2022年有源逆变- .pdf

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1、Hefei University 电 力 电 子 课 程 总 结 有 源 逆 变 部 分题目： 电力电子课程总结有源逆变部分班级专业： 1级自动化一班学号：完成时间 2014-5-20 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 13 页- 0 - 摘要: 电力电子技术 Power Electronics Technology 是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件如晶 闸管， GTO ，IGBT 等对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百 MW 甚至 GW ，也可以小到数 W 甚至

2、 1W 以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术整流，逆变，斩波，变频等两个分支。 现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。 电力电子学 Power Electronics这一名称是在上世纪 60 年代出现的。1974 年，美 国的 W.Newell 用一个倒三角形对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、 电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术 2 个不同的角度来称呼的。关键字 : 整流、

3、逆变、斩波、应用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 13 页- 1 - 目录一、前言 . 错误 !未定义书签。二、电力电子技术的主要内容. 错误 !未定义书签。2.1 定义 . 错误 !未定义书签。晶闸管 . 错误 !未定义书签。全控型器件 . 错误 !未定义书签。2.4 软开关技术 . 错误 !未定义书签。三、电力电子技术的发展史. 错误 !未定义书签。四、电力电子技术的重要作用. 错误 !未定义书签。4.1 优化电能使用. 错误 !未定义书签。4.2 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业. 错误 !未定义书签。4.3

4、电力电子技术高频化和变频技术发展. 错误 !未定义书签。4.4 电力电子智能化. 错误 !未定义书签。五、电力电子技术的应用展望. 错误 !未定义书签。5.1 在高压直流输电 ( HV D C ) 方面的应用. 错误 !未定义书签。5.2 在柔性交流输电系统 (F A C T S )中的应用 . 错误 !未定义书签。5.3 在电力谐波治理方面的应用. 错误 !未定义书签。5.4 在不间断电源 (UP S ) 中的应用 . 错误 !未定义书签。六、总结 . - 8 - 参考文献 . - 9 - 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，

5、共 13 页- 0 - 一、前言：电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件如晶闸管， GTO ，IGBT 等对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW 甚至 GW ，也可以小到数W甚至 1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术整流，逆变，斩波，变频，变相等两个分支。现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。本文撰写的目的一是为了阐述现代电力电子技术对现代社会的作用和价值；二则是我个人对现代电力电子技术的有源

6、逆变 的理解。二、有源逆变2.1 单相有源逆变电路整流是把交流电变换成直流电供应负载，那么，能不能反过来，利用相控整流电路把直流电变为交流电呢？完全可以。我们把这种整流的逆过程称为逆变。在许多场合， 同一套晶闸管或其它可控电力电子变流电路既可作逆变，这种装置称为变流装置或变流器。 根据逆变输出交流电能去向的不同，所有逆变电路又分为 有源逆变 和无源逆变 两种。前者以电网为负载， 即逆变输出的交流电能回送到电网，后者则以用电器为负载，如交流电机、电炉等。用单相桥式可控整流电路能替代发电机给直流电动机供电，为使电流连续而平稳，在回路中串接大电感Ld 称为平波电抗器。这样，一个由单相桥式可控整流电路

7、供电的晶闸管直流电动机系统就形成了。在正常情况下， 它有两种工作状态，其电压电流波形分别示于图31、图 32 中。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 13 页- 1 - 1. 变流器工作于整流状态0 /2 在图 31 中，设变流器工作于整流状态。 由单相全控整流电路的分析可知，大电感负载在整流状态时Ud2cos ，控制角的移相范围为090 ，Ud为正值，P点电位高于 N点电位，并且 Ud应大于电动机的反电势E，才能使变流器输出电能供应电动机作电机运行。此时，电能由交流电网流向直流电源即直流电动机 M的反电势 E。图 31(2

8、). 变流器工作与逆变状态 /2在图 32 中，设电机 M作发电机运行再生制动，但由于晶闸管元件的单向导电性， 回路内电流不能反向， 欲改变电能的传送方向， 只有改变电机输出电压的极性。在图32 中，反电势 E的极性已反了过来，为了实现电动机的再生制动运行， 整流电路必须吸收电能反馈回电网，也就是说， 整流电路直流侧电压平均值 Ud也必须反过来，即 Ud为负值， P点电位低于 N点电位且电机电势E应大于 Ud。此时电路内电能的流向与整流时相反，电动机输出电功率， 为发电机工作状态，电位则作为负载吸收电功率，实现了有源逆变。为了防止过电流，应满足 E约等于 Ud，在恒定励磁下， E取决于电动机的

