电力电子技术第4章.ppt

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1、Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology上海第二工业大学 宋海辉电力电子技术第四章 有源逆变电路电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology4.1 逆变的概念1 什么是逆变？为什么要逆变？逆变(Invertion)把直流电转变成交流电，整流的逆过程。逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路交流侧和电网连结。应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负

2、载对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。整流与有源逆变的区别关键在于电能流动的方向2电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology2 直流发电机电动机系统电能的流转图4-1 直流发电机电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EG EM b）两电动势同极性EM EG c）两电动势反极性，形成短路电路过程分析:两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。4.1 逆变的概

3、念3电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology3)逆变产生的条件逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机图4-2 单相全波电路的整流和逆变a)b)u10udu20u10OOttIdidUdEMu10udu20u10OOttIdidUd/2，使Ud为负值。半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。4.1 逆变的概念5电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Elect

4、ronics Technology4.2 三相有源逆变电路逆变和整流的区别逆变和整流的区别：控制角 不同0 p p/2时，电路工作在整流状态。p p/2 p p/2时的控制角用p-p-=b b表示，b b 称为逆变角逆变角。逆变角b b和控制角 的计量方向相反，其大小自b=0的起始点向左方计量。6电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology7电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology三相全控桥式整流电路在大L-R-E反电动势负

5、载电流连续的情况下，Ud=Ud0cos=2.34U2 cos,当当=p p/2 p p时，Ud为负值，可以实现有源逆变，吸收来自负载侧反电动势EM供出的能量，并且逆变到电网。为了实现有源逆变，Ud和反电动势EM都必须满足逆变条件所要求的极性和大小关系三相有源逆变状态波形分析：三相有源逆变状态波形分析：u上半桥三只管的 角从各相的正半周自然换相点向右算起，而逆变角b b从对应相的负半周自然换相点向左算起。下半桥的波形分析反之。每组三相半波电路的三只管依次轮换导通 120,并且每触通一只 SCR 则将迫使前己导通的一只关断。每周期同样分为 6 段波形分析。8电力电子 宋海辉Power Electr

6、onics TechnologyPower Electronics Technology三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图所示。图4-5三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udtOtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6t1t3t24.2 三相有源逆变电路动画9电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Elect

7、ronics Technology有源逆变状态时各电量的计算：输出直流电流的平均值亦可用整流的公式,即（4-1）每个晶闸管导通2p p/3，故流过晶闸管的电流有效值为：（4-2）从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：（4-3）当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。（4-4）在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：4.2 三相有源逆变电路10电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology4.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败逆变失败（逆变颠覆）逆变时，一旦换相

8、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，形成很大短路电流短路电流。触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。交流电源缺相或突然消失。换相的裕量角不足，引起换相失败。1)逆变失败的原因逆变失败的原因11电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology换相重叠角的影响：图4-6 交流侧电抗对逆变换相过程的影响当b g 时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关

9、断。如果b g 时（从图4-6右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（VT2）会关断，而应关断的晶闸管（VT1)不能关断，最终导致逆变失败。udOOidttuaubucuaubpbgb giVT1iVTiVT3iVTiVT3224.3 逆变失败与最小逆变角的限制12电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology2)确定确定最小逆变最小逆变角角b bmin的依据的依据逆变时允许采用的最小逆变角b b 应等于b bmin=d d+g g+q qd d 晶闸管的关断时间tq折合的电角度g g 换相重叠角q q安全裕

10、量角tq大的可达200300ms，折算到电角度约45。随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。主要针对脉冲不对称程度（一般可达5）。值约取为10。4.3 逆变失败与最小逆变角的限制13电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technologyg g 换相重叠角的确定：1)查阅有关手册,举例如下：整流电压整流电流变压器容量短路电压比Uk%g g220V800A240kV。A5%15202)参照整流时g g 的计算方法（4-7）根据逆变工作时，并设，上式可改写成这样，b bmin一般取3035。4.3 逆变失败与最小逆变角的限制1

