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1、电力电子技术课件有源逆变你现在浏览的是第一页，共41页2.两电源之间的能量传递两电源之间的能量传递同极性相连同极性相连;EGEM;同极性相连同极性相连;EMEG;反极性相连反极性相连电动电动运行运行发电发电运行运行短路短路你现在浏览的是第二页，共41页3.3.有源逆变的工作原理及条件有源逆变的工作原理及条件(1)90,输出输出Ud为正值为正值,M电动运行电动运行,EM上上正下负正下负。晶闸管装置工作在晶闸管装置工作在整流状态整流状态，供供能能；M吸收能量吸收能量,电动电动运行。运行。你现在浏览的是第三页，共41页(2)90,且且使使UdEM，Ud与前整流时与前整流时Ud极极性相反，性相反，VT
2、会导通。会导通。M供能，工作于供能，工作于发电制动发电制动状态；状态；晶闸管装置吸收能量，并送交流电网，实现晶闸管装置吸收能量，并送交流电网，实现有源逆变有源逆变。总结总结：在一周期内，并不是每一瞬时：在一周期内，并不是每一瞬时都进行有源逆变，只是一周期内逆变都进行有源逆变，只是一周期内逆变时间大于整流时间（因为时间大于整流时间（因为90），），总的来看，电路工作在有源逆变状态。总的来看，电路工作在有源逆变状态。你现在浏览的是第四页，共41页实现有源逆变的条件：实现有源逆变的条件：必要条件必要条件（1 1）要有直流电源要有直流电源E，且满足且满足E的方向为使晶闸管导通的方向及的方向为使晶闸管导
3、通的方向及E的数值应大于变流器直流侧的平均电压；的数值应大于变流器直流侧的平均电压；（2 2）要求）要求90，使使Ud为负值。为负值。充分条件充分条件：要有足够大的电感：要有足够大的电感L，以使逆变连续进行。以使逆变连续进行。逆变和整流的区别：控制角逆变和整流的区别：控制角 不同不同 0 p p/2时，电路工作在时，电路工作在整流整流状态。状态。p p/2 p p时，电路工作在时，电路工作在逆变逆变状态。状态。问题问题:单相桥式全控整流电路带阻感性负载，当工作在单相桥式全控整流电路带阻感性负载，当工作在0 p p/2时，是否时，是否在一个周期内都处于整流状态？在一个周期内都处于整流状态？你现在
4、浏览的是第五页，共41页讨论：讨论：以下电路哪些可以实现有源逆变？为什么？以下电路哪些可以实现有源逆变？为什么？半半控控桥桥或或有有续续流流二二极极管管的的电电路路，因因其其整整流流电电压压u ud d不不能能出出现现负负值值，也也不不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。你现在浏览的是第六页，共41页2.7.2三相整流电路的有源逆变工作状态三相整流电路的有源逆变工作状态1.1.逆变角逆变角定义定义:=-,即即+=,则则=-。Ud=Udocos=-Udocos、是从两个方向表示晶闸管的触发时刻。是从两个方向表示晶闸管的触发时刻。你现
5、在浏览的是第七页，共41页2.三相半波有源逆变电路三相半波有源逆变电路能量传递关系能量传递关系：EM的正极流出电流，因的正极流出电流，因此它提供能量，经晶闸管电路把直流电此它提供能量，经晶闸管电路把直流电能逆变为交流电能回馈电网。能逆变为交流电能回馈电网。你现在浏览的是第八页，共41页3.3.三相桥式全控整流电路的有源逆变状态三相桥式全控整流电路的有源逆变状态你现在浏览的是第九页，共41页计算计算:(以三相电路为例）以三相电路为例）Ud、E EM均为均为负值负值E EM为负值，为负值，P Pd d 故为负故为负值，表示功率由直流值，表示功率由直流侧送交流电源侧送交流电源注意：在变流器中确定电网
6、是输入功率还是输出功率一般从直流侧来注意：在变流器中确定电网是输入功率还是输出功率一般从直流侧来分析决定。分析决定。你现在浏览的是第十页，共41页逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路短路，或使变流器，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联顺向串联，形成很大，形成很大短路电流短路电流。2.7.3逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败提出的原因逆变失败提出的原因整流整流：逆变逆变：你现在浏览的是第十一页，共41页一一.失败的原因失败的原因1.1.触发电路的原因触发电