9、转速，而Ud则由调节控制角来实现。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 13 页- 2 - 图 32由上述有源逆变工作状态的原理分析可知，实现有源逆变必需同时满足两个基本条件：其一，外部条件，要有一个能提供逆变能量的直流电源。其二，内部条件，变流器在控制角 /2 的范围内工作，使变流器输出的平均电压Ud的极性与整流状态时相反， 大小应和直流电势配合， 完成反馈直流电能回交流电网的功能。从上面的分析可以看出，整流和逆变、交流和直流在晶闸管变流器中互相联系着，并在一定条件下可互相转换，同一个变流器，既可以作整流器，又可以作逆变器，

10、其关键是内部和外部的条件。不难分析，半控桥式电路或具有续流二极管的电路，因为不可能输出负电压，变流器不能实现有源逆变，而且也不允许直流侧出现反极性的直流电势。1工作原理图 33 为三相半波电机负载电路， 负载回路接有大电感， 电流连续。 当在 0 /2 范围内变动时，平均值Ud总为正值，且 Ud应略大于 E。此时电流 id精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 13 页- 3 - 从 Ud正端流出，从 E的正端流入，电机作为电动机运行，吸收电能，这就是三相半波电路的整流工作状态。图 33对于逆变状态 /2，选取和整流状态相对应的

11、条件进行分析，假设此时电动机反电势的极性已反接如图34(a) 所示。因为有了持续的直流电势和极大的电感Ld，主电路电流始终连续。图 34变流器输出电压必须如图34(b) 中粗黑线所示。当 在 /2 范围内变动时，输出平均值Ud为负，其极性是上负下正，此时电动机的电势E应稍大于Ud。主电路内的电流Id方向没有变，但是它从E的正极流出，到 Ud的正端流入，所以电能倒送。2逆变角及逆变电压的计算三相半波电路在整流和逆变范围内，只要电流连续，每个晶闸管的导通角都是 2 /3 ，故不管控制角为何值，直流侧输出电压的平均值和的关系都为精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - -

12、- - - - -第 7 页，共 13 页- 4 - 为分析和计算方便起见，电路进入逆变状态时，通常用逆变角表示。规定角计算的起始点为控制角 处，计算方法为自 0的起始点向左方计算，因此控制角和逆变角的关系是 ，或 。1逆变电路波形分析图 35(a) 为三相有源逆变电路。根据以前的分析，在区间0/2 ，电路工作于整流状态； /2 时，Ud0；在 /2时，电路工作于有源逆变状态。图 35(bd)表示 5/6 时的典型工作情况下电路中各点的波形。图 352逆变电路电量计算考虑变压器漏抗时，逆变器输出电压为在三相逆变电路中，其它的电量，如电流平均值、晶闸管电流的平均值和有效值、变压器的容量计算等，均

13、可按照整流电流的计算原则进行。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 13 页- 5 - 逆变运行时， 一旦发生换相失败， 使整流电路由逆变工作状态进入整流工作状态，Ud又重新变成正值，使输出平均电压和直流电势变成顺向串联，外接的直流电源通过晶闸管电路形成短路，这种情况称为逆变失败， 或称为逆变颠覆， 这是一种事故状态，应当防止。造成逆变失败的原因很多， 大致可归纳为四类，今以三相半波逆变电路为例，加以说明。1触发电路工作不可靠触发电路不能适时地，准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丧失，脉冲延迟等，致使晶闸管工作失常。如图36 所

14、示，当 a 相晶闸管 T1导通到t1时刻，正常情况时 ug2触发 T2管，电流换到 b 相，如果在t1时刻，触发脉冲 ug2遗漏，T1管不受反压而关不断， a 相晶闸管 T1将继续导通到正半周，使电源瞬时电压与直流电势顺向串联，形成短路。图 3-6图 37 说明脉冲延迟的情况， ug2延迟到t2时刻才出现，此时a 相电压ua已大于 b 相电压 ub，晶闸管 T2承受反向电压，不能被触发导通，晶闸管T1也不能关断，相当于ug2遗漏，形成短路。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 13 页- 6 - 图 3-72晶闸管发生故障在应

