电力电子技术课件有源逆变.ppt

2.7整流电路的有源逆变状态,2.7.1逆变的概念,1．逆变及有源逆变,逆变是将直流电转变为交流电，是整流的逆过程。,逆变分为有源逆变和无源逆变。,有源逆变是将直流电逆变为与电网同频率的交流电，直接回送给电网，即其逆变电路的交流侧和电网相连。,无源逆变则是将直流电逆变为某一频率或频率可调的交流电，直接供负载使用，即其逆变电路的交流侧和负载相连。,2.两电源之间的能量传递,同极性相连;EG＞EM;,同极性相连;EM＞EG;,反极性相连,电动运行,发电运行,短路,3.有源逆变的工作原理及条件,1α＜90,输出Ud为正值,M电动运行,EM上正下负。,晶闸管装置工作在整流状态，供能；M吸收能量,电动运行。,2α＞90,且使Ud＜EM，Ud与前整流时Ud极性相反，VT会导通。,M供能，工作于发电制动状态；晶闸管装置吸收能量，并送交流电网，实现有源逆变。,总结在一周期内，并不是每一瞬时都进行有源逆变，只是一周期内逆变时间大于整流时间（因为α＞90），总的来看，电路工作在有源逆变状态。,实现有源逆变的条件,必要条件（1）要有直流电源E，且满足E的方向为使晶闸管导通的方向及E的数值应大于变流器直流侧的平均电压；（2）要求α＞90，使Ud为负值。,充分条件要有足够大的电感L，以使逆变连续进行。,逆变和整流的区别控制角不同,0p/2时，电路工作在整流状态。p/2p时，电路工作在逆变状态。,问题,单相桥式全控整流电路带阻感性负载，当工作在0p/2时，是否在一个周期内都处于整流状态,讨论以下电路哪些可以实现有源逆变为什么,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。,2.7.2三相整流电路的有源逆变工作状态,1.逆变角β,定义απ-β,即αβπ,则βπ-α。,UdUdocosα-Udocosβ,α、β是从两个方向表示晶闸管的触发时刻。,2.三相半波有源逆变电路,能量传递关系EM的正极流出电流，因此它提供能量，经晶闸管电路把直流电能逆变为交流电能回馈电网。,3.三相桥式全控整流电路的有源逆变状态,计算以三相电路为例）,Ud、EM均为负值,EM为负值，Pd故为负值，表示功率由直流侧送交流电源,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。,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，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。,2.7.3逆变失败与最小逆变角的限制,逆变失败提出的原因,,整流,逆变,,一.失败的原因,1.触发电路的原因脉冲丢失、脉冲分布不均匀。,2.晶闸管本身的原因,3.交流电源方面的原因缺相、电源突然断电、电网电压波动使同步电压波动,造成脉冲丢失。,4.逆变角β太小,β＞γ换相重叠角,正常。,若β＜γ即β0时换流还没有结束，前一相继续导通，换相失败。,二.最小逆变角βmin的确定,1.考虑的因素,1.换相重叠角γ15～25,可查手册或由公式计算。2.晶闸管的关断时间tq所对应的电角度δ,可达200～300μs,δ为4～5。3.安全裕量θ＇,取10。,βminγδθ＇15～25（4～5）1030～35,2.限制方法,1.触发电路在ββmin处附加一组固定脉冲。,2.逆变角保护电路,3.Uc加限幅电路。,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,高压直流输电,晶闸管直流电动机可逆拖动系统,晶闸管直流电动机系统晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统。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。,2.8晶闸管直流电动机系统,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。,直流电动机的四象限运行,问题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。,问题2,他励直流电动机改变转向的方法,,电枢反接励磁绕组反接,问题3,他励直流电动机的制动方法,能耗制动反接制动回馈制动,,,n,T,0,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。,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。,2.8.1直流可逆拖动系统,1.两组晶闸管反并联组成的αβ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。,用一个控制电压Uc控制I、Ⅱ两组变流桥的控制角，使它们同步的向相反的方向变化。,（1）开始时，αIβⅡ90，电动机转速为零。,（2）αI＜90，I组进入整流状态，交流电源供能，电动机正转电动运行,βⅡ＜90（且αIβⅡ），此时Ⅱ组桥虽可以有输出电压Ud，但因不满足|EM|＞|Ud|而没有逆变电流，称这种状态为待逆变状态。,αβ工作制触发脉冲的具体实施如下,（3）正转到反转使αI和βⅡ同时增大分别进入逆变和整流区,,本组逆变,αI↑＞90（即βI＜90）,Id↓0,反组待整流βⅡ↑＞90（即αⅡ＜90）,反组逆变（正转）αⅡ↑＞90（即βⅡ＜90）且使|EM|＞|UdⅡ|,正组待整流αIβⅡ＜90,电感储能回送电网，电动机正转电动运行。,机械能回送电网，电动机回馈制动。,βⅡ↑,（4）反转运行,βⅡ↑90,,n↓0,EM0,,αⅡ＜90，Ⅱ组进入整流状态，交流电源供能，电动机反转电动运行,βI＜90，因不满足|EM|＞|Ud|而没有逆变电流，待逆变状态。,αβ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αβ的配合控制关系。假设正组为整流，反组为逆变，即有αⅠβⅡ，UdⅠUdⅡ，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。,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。,特点快速性好，但需加环流电抗器，适合于中小容量的系统。,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。,2.逻辑无环流系统,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。,两组桥之间的切换过程,电动机正转给Ｉ组变流桥加触发脉冲，αＩ＜90，为整流状态；Ⅱ组桥封锁阻断。电动机为“正转电动”运行，工作在第一象限。,电动机由正转到反转触发脉冲后移到αＩ＞90，电抗器Ld中的一部分储能经I组桥逆变反送回电网,,Id0,,I组桥封锁,,延时3－10ms,,Ⅱ组加触发脉冲，且使βⅡ＜90，进入有源逆变状态,,βⅡ↑90，n↓0,,βⅡ＞90则Ⅱ组桥进入整流状态，电动机开始反转，进入第三象限的“反转电动”运行状态。,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。,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。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，故称为逻辑控制无环流系统。,此系统，将在后继课“电力拖动自动控制系统”中进一步分析讨论。,逻辑无环流系统,2.8.2工作于整流状态时的机械特性,整流电路接反电动势负载时，负载电流断续，对整流电路和电动机的工作都很不利。,通常在电枢回路串联一平波电抗器，保证整流电流在较大范围内连续。,一.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,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,称为电动机电枢回路总的等效电阻,,用转速与负载电流表示的机械特性为,其机械特性是一组平行的直线，其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异。调节a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，此时其机械特性也就呈现出非线性。,二.电流断续时直流电动机的机械特性,1.电动机的理想空载转速no升高,2.机械特性变软,3.随着α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IdK来表示。,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5％～10％）要大于IdK，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平波电抗器。,L不仅包括了平波电抗器电感量，还包括由变压器的漏感LT、电动机电枢电感LD。,单相桥式全控整流电路,三相半波可控整流电路,三相桥式全控整流电路,单位是mH,2.8.3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EMCen，可求得电动机的机械特性方程式,逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似,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。,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。,5.三相半波可控整流电路对直流电动机供电，α60时，电动机理想空载转速为no1000r／min。求α30和α120时no为多少,解,因为,α30时,α120时,,3.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二极管。要求整流电压20V～80V连续可调，最大负载电流为20A。最小控制角为30。求VT、VD、VDR的额定电流以及TR的二次侧容量。,解（1）Ud80V时，αmin30。,,Ud20V时，对应αmax,（2）计算IT时，αmin30,,（3）计算IVDR时，αmax122.3,,（4）计算S2时，αmin30,4.三相桥式全控整流电路，反电动势阻感负载。E200V，R1Ω，L∞，U2220V，α60。当LB0mH和LB1mH的情况下，分别求Ud和Id的值，后者还要求出γ角。,解（1）LB0mH,（2）LB1mH,又由电压平衡方程式,,,,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。四象限运行图是根据直流电动机的转矩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行状态的图。图５－７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，电动机在第一和第三象限分别运行在“正转电动”和“反转电动”状态，第二和第四象限内电动机的转速与转矩异号，电动机分别运行在“正转发电”和“反转发电”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。,,,,,,,,,,,,,,,高压直流输电,绕线异步电动机串级调速,