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1、第三章有源逆变第1页，共50页，编辑于2022年，星期二逆变的概念v将直流电转换成交流电，这种对应于整流的逆向过程，称逆变v有源逆变则指的是将直流电转换成交流电后，再将它反送回交流电网。v有源逆变应用广泛，它是研究直流可逆调速系统的基础，电力机车：电动机状态（正常运行），发电机状态（制动，下坡）第2页，共50页，编辑于2022年，星期二第一节 电流的流转v两个直流电源和相连的电路第3页，共50页，编辑于2022年，星期二第一节 电能的流转v两个电源间的电能流转：两个电源间的电能流转：v1.E1EE2：v电源电源E1发出功率E2接受的功率vE1发出功率:P1=E1ivE2接受的功率:P2=E2i
2、v电阻消耗的功率:第4页，共50页，编辑于2022年，星期二第一节 电能的流转v两个电源间的电能流转：v2.两电源极性均反向，且E2E1电流方向不变,但功率反送：电源E2发出功率,E1接受的功率，电阻消耗功率。v电源E1接受的功率为P1=E1iv电源E2发出的功率为P1=E1iv电阻消耗的功率第5页，共50页，编辑于2022年，星期二第一节 电能的流转v两个电源间的电能流转：v3.两个电源反极性相连情况：两个电源均输出功率,电阻消耗功率电源都输出功率：P2=E2I;P1=E1i电阻上消耗功率:第6页，共50页，编辑于2022年，星期二结论v1两个电源同极性相连，电流总是从电势高的电源流向电势低
3、的电源。电流大小决定于两电势之差和回路电阻。如果回路电阻很小，虽然两电势之差不大也可产生足够大的电流，使两电源间交换很大的功率。v2电流从电源正极性端流出者为发出功串，从正极性端流人者为吸收功率。v3两电源反极性相连时则形成短路，工作中应严防发生。第7页，共50页，编辑于2022年，星期二第二节三相半波逆变电路v三相半波为例：忽略漏感，假设平波电抗器足够大。v直流电机看作一理想电压源，其电枢电阻和电感分别归算到主回路的R和L中第8页，共50页，编辑于2022年，星期二整流状态v一.整流工作状态(00,UdED,vId=(Ud-ED)/Rv电机吸收功率，电动机运行。v整流电路输出电能v 增大Ud
4、减小转速下降。第9页，共50页，编辑于2022年，星期二中间状态v二.中间状态(=90)vUd=0,ED=0，n=0,id=0(R=0理想状态)v电机停转。v实际上电感有损耗，故此时id ud均间断，Ud,ED很小。故电机处于缓慢爬行状态。第10页，共50页，编辑于2022年，星期二逆变状态v三.逆变工作状态(90180)vUd0，则处于短路状态。v要实现逆变工作应满足：v1。Ud0(即90Ud，同时Ed反极性-外部条件。第11页，共50页，编辑于2022年，星期二逆变工作模态分析v=150为例分析波形及工作过程。设稳态时已存在EDvt1:触发Ta导通，ud=uavL储能（id增大）vt2后E
5、Dud(ua),vL释放能量（id减小）vt3:触发Tb导通，ud=ub第12页，共50页，编辑于2022年，星期二逆变工作输出电压v三相半波电路，如电感L足够大而使电流id波v形连续，则每个晶闸管导电120，故从输出电压Ud波形不难求出直流输出电压：第13页，共50页，编辑于2022年，星期二逆变工作输出电压v是一条余弦曲线，波形同整流v对于其它形式电路，它们的输出电压与控制角关系是一致的v只是具体的Udo与U2的比值不一致第14页，共50页，编辑于2022年，星期二逆变工作输出电流vEd决定于电机转速vUd可调节控制角改变其大小。v为了防止过大电流，可以调节v通过控制来控制电流大小Ud。第
6、15页，共50页，编辑于2022年，星期二逆变工作小结vL足够大时，每个SCR导通120vUd=1.17U2cos vId=(ED-Ud)/R，v控制角可以调节Id大小v极性改变方法：v1.改变转速方向v2.改变Ij方向第16页，共50页，编辑于2022年，星期二逆变工作小结v对于不可能有负压输出的电路,不可能实现有源逆变。v如:桥式半控电路，有续流二极管的电路。vUd=Ud0 cos，vUd0=0.9U2（单相桥）vUd0=1.17U2(三相半波,vUd0=2.34U2(三相桥式)第17页，共50页，编辑于2022年，星期二逆变角概念v逆变角：为了分析和计算方便，通常把逆变工作时的控制角用表