15、该阻断期间，元件失去阻断能力；或在应该导通时刻，元件不能导通，如图 38 所示。在t1时刻之前，由于 T3承受的正向电压等于E和 uc之和，特别是当逆变角较小时，这一正向电压较高，假设T3的断态重复峰值电压裕量不足，则到达t1时刻，本该由 T1换相到 T2，但此时 T3已导通， T2因承受反压而无法导通，造成逆变失败。图 3-83换相的裕量角不足存在重叠角或给逆变工作带来不利的后果，如以 T1和 T2的换相过程来分析，当逆变电路工作在时，经过换相过程后， b 相电压 ub仍高于 a 相电压ua，所以换相结束时，能使T1承受反压而关断。如果换相的裕量角不足，即当时，从图 39 的波形中可以看出，

16、当换相尚未结束时，电路的工作状态到达P点之后， a 相电压 ua将高于 b 相电压 ub，晶闸管 T2则将承受反向电压而重新关断，而应该关断的T1却还承受正电压而继续导通，且a 相电压随着时间的推迟愈来愈高，致使逆变失败。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 13 页- 7 - 图 3-94交流电源发生异常现象在逆变运行时，可能出现交流电源突然断电，缺相或电压过低等现象。如果在逆变工作时， 交流电源发生缺相或突然消失，由于直流电势 E的存在，晶闸管仍可触发导通，此时变流器的交流侧由于失去了同直流电势极性相反的交流电压，因此直

17、流电势将经过晶闸管电路而被短路。由上可见，为了保证逆变电路的正常工作，必须选用可靠的触发器，正确选择晶闸管的参数， 并且采取必要的措施， 减少电路中 du/dt 和 di/dt的影响，以免发生误导通。 为了防止意外事故， 与整流电路一样， 电路中一般应装有快速熔断器或快速开关，以资保护。另外，为了防止发生逆变颠覆，逆变角不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。逆变时允许采用的最小逆变角应为 式中 - 晶闸管的关断时间tq折合的电角度，称恢复阻断角，tq；- 换相重叠角； - 安全裕量角。 在有源逆变中，得知道是什么是有缘的，什么是无源的，有源逆变的时候要注意不能顺势相连， 这样容易烧毁，如何

18、求逆变时的输出功率，正因为他时是逆变电路，所以电压和反电动势负载均带符号进行求解。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 13 页- 8 - 3 总结电力电子学 , 又称功率电子学 (Power Electronics)。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电 ( 高电压、 大电流) 或电工领域的一个分支， 又是电工学在弱电 ( 低电 压、小电流 )或电子领域的一个分支， 或者说是强弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子” “电力”和“控

19、制”三个领域的一个新兴工程技术学科。电有直流 (DC)和交流 (AC)两大类。前者有电压幅值和极性的不同，后者除电压幅值和极性外，还有频率和相位的差异。实际应用中，常常需要在两种电能之间，或对同种电能的一个或多个参数 ( 如电压，电流，频率和功率因数等 )进行变换 21 世纪将是电力电子技术的高速发展阶段。作为高等院校有关专业的学生和广阔的电子工程师熟练掌握这一技术已势在必行 , 这不仅是提高效率的需要 , 更是我国电子工业在市场上生存、 竞争与发展的需求。 我知道，想要学好这一门技术首先必须对它产生兴趣，当我们在有了兴趣的前提下刻苦钻研， 努力深造才有学好它的可能。 而电力电子技术的初步掌握对我们即将面临的就业可能会有很大帮助。因为，我们在掌握了一门技术的同时也使自己的各方面能力得到了提高，到达了一个很好的学习效果。最后，谢谢李老师本学期的谆谆教诲！精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 13 页- 9 - 参考文献1. 中国自动化网工控商务网2. 国防科技大学机电工程与自动化学院罗飞路曹雄恒陈江龙3. 电力电子技术张兴4. 电力电子技术金海明郑安平精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 13 页