7、路的原因脉冲丢失脉冲丢失、脉冲分布不均匀脉冲分布不均匀。2.2.晶闸管本身的原因晶闸管本身的原因3.3.交流电源方面的原因交流电源方面的原因缺相缺相 、电源突然断电、电源突然断电 、电网、电网电压波动使同步电压波动电压波动使同步电压波动,造成造成脉冲丢失脉冲丢失 。4.4.逆变角逆变角太小太小(换相重叠角换相重叠角),正常。正常。若若 :即即=0时换流还没有结束时换流还没有结束，前一相继续导通前一相继续导通，换相失败。换相失败。你现在浏览的是第十二页，共41页二二.最小逆变角最小逆变角min的确定的确定1.考虑的因素考虑的因素(1).换相重叠角换相重叠角(1525),可查手册或由公式计算。可查
8、手册或由公式计算。(2).(2).晶闸管的关断时间晶闸管的关断时间t tq q所对应的电角度所对应的电角度,可达可达200200300300s,s,为为4455。(3).(3).安全裕量安全裕量,取取1010。min=+=(1525)+（45）+10=30352.2.限制方法限制方法(1).1).触发电路在触发电路在=minmin处附加一组固处附加一组固定脉冲。定脉冲。(2).(2).逆变角保护电路逆变角保护电路(3).(3).UcUc加限幅电路。加限幅电路。你现在浏览的是第十三页，共41页提示：哪些地方会用到有源逆变呢？提示：哪些地方会用到有源逆变呢？绕线转子异步电动机的晶闸管串级调速绕线转
9、子异步电动机的晶闸管串级调速高压直流输电高压直流输电晶闸管直流电动机可逆拖动系统晶闸管直流电动机可逆拖动系统你现在浏览的是第十四页，共41页晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统。成的系统。是电力拖动系统中主要的一种。是电力拖动系统中主要的一种。是可控整流装置的主要用途之一。是可控整流装置的主要用途之一。2.8晶闸管晶闸管直流电动机系统直流电动机系统 对该系统的研究包括两个方面：对该系统的研究包括两个方面：其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。其二是由整流电路供电时电
10、动机的工作情况。本节主要从第其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本节主要从第二个方面进行分析。二个方面进行分析。你现在浏览的是第十五页，共41页直流电动机的四象限运行？直流电动机的四象限运行？问题？问题1 1有些场合要求电力拖动系统能够提供正、反向运行并能实现快速有些场合要求电力拖动系统能够提供正、反向运行并能实现快速制动，具有上述功能的系统，由于其机械特性分别位于四个象限，制动，具有上述功能的系统，由于其机械特性分别位于四个象限，故称具有四象限的电力拖动系统。故称具有四象限的电力拖动系统。？问题？问题2 2他励直流电动机改变转向的方法？他励直流电动机改变转向的方法？电枢反接电枢反接励磁绕
11、组反接励磁绕组反接？问题？问题3 3他励直流电动机的制动方法？他励直流电动机的制动方法？能耗制动能耗制动反接制动反接制动回馈制动回馈制动你现在浏览的是第十六页，共41页nT0你现在浏览的是第十七页，共41页指能够控制电动机正反转的自动控制系统。指能够控制电动机正反转的自动控制系统。很多生产设备如起重提升设备、电梯、轧钢机轧辊等均要很多生产设备如起重提升设备、电梯、轧钢机轧辊等均要求电动机能够正反双向运转，这就是可逆拖动问题。求电动机能够正反双向运转，这就是可逆拖动问题。利用变流装置供电的直流可逆拖动系统，除了能方便地实现正反转利用变流装置供电的直流可逆拖动系统，除了能方便地实现正反转外，还能实
12、现回馈制动。外，还能实现回馈制动。对于直流他励电动机来说，改变电枢两端电压的极性或改变励磁绕组两端电对于直流他励电动机来说，改变电枢两端电压的极性或改变励磁绕组两端电压的极性均可改变其运转方向，这可根据应用场合和设备容量的不同要求加压的极性均可改变其运转方向，这可根据应用场合和设备容量的不同要求加以选用。以选用。按照所用晶闸管变流装置组数的不同，一般又可通过两种方法实按照所用晶闸管变流装置组数的不同，一般又可通过两种方法实现电动机的正反转控制：现电动机的正反转控制：1）一种是采用一组晶闸管变流器给电动机供电、用接触器控制电）一种是采用一组晶闸管变流器给电动机供电、用接触器控制电枢电压极性的电路
