第四章：有源逆变.pptx

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1、2023/3/20 4-1概 述什么是逆变？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。v实例：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送到交流电网中去。逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。v有源逆变电路逆变电路的交流侧和电网连接，将直流电逆变成与电网同频率的交流电反送到电网。（本章介绍）第1页/共47页2023/3/20 4-2v无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网连接，而直接接到负载，将直流电逆变成固定频率或可调频率的交流电供给负载。（将在第6章介绍）对于全控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件发生改变。既可工作在

2、整流状态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。第2页/共47页2023/3/20 4-3本章内容4.1 有源逆变电路的工作原理（概念）4.2 三相有源逆变电路4.3 有源逆变的应用4.4 变流电路的功率因数及改善方法第3页/共47页2023/3/20 4-4一、有源逆变的概念1、直流发电机电动机系统电能的流转 图a M电动运转，EGEM，电流Id从G流向M，M吸收电功率。图b 回馈制动状态，M作发电运转，此时，EMEG，电流反向，从M流向G。故M输出电功率，G则吸收电功率，M轴上输入的机械能转变为电能反送给G。图c 两电动势顺向串联，向电阻R供电，G和M均输出功率。由于R 一般都很小，实际上

3、形成短路。c)b)a)MGMGMGEGEMIdREGEMIdREGEMIdR4.1 有源逆变电路的工作原理第4页/共47页2023/3/20 4-52、变流电路 电动机系统电能的流转用单相全波电路代替上述发电机 单相全波电路的整流和逆变 图a a M M电动运行，全波电路工作在整流状态，在0 0 /2/2之间，U Ud d为正值，并且U Ud d E EM M，才能输出I Id d。交流电网输出电功率电动机输入电功率电动机输出电功率交流电网输入电功率图图b M回回馈馈制制动动，因因晶晶闸闸管管单单向向导导电电，Id方方向向不不变变，欲欲改改变变电电能能的的输输送送方方向，只能改变向，只能改变E

4、M、Ud的极性，即的极性，即Ud应为负值，且应为负值，且|EM|Ud|。U Ud d可通过改变 来进行调节，逆变状态时U Ud d为负值，逆变时 在 /2/2 之间。第5页/共47页2023/3/20 4-63、实现有源逆变的条件从上述分析中，可以归纳出要实现有源逆变，必须满足下列条件：（1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一 致，其值大于变流器直流侧平均电压。（外部条件）（2）晶闸管的控制角/2，使Ud为负值。（内部条件）半控桥或输出端有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。第6页/共47页2023/3/20 4-74、改变

5、电枢电势 E 极性的方法（1）某些机械能随着工况的不同自动改变E的 极性（如直流卷扬机）。（2）改变励磁电流方向。（3）反接电枢回路。第7页/共47页2023/3/20 4-85、逆变角 为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆变角 （或称引前触发角）表示相控角度。规定：角计算的起始点为控制角 =处，计算方法为：自 =（=0）的起始点向左方计量。、的关系：=或 =第8页/共47页2023/3/20 4-9二、单相桥式有源逆变电路1、变流器工作于整流状态（0 2）Ud 0,E 0，Ud E，M工作于电动状态第9页/共47页2023/3/20 4-102、变流器工作于逆变状态（2 ）电动机工作于发电

6、状态，由于Id方向不能改变，因而要求：E 0（反极性），Ud 0（反极性）且Ud E第10页/共47页2023/3/20 4-113、单相桥式电路逆变电压的计算变流器直流侧电压计算公式考虑换相重叠角其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行。第11页/共47页2023/3/20 4-124.2 三相有源逆变电路 一、三相半波有源逆变电路1、变流器工作于整流状态（0 2）Ud 0,E 0，Ud E，M工作于电动状态第12页/共47页2023/3/20 4-132、变流器工作于逆变状态（2 ）电动机工作于发电状态，由于Id方向不能改变

7、，因而要求：Ud 0（反极性）,E 0（反极性）Ud E第13页/共47页2023/3/20 4-14第14页/共47页2023/3/20 4-153、三相半波电路逆变电压的计算变流器直流侧电压计算考虑换相重叠角 其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行。第15页/共47页2023/3/20 4-16二、三相桥式全控有源逆变电路1、变流器工作于逆变状态（2 ）Ud 0,E 0，Ud E第16页/共47页2023/3/20 4-172、三相桥式电路逆变电压的计算变流器直流侧电压计算公式考虑换相重叠角其它的电量，如负载电流平均值、晶