11、4电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology4.4 逆变工作状态时的直流电动机的机械特性1)电流连续时电动机的机械特性电流连续时电动机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（4-9)（4-10)图4-7 电动机在四象限中的机械特性正组变流器反组变流器n321Id4b2b3b4b1=b=p2=b=p2b3b2b1b423411=b 1;1=b12=b 2;2=b2 增大方向b 增大方向 增大方向b 增大方向反向制动(逆变)正向电动(整流)正向制

12、动(逆变)反向电动(整流)15电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology2)电流断续时电动机的机械特性电流断续时电动机的机械特性可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，把代入式（3-65）、式（3-66）和式（3-68），便可得EM、n与Id的表达式。三相半波电路为例：(4-11)(4-12)(4-13)4.4 逆变工作状态时的直流电动机的机械特性16电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology逆变电流断续时电动机的机械特性，与

13、整流时十分相似：图4-7 电动机在四象限中的机械特性理想空载转速上翘很多，机械特性变软，且呈现非线性。逆变状态的机械特性是整流状态的延续。纵观控制角变化时，机械特性得变化。第1、4象限中和第3、2象限中的特性是分别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以正组和反组变流器。正组变流器反组变流器n321Id4b2b3b4b1=b=p2=b=p2b3b2b1b423411=b 1;1=b12=b 2;2=b2 增大方向b 增大方向 增大方向b 增大方向4.4 逆变工作状态时的直流电动机的机械特性17电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower

14、 Electronics Technology4.5 有源逆变电路应用举例直流可逆电力拖动系统图4-8 两组变流器的反并联可逆线路图4-8a与b是两组反并联的可逆电路a三相半波有环流接线b三相全控桥无环流接线c对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况18电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology两套变流装置反并联两套变流装置反并联连接的可逆电路的相关概念和结论：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。正向运行时由正组变流器供电；反向运行时，则由反组变流器供电。根据对环流的处理方法，反并联可逆电路

15、又可分为不同的控制方案，如配合控制有环流（）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。电动机都可四象限运行四象限运行。可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态：整流或逆变。4.5 有源逆变电路应用举例直流可逆电力拖动系统19电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能实现电动机的回馈制动。电动机反向过程分析电动机反向过程分析：详见P78=b=b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a=b b 的配合控制关系。假设

16、正组为整流，反组为逆变，即有a P=b=b N N，Uda aP=Udb bN，且极性相抵，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，会产生脉动环流。串入环流电抗器LC限制环流。4.5 有源逆变电路应用举例直流可逆电力拖动系统20电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology逻辑无环流可逆系统逻辑无环流可逆系统工程上使用较广泛，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。两组桥之间的切换两组桥之间的切换过程：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

17、为零，使原导通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。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，称为逻辑控制无环流逻辑控制无环流系统。直流可逆电力拖动系统，将在后继课“电力拖动自动控制系统”中进一步分析讨论。4.5 有源逆变电路应用举例直流可逆电力拖动系统21电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology相控电路：相控电路：晶闸管可控整流电路，通过控制触发角 的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。采用晶闸管相控方式时的交流电力变换电路和交交变频电路。相控电路的驱动控

18、制相控电路的驱动控制为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角 的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。4.7变流装置的触发电路1 1、同步信号为锯齿波的触发电路、同步信号为锯齿波的触发电路22电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。

19、此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。图4-17 同步电压为锯齿波的晶闸管触发电路4.7变流装置的触发电路23电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology1)脉冲形成环节脉冲形成环节V4、V5 脉冲形成V7、V8 脉冲放大脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出,其一次绕组接在V8集电极电路中.4.7变流装置的触发电路图4-17 同步电压为锯齿波的晶闸管触发电路控制电压uco加在V4基极上24电力电子 宋海辉Power Electronic

20、s TechnologyPower Electronics Technology2)锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等；本电路采用恒流源电路。恒流源电路方案恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成 V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路4.7变流装置的触发电路图4-17 同步电压为锯齿波的晶闸管触发电路25电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology3)同步环节同步环节同同步步要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确