13、；枢电压极性的电路；2）另一种是采用两组晶闸管变流器反极性连接组成的可逆电路。）另一种是采用两组晶闸管变流器反极性连接组成的可逆电路。2.8.1 2.8.1 直流可逆拖动系统直流可逆拖动系统你现在浏览的是第十八页，共41页1 1.两组晶闸管反并联两组晶闸管反并联组成的组成的=工作制的有环流系统工作制的有环流系统电路中的环流：环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。桥式电路电路中的环流：环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。桥式电路有两个环流回路，三相半波电路同一时期只有一条环流回路。有两个环流回路，三相半波电路同一时期只有一条环流回路。环流一般不作有用功，环流一般不作有用
14、功，环流产生的损耗可使电器元件发热，甚至还会造成短路事故，因此必须设法使变流装置环流产生的损耗可使电器元件发热，甚至还会造成短路事故，因此必须设法使变流装置不产生环流。不产生环流。你现在浏览的是第十九页，共41页用一个控制电压用一个控制电压Uc控制控制I、两组变流桥的两组变流桥的控制角，使它们同步的向相反的方向变化控制角，使它们同步的向相反的方向变化。（1）开始时，）开始时，I=90，电动机转速为，电动机转速为零。零。（2）I90，I组进入组进入整流整流状态，交流电源供能，电动机状态，交流电源供能，电动机正转电动运行正转电动运行90（且（且I=），此时），此时组桥虽可以有输出电压组桥虽可以有输
15、出电压Ud，但因不满足，但因不满足|EM|Ud|而没有逆变电流，称这种状态为而没有逆变电流，称这种状态为待逆变状态待逆变状态。=工作制触发脉冲的具体实施如下：工作制触发脉冲的具体实施如下：你现在浏览的是第二十页，共41页（3）正转到反转：使）正转到反转：使I和和同时增大分别进入逆变和整流区同时增大分别进入逆变和整流区本组逆变：本组逆变：I90（即即I90）Id=0反组待整流：反组待整流：90（即即90）反组逆变（正转）反组逆变（正转）:90（即即90）且使且使|EM|Ud|正组待整流：正组待整流：I=90电感储能回送电网，电动机正转电动运行。电感储能回送电网，电动机正转电动运行。机械能回送电网
16、，电动机回馈制动。机械能回送电网，电动机回馈制动。你现在浏览的是第二十一页，共41页（4）反转运行：）反转运行：=90n=0,EM=0,90，组进入组进入整流整流状态，交流电源供能，电动机状态，交流电源供能，电动机反转电动运行反转电动运行I90，因不满足，因不满足|EM|Ud|而没有逆变电流，而没有逆变电流，待逆变状态待逆变状态。你现在浏览的是第二十二页，共41页 =配合控制的有环流可逆系统配合控制的有环流可逆系统对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证=的配合控制关系的配合控制关系 。假设正组为整流，反组为逆变，即有假设正组为整流，反组为逆
17、变，即有=，U Udd=U=Udd，且极性相抵，且极性相抵，两组变流器之间没有直流环流。两组变流器之间没有直流环流。但两组变流器的输出电压瞬时值不等，会产生但两组变流器的输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流脉动环流。串入串入环流电抗器环流电抗器L LC C限制环流。限制环流。一个回路要有两只环流电抗器，因为其中一只会流过负载电流而饱和，从而起不到抑一个回路要有两只环流电抗器，因为其中一只会流过负载电流而饱和，从而起不到抑制环流的作用。制环流的作用。特点：快速性好，但需加环流电抗器，适合于中小容量的系统。特点：快速性好，但需加环流电抗器，适合于中小容量的系统。你现在浏览的是第二十三页，共41页逻辑
18、控制无环流可逆电路就是利用逻辑单元来控制变流器之间的切换过程，逻辑控制无环流可逆电路就是利用逻辑单元来控制变流器之间的切换过程，使电路在任何时间内只允许两组桥路中的一组桥路工作而另一组桥路处于阻使电路在任何时间内只允许两组桥路中的一组桥路工作而另一组桥路处于阻断状态，这样在任何瞬间都不会出现两组变流桥同时导通的情况，也就不会断状态，这样在任何瞬间都不会出现两组变流桥同时导通的情况，也就不会产生环流。产生环流。2.逻辑无环流系统逻辑无环流系统工程上使用较广泛，不需设置环流电抗器。工程上使用较广泛，不需设置环流电抗器。只有一组桥投入工作（另一组关断），两组桥之间不存在环流。只有一组桥投入工作（另一
19、组关断），两组桥之间不存在环流。你现在浏览的是第二十四页，共41页两组桥之间的切换过程：两组桥之间的切换过程：电动机正转电动机正转：给组变流桥加触发脉：给组变流桥加触发脉冲，冲，90，为整流状态；，为整流状态；组桥封组桥封锁阻断。电动机为锁阻断。电动机为“正转电动正转电动”运行，运行，工作在第一象限。工作在第一象限。电动机由正转到反转电动机由正转到反转：触发脉冲后移到触发脉冲后移到90，电抗器，电抗器Ld中中的一部分储能经的一部分储能经I组桥逆变反送回电网组桥逆变反送回电网Id=0I组桥封锁组桥封锁 延时延时310ms 组加触发脉冲，且使组加触发脉冲，且使90，进入有源逆变状态进入有源逆变状态