7、示，称“逆变角”。规定v全逆变时晶闸管也在自然换相点换相，此时输出负压最大，然后向左，即以与控制角计量相反的方向计量逆变角大小。v在/2 之间变化，对应在/2 0 之间变化第18页，共50页，编辑于2022年，星期二四.SCR的电压波形第19页，共50页，编辑于2022年，星期二六.对触发电路的要求v 以60的整流触发与60的逆变触发为例v 不同的工作状态对触发脉冲电路的不同要求。第20页，共50页，编辑于2022年，星期二整流电路对触发电路的要求v对于整流状态，一套触发脉冲电路可以同时供给多个晶闸管v如t1时，应从a相换相到b相，此时b相电压高，可以保证顺利换相。v现在a相、c相电压均低，与
8、之相联的晶闸管虽被供给触发脉冲，但不会导通。第21页，共50页，编辑于2022年，星期二逆变电路对触发电路的要求v 对于逆变工作状态，则只能依次触发晶闸管Ta,Tb,Tcv 如t2 时，由a相换流到b相，此时只能触发Tbv因为现在Ub=Uc，再要像整流状态那样将触发脉冲同时供给三个晶闸管是不行的第22页，共50页，编辑于2022年，星期二第三节三相桥式逆变电路v逆变工作的内部条件和外部条件v三相桥式整流电路，如果工作时满足实现有源逆变的两个条件，就成为三相桥式逆变电路第23页，共50页，编辑于2022年，星期二三相桥式电路的工作方式v对于整流电路v晶闸管必须成对导通v每个晶闸管导通120v每隔
9、60电路换流一次v导通顺序：T+a T-c T+b T-a T+cT-bv对于逆变电路器件工作方式不变！第24页，共50页，编辑于2022年，星期二三相桥式电路的工作模态分析v设晶闸管T+c和T-b已经导通v当/3时，t1时刻触发晶闸管T+av此时a相电压高于c相，T+a导通vT+c承受反压而关断，直流侧输出uab第25页，共50页，编辑于2022年，星期二三相桥式电路的工作模态分析v在t1时刻后，直流侧输出uab小于零v 电流id从Ed正极流出经晶闸管T-b流入b相，再由av相流出，经晶闸管T+a回到Ed负极v 电能从直流电源流向交流电源第26页，共50页，编辑于2022年，星期二三相桥式电
10、路的工作模态分析v当t2时刻触发晶闸管T-cv此时c相电压低于b相，T-c导通vT-b承受反压而关断，直流侧输出uac,且uac0v如此循环，在一个周期内输出电压脉动六次，因而波形中最低次谐波为六倍基频，电压的纹波因素更小。第27页，共50页，编辑于2022年，星期二三相桥式电路的工作模态分析第28页，共50页，编辑于2022年，星期二三相桥式逆变电路参数计算v逆变电路的参数计算与整流情况相似。v设电路内电流连续，其输出负平均电压Ud为 或第29页，共50页，编辑于2022年，星期二三相桥式逆变电路参数计算v直流电流平均值为v式中：Rb 变压器次级绕组电阻；Rd电路直流侧包括电机电枢 电阻在内
11、的总电阻。v输出电压和电机电势的极性和整流时相反，式（3-5）中和均为负值。第30页，共50页，编辑于2022年，星期二三相桥式逆变电路参数计算v输出电流有效值I应等于 其中v式中：Ir纹波电流有效值；In第n次谐波电流有效值。第31页，共50页，编辑于2022年，星期二三相桥式逆变电路参数计算v晶闸管的有效值电流IT和平均值ITav分别为：第32页，共50页，编辑于2022年，星期二三相桥式逆变电路参数计算v交流电源送到直流侧的有功功率v逆变时，Ed为负值，Pd则一般也为负值，表示功率从直流电源送到交流电源第33页，共50页，编辑于2022年，星期二三相桥式逆变电路参数计算v根据工作波形可知