8、闸管电流平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行。第17页/共47页2023/3/20 4-18三、逆 变 失 败及最小逆变角的限制 1、定义 逆变运行时，一旦发生换相失败，整流电路就由逆变工作状态进入整流工作状态，使输出平均电压Ud和直流电势变成顺向串联，或者使外接直流电势通过SCR电路形成短路，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。第18页/共47页2023/3/20 4-192、逆变失败的原因（1）触发脉冲丢失T2的触发脉冲ug2丢失以三相半波可控电路为例第19页/共47页2023/3/20 4-202、逆变失败的原因（续）（2）触发脉冲延迟T2的触发脉冲ug2

9、延迟第20页/共47页2023/3/20 4-21（3）晶闸管发生故障（指晶闸管失去阻断能力或失去导通能力）T3失去阻断能力2、逆变失败的原因（续）第21页/共47页2023/3/20 4-22（4）换相的裕量角不足2、逆变失败的原因（续）第22页/共47页2023/3/20 4-23（5）交流电源发生异常现象，如 交流电源突然断电 交流电源电压太低 交流电源缺相 不论什么原因，逆变失败的后果都是造成电流急剧上升！2、逆变失败的原因（续）第23页/共47页2023/3/20 4-243、避免逆变失败的措施（1）预防措施采用可靠的触发电路，保证触发脉冲不丢失、不延迟；选用有足够阻断能力的SCR，

10、防止误导通；逆变角 不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。（2）保护措施：装快速熔断器或快速开关；第24页/共47页2023/3/20 4-254、确定最小逆变角 min 的依据（1）最小逆变角 min =+:换相重叠角（约为1520）:恢复阻断角SCR的关断时间 tq 折合的电角，=tqtq约为200300s，折算成电角度约45:安全裕量角（一般取10）最小逆变角min一般可取3035。角越大，逆变越可靠，但功率因数越低！第25页/共47页2023/3/20 4-26例4-1 三相全控桥式整流电路接阻感反电势负载。已知整流变压器副边线电压 UAB=220V，交流侧电感LB=0.5mH，R

11、=2，E=-290V，=150，=100 ，Ld足够大，求直流端电压、电流和交流电源的功率因数。解：交流侧电抗为 输出直流平均电压为 输出电压又可表示为 第26页/共47页2023/3/20 4-27例 4-1（续）负载侧的功率为负载功率为负值，表明负载侧实际是发出电能回馈到电网。所以交流电源的功率因数为所以第27页/共47页2023/3/20 4-28例4-2 三相半波整流电路如图例4.2所示，已知电动机处于稳定的发电制动状态，滤波电抗Xd足够大，输出电流连续而平直，电枢回路总电阻Ra0.5，电机端压Ua220V，变压器副边相电压U2220V，交流侧换流电抗XB0.21。试完成下列要求：1说

12、明图中整流器输出电压U Ud d和电动机端电压U Ua a的极性；2 2说明变流器控制角的调节范围；3 3如何调节电动机的制动强度？4 4当制动电流I Ia a103A103A时，系统向交流电网回馈的功率有多大？此时变流器的逆变角为多少？第28页/共47页2023/3/20 4-29例 4-2（续）解：1.由于电机处于稳定的再生制动状态，电动机向交流电网回馈电能，而晶闸管不能逆向导通电流，据此可以确定整流器输出电压Ud和电动机端电压Ua的极性为下“+”上“-”。2.逆变工作时控制角的理论范围是90180，为防止逆变颠覆，有最小逆变角min限制，即控制角有最大值max的限制。min 受换流电流、

13、交流侧换相电抗及元件关断时间的影响，min 大约在35 左右。因此逆变工作时控制角的范围大致是90150。第29页/共47页2023/3/20 4-30例 4-2（续）解：4负号说明电网吸收电功率 代入 得：3.通过调节 角来调节制动强度，当 较大时，变流器输出逆变电压较小，制动电流大，制动力就强，反之亦然。第30页/共47页2023/3/20 4-31高压直流输电4.3 有源逆变的应用两组晶闸管变流器的交流侧分别与两个交流系统u u1 1、u u2 2连接，变流器的直流侧相互关联。通过分别控制两个变流器的工作状态，就可控制功率的流向。在送电端，变流器工作于整流工况，在受电端变流器工作于逆变工

14、况。第31页/共47页2023/3/20 4-32绕线式异步电动机晶闸管串级调速系统转子在不同的转速下感应出转差频率的电压，经一组不控的三相桥式变流器变成直流电压，此电压再经一组全控桥式变流器实现有源逆变，把电能（转差功率）馈送回电网中去，改变逆变角的大小，即可改变馈送回电网电能的多少，从而达到改变电机转速的目的。第32页/共47页2023/3/20 4-33直流可逆电力拖动系统第一象限，变流器的控制角 1900，Ud1E，整流状态，电机正转电动运行；第二象限，变流器的控制角 900，UdE，有源逆变状态，电机正转发电制动机运行；第三象限，变流器的控制角 900，UdE，整流状态，电机反转电动

15、运行；第四象限，变流器的控制角 1900，Ud1E，有源逆变状态，电机反转发电制动运行。第33页/共47页2023/3/20 4-344.4 变流电路的功率因数及改善方法一、变流电路的功率因数1、定义变流电路电网侧有功功率与视在功率之比。2、计算方法1 =P/S 若忽略变流电路损耗，P应等于整流负载功率。第34页/共47页2023/3/20 4-353、计算方法2 =cos cos：相位移系数（基波的有功功率与基波的视在功率之比）:电流畸变系数（基波电流有效值与总电流有效值之比），即：=I1/I第35页/共47页2023/3/20 4-36例：单相全控桥式电路功率因数计算计算方法1第36页/共

16、47页2023/3/20 4-37例：单相全控桥式电路功率因数计算计算方法2第37页/共47页2023/3/20 4-38二、功率因数的改善方法1、全控变流器的半控工作状态（提高基波功率因数）整流波形 逆变波形第38页/共47页2023/3/20 4-392、强迫换相（1）熄灭角控制（使基波电流超前电压，对整个电力系统有利）第39页/共47页2023/3/20 4-402、强迫换相（续）（2）对称角控制（使基波功率因数=1）第40页/共47页2023/3/20 4-412、强迫换相（续）（3）脉冲宽度控制（使基波功率因数=1，同时提高电流畸变系数）第41页/共47页2023/3/20 4-42

17、3、串联变流器的顺序控制（主要是提高基波功率因数）第42页/共47页2023/3/20 4-43课 堂 思 考 1、下列电路中能用于有源逆变的有：(1)单相桥式全控整流电路(2)单相桥式半控整流电路(3)单相桥式不可控整流电路(4)三相桥式全控整流电路(5)三相桥式半控整流电路(6)三相桥式不可控整流电路(7)三相半波可控整流电路(8)带续流二极管的三相半波可控整流电路第43页/共47页2023/3/20 4-44课 堂 思 考 2、判断对错晶闸管有源逆变电路：当某个晶闸管发生故障、失去开通能力时，肯定会导致逆变失败；不论什么原因导致逆变失败，其后果都会造成电流急剧增大；可以采用全控电路，也可

18、以采用半控电路；交流侧可以与电网连接，也可以与负载连接。第44页/共47页2023/3/20 4-45本章小结1、掌握逆变的概念：逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。它分为有源逆变和无源逆变两种。有源逆变电路电路的交流侧和电网连接，将直流电逆变成与电网同频率的交流电反送到电网。无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网连接，而直接接到负载，将直流电逆变成固定频率或可调频率的交流电供给负载。第45页/共47页2023/3/20 4-46相控电路中，半控桥或输出端有续流二极管的电路因其整流电压ud不能出现负值，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。2、理解实现有源逆变的条件（1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。（2）晶闸管的控制角/2，使Ud为负值。3、理解逆变失败含义、原因、后果、预防措施4、理解为什么要限制角的最小值和确定最小逆变角 min 的依据5、掌握基本电量计算本章小结第46页/共47页2023/3/20 北京交通大学电气工程学院4-47感谢您的观看！第47页/共47页