螂娋W(wǎng)回饋，則只能通過(guò)改變電機(jī)的電樞極性，如圖f所示。此時(shí)若E1的極性不改變，則形成圖c的短路狀況，故E1的極性也要對(duì)調(diào)，當(dāng)EME1時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)電能回饋。合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組9.1 3. 逆變產(chǎn)生的條件

12、使用單相全波替上述直流電源。（注意同時(shí)添加一個(gè)電抗器，以使電流連續(xù)，從而負(fù)載為大電感反電勢(shì)負(fù)載）。圖2-45 單相全波電路的整流和逆變a)b)圖2 -45R+-電能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM電能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEM，才能輸出Id交流電網(wǎng)輸出電功率，電動(dòng)機(jī)輸入電功率。a)b)圖2 -45R+-電能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM電能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUd|

13、Ud|，才能把電能從直流側(cè)送到交流側(cè),實(shí)現(xiàn)逆變。 電能（注意不是電流）的流向與整流時(shí)相反,M輸出電功率,電網(wǎng)吸收電功率。Ud可通過(guò)改變來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，逆變狀態(tài)時(shí)Ud為負(fù)值， 在/2間。合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組9.1 產(chǎn)生逆變的條件有二：（1）有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性和晶閘管導(dǎo)通方向一致，其絕對(duì)值大于變流器直流側(cè)平均電壓；（2）晶閘管的控制角 /2，使Ud為負(fù)值。 半控橋或有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓u ud d不能出現(xiàn)負(fù)值（最小為零），也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)極性的電動(dòng)勢(shì)，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。欲實(shí)現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。a)b)圖2 -45R+-電能M102u10u20u

14、didLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM電能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEMiVT1iVT2iVT1iVT2iVT1iVT2iVT2id=iVT +iVT12id=iVT +iVT12iVT1iVT2iVT1問(wèn)題；半控橋能否實(shí)現(xiàn)有源逆變？合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組9.1 逆變和整流的區(qū)別逆變和整流的區(qū)別：控制角 不同 0 p p /2 時(shí)，電路工作在整流狀態(tài)。 p p /2 p p /2時(shí)的控制角用pp = b b表示，b b 稱(chēng)為逆變角逆變角。 逆變角b b和控制角 的計(jì)量方向相反，其大

15、小自b =0的起始點(diǎn)向左方計(jì)量。合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組9.1 三相半波有源逆變電路和負(fù)載電壓波形a)電路 b)波形合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組9.1 圖2-46 三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)的電壓波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udtOtOb =p4b =p3b =p6b =p4b =p3b =p6t1t3t2合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組9.1 有源逆變狀態(tài)時(shí)各電量的計(jì)算： U

16、d= -2.34U2cos = -1.35U2Lcos 輸出直流電流的平均值亦可用整流的公式，即 Id=（Ud-EM)/R 每個(gè)晶閘管導(dǎo)通2/3，故流過(guò)晶閘管的電流有效值為 從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為: Pd=RId2+EMId 當(dāng)逆變工作時(shí)，由于EM為負(fù)值，故Pd一般為負(fù)值，表示功率由直流電源輸送到交流電源。 ddIIIVT577. 03合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組9.2 有源逆變正常運(yùn)行時(shí)，外接的直流電源電壓EM與逆變電路輸出的平均電壓Ud極性相反，通常由于逆變回路的內(nèi)阻很小，所以外接直流電源電壓EM基本由逆變電路的輸出平均電壓Ud來(lái)平衡。若逆變時(shí)出現(xiàn)逆變輸出

17、電壓減小、變零、甚至與直流電源順極性串聯(lián)等情況時(shí)，就會(huì)造成逆變回路過(guò)流，造成器件和變壓器損壞。這種情況稱(chēng)為逆變失敗，也稱(chēng)逆變顛覆。造成逆變失敗的原因主要在四個(gè)方面：1晶閘管本身的原因晶閘管發(fā)生故障，不能正常導(dǎo)通和關(guān)斷，會(huì)造成交流電源電壓與直流電動(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)，造成逆變失敗。2交流電源的原因交流電源缺相或突然消失，此時(shí)交流側(cè)由于失去與直流電動(dòng)勢(shì)極性相反的交流電壓，使直流電動(dòng)勢(shì)通過(guò)晶閘管形成電路短路。3觸發(fā)電路的原因觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時(shí)、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，致使晶閘管不能正常換相，使交流電源電壓與直流電動(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)，形成短路。4逆變角太小合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組

18、9.2 圖為三相半波有源逆變電路的逆變失敗波形a)觸發(fā)脈沖丟失 b)觸發(fā)脈沖延遲如圖a所示，在t1時(shí)刻，觸發(fā)電路應(yīng)對(duì)晶閘管VT3提供觸發(fā)脈沖uG3，則VT3導(dǎo)通，VT2關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)正常換流。若由于某種原因造成uG3丟失，則VT3無(wú)法導(dǎo)通，而VT2繼續(xù)導(dǎo)通到正半波。到t2時(shí)刻，由于此時(shí)ubua，VT1雖然有觸發(fā)脈沖uG1，但承受反壓而無(wú)法導(dǎo)通。輸出電壓ud為正值，和直流電動(dòng)勢(shì)同極性，造成短路。在圖b中，觸發(fā)電路應(yīng)在t1時(shí)刻對(duì)晶閘管VT3提供觸發(fā)脈沖uG3，但是由于uG3延遲到t2時(shí)刻才出現(xiàn)，這時(shí)ubuc，VT3承受反壓無(wú)法導(dǎo)通，VT2繼續(xù)導(dǎo)通到正半波，同樣會(huì)造成逆變失敗。合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組9.2 換相重疊角的影響：圖2-47 交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過(guò)程的影響 當(dāng)b g 時(shí)，換相結(jié)束時(shí)，晶閘管能承受反壓而關(guān)斷。 如果b g 時(shí)（從圖2-47右下角