21、定。锯齿波是由开关V2管来控制的。V2开关的频率就是锯锯齿齿波波的的频频率率由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波锯锯齿齿波波起起点点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯锯齿齿波波的的宽宽度度取决于充电时间常数R1C1。4.7变流装置的触发电路4)强触发环节强触发环节（略）（略）26电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology5)双窄脉冲形成环节双窄脉冲形成环节 内双脉冲电路 V5、V6构成“或”门当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。只要V5、

22、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角 产生。隔60 的第二个脉冲是由滞后60 相位的后一相触发单元产生（通过通过V6）。三相桥式全控整流电路的情况(自学)4.7变流装置的触发电路27电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology2 2、集成触发器：、集成触发器：可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。图4-24 KC04电路原理图4.7变流装置的触发电路KC04：与分立元件的锯齿波移相触发电路

23、相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。28电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology 触发电路的定相触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。措施：措施：同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致。触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。图4-26 三相全控桥的定相Ott1t2uaubucu2ua-4.7变流装置的触发电路31电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower El

24、ectronics Technology变压器接法：主电路整流变压器为D,y-11联结，同步变压器为D,y-11,5联结。图4-27 NPN管锯齿波触发器的电路与电压矢量关系图4.7变流装置的触发电路同步变压器和整流变压器的接法电压矢量图32电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technologyu（1）采用锯齿波触发电路要求工作在整流和逆变状态时:综合管是NPN管，则usa滞后ua 180；综合管是PNP管usa超前ua120；u（2）采用正弦波触发电路要求工作在整流和逆变状态时:综合管是NPN管，则usa滞后ua120

25、；综合管是PNP管，usa超前ua 60;u（3）采用KCZ6（或KJZ6）集成六脉冲触发电路时:ua与,usa同相。u若采用R-C滤波器，应再滞后相应角度（如60）33电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology表4-1 三相全控桥各晶闸管的同步电压（采用图4-27变压器接法时）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+ua-uc+ub-ua+uc-ub同步电压-usa+usc-usb+usa-usc+usb为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，当R-C滤波器滞后角

26、为60时，同步电压选取结果如表4-2所示。表4-2三相桥各晶闸管的同步电压（有R-C滤波滞后60）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+ua-uc+ub-ua+uc-ub同步电压+usb-usa+usc-usb+usa-usc4.7变流装置的触发电路34电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technologyu实现正确触发的同步定相的方法步骤实现正确触发的同步定相的方法步骤:uA：根据不同触发电路与脉冲移相范围的要求，确定同步信号电压us与对应晶闸管阳极电压之间的相位关系。uB：根据整流变压器TS的接法与钟

27、点数，以电网某线电压作参考矢量，画出整流变压器二次侧也就是晶闸管阳极电压的矢量。再根据A确定同步信号US与晶闸管阳极电压的相位关系，画出对应的同步相电压矢量和同步线电压的矢量。uC：根据同步变压器二次线电压矢量位置，定出同步变压器TS的钟点数和接法。只需把同步变压器二次电压Usu、Usv、Usw分别接到VT1，VT3，VT5管的触发电路；Us(-U)、Us(-v)、Us(-w)分别接到VT4、VT6、VT2的触发电路，与主电路的各个符号完全对应，即能保证触发脉冲与主电路同步。35电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Tech

28、nologyu三相半波可控整流电路，采用PNP管的正弦波同步触发电路，整流变压器为Y/Y12接法，同步变压器接法与其矢量图。u同步变压器一次绕组为Y接法。u其中同步变压器接法Y/y-10，矢量图略。36电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology变压器的连接37电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology3、时钟表示法u高压绕组线电势长针，永远指向“12”点钟u低压绕组线电势短针，根据高、低压绕组线电势之间的相位指向不同的钟点。

29、38电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology例如 单相变压器uI,II,I表示初级、次级都是单相绕表示初级、次级都是单相绕组组u0 0和和6 6表示联结组号。表示联结组号。u单相变压器的标准连接组单相变压器的标准连接组I,I0I,I039电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology（三）、三相变压器的连接组别u联结组别：反映三相变压器连接方式及一、二次线电动势（或线电压）的相位关系。u三相变压器的连接组别不仅与绕组的绕向和首