12、，三相桥式电路线电流每周期内流通时间为4/3,是晶闸管的两倍因此变压器次级线电流有效值为：v三相电源的视在功率v功率因数仍为第34页，共50页，编辑于2022年，星期二逆变失败与控制角的限制逆变失败与控制角的限制第35页，共50页，编辑于2022年，星期二逆变颠覆概念v在整流电路中，如触发不可靠造成丢失脉冲，其后果可能是某相无电压输出或全无输出，造成停止供电。v在逆变电路中，如触发不可靠，将使换相失败，形成交流与直流两电源的顺极性串联，造成短路而使逆变失败，称“逆变颠覆”。第36页，共50页，编辑于2022年，星期二丢失触发脉冲时的工作波形v当丢失触发脉冲时的工作波形：在t1时应有触发脉冲触发
13、晶闸管使b相导通，设此时触发脉冲丢失:v在t1时刻，a相晶闸管将继续导通，直到后来输出电源电压正半周期时，形成与电势的顺极性串联，造成电路短路。第37页，共50页，编辑于2022年，星期二触发脉冲延时时的工作波形v在t1时应有触发脉冲触发晶闸管使b相导通，由于触发电路故障，结果到t2时才触发晶闸管v 在t2时刻，a相电压已经变得高于b相电压，结果b相的晶闸管将承受反压而不能导通，而晶闸管将继续导通，a相继续输出直到出现正半波时，形成与电势顺极性串联的短路。第38页，共50页，编辑于2022年，星期二某相故障时的工作波形v此外，如果某相晶闸管发生故障，交流电源发生异常等均可造成逆变失败。第39页
14、，共50页，编辑于2022年，星期二0时开关时刻v当0时的逆变状态，电路输出电压为相电压负半周的包络线。这是在不考虑晶闸管的开通和关断时间，也不考虑电源变压器的漏抗的前提条件下。v如果过了0时刻末发生换相，会出现无法换相（应换相的晶闸管不再承受正向电压），原有导通相继续导通直到形成顺极性串联短路。第40页，共50页，编辑于2022年，星期二0时开关延时影响v考虑晶闸管开通和关断时间，设电路原来c相导通，现在触发使a相导通；晶闸管开通时间一般为6s，而关断时间常需以10 s上。v如果仍在0进换相，开关延时会使实际换相时刻超过0的点v由于a相电压已经变得小于c相电压，晶闸管将不可能导通，c相电压将
15、继续输出直到形成与的顺极性串联而短路。v为了避免这种情况，所以应当提前换相，即角应留有余量。第41页，共50页，编辑于2022年，星期二换相重叠角v实际变压器都有漏抗，漏抗的存在将使换相不可能瞬间完成。v如a相电流由Id逐渐下降到零，b相电流逐渐上升到Id，这个过程需要的时间以重叠角表示。v如果仍在0进换相，换相重叠角会使实际换相时刻超过0的点，而造成顺极性串联而短路v为了避免这种情况，同样也必须提前换相，即角应留有余量。第42页，共50页，编辑于2022年，星期二逆变角裕量v如若逆变角裕量不够，如时，则到达0时换相尚未完成，过了0时，换相失败，又将发生交流电源某相电压的正半周期与电势的顺极性
16、串联现象。v所以逆变角必须留出足够多的裕量（考虑开关延时、换相重叠角等影响），保证在0时换相确实结束，第43页，共50页，编辑于2022年，星期二最小逆变角minvmin=+v-换相重叠角，算法与整流时相同。v-SCR关断时间折合成的电角度v-安全裕度角，可取10度。第44页，共50页，编辑于2022年，星期二第五节逆变工作状态时电机的机械特性第45页，共50页，编辑于2022年，星期二第六节有源逆变的应用举例v一直流可逆电力拖动系统v工程上常要求拖动用的电机能实现快速的可逆控制，既能正转或反转，又可作电动机或发电机即制动运行，这就是所谓的四象限工作方式。v 改变他激直流电动机正反转的方法有两
17、种，或者是改变激磁电流的方向，或者改变电枢电流的方向。前者电磁惯性大，过渡过程较长，后者快速性好，但设备容量大些，适合应用于中小v容量的系统中。这里着重分析后者。v 采用两组反并联的晶闸管桥式全控电路，供电给电机电枢，实现直流电机的可逆传动。接线如图312所示。同时给出了对应于四个象限酌两组桥的工作情况。Ud和Ud分别表示整流v和逆变状态下的输出平均电压。第46页，共50页，编辑于2022年，星期二两组全控桥电路反并联可逆系统第47页，共50页，编辑于2022年，星期二第48页，共50页，编辑于2022年，星期二三相桥式反并联电路的环流第49页，共50页，编辑于2022年，星期二三相桥式反并联电路时环流电压电流波形第50页，共50页，编辑于2022年，星期二