20、=90，n=090则则组桥进入整流状态，电动机开始组桥进入整流状态，电动机开始反转，进入第三象限的反转，进入第三象限的“反转电动反转电动”运行状运行状态。态。你现在浏览的是第二十五页，共41页特点：可省去环流电抗器，没有附加的环流损耗。特点：可省去环流电抗器，没有附加的环流损耗。由于延时造成了电流换向死区，影响过渡过程的快速性。由于延时造成了电流换向死区，影响过渡过程的快速性。首先应使已导通桥的晶闸管断流，要妥当处理使主回路电流变为零，使原导通首先应使已导通桥的晶闸管断流，要妥当处理使主回路电流变为零，使原导通晶闸管恢复阻断能力。晶闸管恢复阻断能力。随后再开通原封锁着的晶闸管，使其触发导通。随
21、后再开通原封锁着的晶闸管，使其触发导通。这种无环流可逆系统中，变流器之间的切换过程由逻辑单元控制，这种无环流可逆系统中，变流器之间的切换过程由逻辑单元控制，故称为故称为逻辑控制无环流逻辑控制无环流系统。系统。此系统，将在后继课此系统，将在后继课“电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统”中进一步分析讨论。中进一步分析讨论。逻辑无环流系统逻辑无环流系统你现在浏览的是第二十六页，共41页2.8.2.8.2 2 工作于整流状态时的机械特性工作于整流状态时的机械特性整整流流电电路路接接反反电电动动势势负负载载时时，负负载载电电流流断断续续，对对整整流流电电路路和和电电动动机的工作都很不利机的工作都很不
22、利。通通常常在在电电枢枢回回路路串串联联一一平平波波电电抗抗器器，保保证证整整流流电电流流在在较较大大范范围内连续。围内连续。udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR你现在浏览的是第二十七页，共41页一一.电流连续时直流电动机的机械特性电流连续时直流电动机的机械特性Ri为整流电路的等效内阻为整流电路的等效内阻电动机电枢回路的电压平衡方程式电动机电枢回路的电压平衡方程式对于三相半波可控整流电路有对于三相半波可控整流电路有称为电动机电枢回路总的等效电阻称为电动机电枢回路总的等效电阻你现在浏览的是第二十八页，共41页用转速与负载电流表示的机械特性为用转速与负载电流表示的机械
23、特性为其机械特性是一组其机械特性是一组平行的直线平行的直线，其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异。，其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异。调节调节a角，即可调节电动机的转速。角，即可调节电动机的转速。当负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流不再连续，此当负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流不再连续，此时时其机械特性也就呈现出非线性。其机械特性也就呈现出非线性。你现在浏览的是第二十九页，共41页二二.电流断续时直流电动机的机械特性电流断续时直流电动机的机械特性1.1.电动机的理想空载转速电动机的理想空载转速no升高升高2.2.机械特性变软机械特性变软3.3.随着随着的增大，进入
24、断续区的临界电流值增大的增大，进入断续区的临界电流值增大机械特性中电流断续时的特性和电流连续时的特性的交界点的电流，定义为临界电流，用机械特性中电流断续时的特性和电流连续时的特性的交界点的电流，定义为临界电流，用I IdKdK来表示。来表示。你现在浏览的是第三十页，共41页为使电动机运行在较好的工作状态，一般要求系统的最小工作电流（一般取电动机额为使电动机运行在较好的工作状态，一般要求系统的最小工作电流（一般取电动机额定电流的定电流的510）要大于）要大于I IdKdK ，这样就能保证电动机工作在电流连续的机，这样就能保证电动机工作在电流连续的机械特性较好的直线段。为此，就要选用电感量足够大的
25、平波电抗器。械特性较好的直线段。为此，就要选用电感量足够大的平波电抗器。L不不仅仅包包括括了了平平波波电电抗抗器器电电感感量量，还还包包括括由由变变压压器器的的漏漏感感LT、电电动动机机电电枢电感枢电感LD。单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路单位是单位是mH你现在浏览的是第三十一页，共41页2.8.2.8.3 3 工作于有源逆变状态时的机械特性工作于有源逆变状态时的机械特性电流连续时的机械特性由 决定的。逆变时由于 ，反接，得 因为EM=Cen，可求得电动机的机械特性方程式正组变流器反组变流器na3a2a1I
26、da4b2b3b4b1a=b=p2a=b=p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向你现在浏览的是第三十二页，共41页逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：理理想想空空载载转转速速上上翘翘很很多多，机机械械特特性性变软，且呈现变软，且呈现非线性非线性。逆逆变变状状态态的的机机械械特特性性是是整整流流状状态态的的延续延续。第第1 1、4 4象限中和第象限中和第3 3、2 2象限中的特性是分别属于两象限中的特性是分别属于两组变流器的，它们输出整
27、流电压的极性彼此相反，组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以故分别标以正组正组和和反组反组变流器。变流器。正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a=b=p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向你现在浏览的是第三十三页，共41页5.三相半波可控整流电路对直流电动机供电，三相半波可控整流电路对直流电动机供电，=60时，电动机理想空载转速为时，电动机理想空载转速为no=1000rmin。求：求：=30和和=120时时no为多少？为多少？解：解：因为因为=30
28、时时=120时时你现在浏览的是第三十四页，共41页3.单相桥式半控整流电路，由单相桥式半控整流电路，由220V经变压器供电。负载为大电感负载并接有续流经变压器供电。负载为大电感负载并接有续流二极管。要求整流电压二极管。要求整流电压20V80V连续可调，最大负载电流为连续可调，最大负载电流为20A。最小控制角为最小控制角为30。求：。求：VT、VD、VDR的额定电流以及的额定电流以及TR的二次侧容量。的二次侧容量。解解（1）Ud=80V时，时，min=30。Ud=20V时，时，对应对应max（2）计算计算IT时，时，min=30（3）计算计算IVDR时，时，max=122.3（4）计算计算S2时
29、，时，min=30你现在浏览的是第三十五页，共41页4.三相桥式全控整流电路，反电动势阻感负载。三相桥式全控整流电路，反电动势阻感负载。E=200V，R=1，L=，U2=220V，=60。当当LB=0mH和和LB=1mH的情况下，分别求的情况下，分别求Ud和和Id的值，后者还要求出的值，后者还要求出角。角。解解（1）LB=0mH（2）LB=1mH又由电压平衡方程式：又由电压平衡方程式：你现在浏览的是第三十六页，共41页为了分析直流电动机可逆系统的运转状态及其与变流器工作状态之间的关系，为了分析直流电动机可逆系统的运转状态及其与变流器工作状态之间的关系，这里首先介绍一下电动机的四象限运行图。四象
30、限运行图是根据直流电动机的这里首先介绍一下电动机的四象限运行图。四象限运行图是根据直流电动机的转矩转矩(或电流或电流)与转速之间的关系，在平面四个象限上作出的表示电动机运与转速之间的关系，在平面四个象限上作出的表示电动机运行状态的图。图所示即为反并联可逆系统的四象限运行图。从图中行状态的图。图所示即为反并联可逆系统的四象限运行图。从图中可以看出，第一和第三象限内电动机的转速与转矩同号，电动机在第一和可以看出，第一和第三象限内电动机的转速与转矩同号，电动机在第一和第三象限分别运行在第三象限分别运行在“正转电动正转电动”和和“反转电动反转电动”状态，第二和第四象限状态，第二和第四象限内电动机的转速
31、与转矩异号，电动机分别运行在内电动机的转速与转矩异号，电动机分别运行在“正转发电正转发电”和和“反转发反转发电电”状态。电动机究竟能在几个象限上运行，这与其控制方式和电路结构状态。电动机究竟能在几个象限上运行，这与其控制方式和电路结构有关。如果电动机在四个象限上都能运行，则说明电动机的控制系统功能有关。如果电动机在四个象限上都能运行，则说明电动机的控制系统功能较强。较强。你现在浏览的是第三十七页，共41页你现在浏览的是第三十八页，共41页你现在浏览的是第三十九页，共41页高高压压直直流流输输电电你现在浏览的是第四十页，共41页绕线异步电动机串级调速绕线异步电动机串级调速你现在浏览的是第四十一页，共41页