30、末端标志有关，而且还与三相绕组的连接方式有关。u理论和实践证明，无论采用怎样的连接方式，一、二次侧线电动势（电压）的相位差总是30的整数倍。40电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology根据三相变压器绕组联结方式（Y或y、D或d）画出高、低压绕组接线图；在接线图上标出相电势和线电势的假定正方向；画出高压绕组电势相量图，根据单相变压器判断同一相的相电势方法，将A、a重合，再画出低压绕组的电势相量图（画相量图时应注意三相量按顺相序画）；根据高、低压绕组对应线电势相位差，确定联结组别的标号(注：比较的是对应线电压相

31、位差，如UAB与uab,UAC与uac,)。确定三相变压器联结组别的步骤41电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics TechnologyCBA1、Yy0CBAX、Y、Zabcx、y、zABab42电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology2、Yy618043电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology3、Yy4注意注意abcabc顺序错顺序错过一个过一个铁心柱

32、铁心柱12044电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics TechnologyuYy总结uYy联结的三相变压器，共有Yy0、Yy4、Yy8、Yy6、Yy10、Yy2六种联结组别，标号为偶数。若若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到可以得到Yy4Yy4、Yy8Yy8连接组别。若异名端在对应端，可得到连接组别。若异名端在对应端，可得到Yy6Yy6、Yy10Yy10和和Yy2Yy2连接组别。连接组别。我国标准规定生产：我国标准规定生产：Yyn0Yyn0、YNy0YNy

33、0、Yy0Yy045电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technologycab4、Yd13046电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology5、Yd5ACBc xz ba y150abX、Y、Z47电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology6、Yd11330ACBc xb za y abX、Y、Z48电力电子 宋海辉Power Electronics

34、TechnologyPower Electronics TechnologyuYd联结组别总结：uYd联结的三相变压器，共有Yd1、Yd5、Yd9、Yd7、Yd11、Yd3六种联结组别，标号为奇数。若若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到以得到Y,d3Y,d3、Y,d7Y,d7连接组别。若异名端在对应端，可得到连接组别。若异名端在对应端，可得到Y Y，d5d5、Y,d9Y,d9和和Y,d11Y,d11连接组别。连接组别。我国标准规定生产：我国标准规定生产：Yd11Yd11、YNd11YNd1149电力电子 宋海辉Power

35、Electronics TechnologyPower Electronics Technologyu1.三相半波变流器,反电动势阻感负载,R=1，L=，U2=100V，当EM=-150V,=30时求Ud、Id的值。u解：由题意得：uUd1.17U2cos=-1.17U2cos=-1.17*100*cos30=-101VuId(UdEM)R=（-101+150)/1=49A50电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technologyu2.单相全控桥,反电动势阻感负载,R=1,L=,U2=100V，L=1mH，当EM=-99

36、V，=60时求Ud、Id和 的值。u解：由题意可列出如下3 个等式：uUd0.9U2cos(-)UduUd2XBIduId(UdEM)Ru三式联立求解，得uUdR 0.9U2cos(-)2XBEM(R2XB)49.91（V）uId49.09（A）u又 coscos(+)I d XB U2=0.2181u即得出 cos(120+)=-0.7181u换流重叠角 135.9-120=15.951电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technologyu3.三相全控桥变流器,反电动势阻感负载,R=1,L=,U2=220V,L=1m

37、H,当EM=-400V，=60时求Ud、Id和 的值,此时送回电网的有功功率是多少？u解：由题意可列出如下3 个等式：uUd2.34U2cos(-)UduUd3XBIduId(UdEM)Ru三式联立求解，得uUdR 2.34U2cos(-)3XBEM(R3XB)290.3（V）uId109.7（A）u又 coscos(+)2 I d XB U2=0.1279u即得出 cos(120+)=-0.6279u换流重叠角 128.9-120=8.9u送回电网的有功功率为 uP=|EMId|-|2d R=400109.7-109.72109.71=31.85(W)52电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology53电力电子 宋海辉Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology54