21有源逆变概念及工作原理.pptx

有源逆变电路机电工程系机电工程系 李春菊李春菊有源逆变电路有源逆变电路逆变的概念逆变的概念 有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理三相半波逆变电路三相半波逆变电路 三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 逆变失败原因分析及逆变角的限制逆变失败原因分析及逆变角的限制 习题及思考题习题及思考题 2024/4/22 周一 4-3概概 述述什么是逆变？为什么要逆变？什么是逆变？为什么要逆变？逆变（逆变（invertioninvertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。把直流电转变成交流电，整流的逆过程。v实实例例：电电力力机机车车再再生生制制动动行行驶驶，机机车车的的动动能能转转变变为为电电能能，反反送送到到交交流流电电网网中中去。去。逆变电路逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。把直流电逆变成交流电的电路。v有源逆变电路有源逆变电路交流侧和电网连结。交流侧和电网连结。应应用用：直直流流可可逆逆调调速速系系统统、交交流流绕绕线线转转子子异异步步电电动动机机串串级级调调速速以以及及高高压压直流输电等。直流输电等。v无源逆变电路无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。对对于于可可控控整整流流电电路路，满满足足一一定定条条件件就就可可工工作作于于有有源源逆逆变变，其其电电路路形形式式未未变变，只只是是电电路路工工作作条条件件转转变变。既既可可工工作作在在整整流流状状态态又又可可工工作作在在逆逆变变状状态态的电路又称为变流电路。的电路又称为变流电路。2024/4/22 周一 4-4理解和掌握单相、三相有源逆变电路的理解和掌握单相、三相有源逆变电路的工作原理，有源逆变的应用和整流电路工作原理，有源逆变的应用和整流电路的功率因数及其改善的方法。的功率因数及其改善的方法。重点：波形分析法，有源逆变的条件和重点：波形分析法，有源逆变的条件和有源逆变失败的原因。有源逆变失败的原因。（可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算（可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题）。等各项问题）。要要 求求 及及 重重 点点1.整流与逆整流与逆变的关系的关系 前前面面一一章章讨论的的是是把把交交流流电能能通通过晶晶闸管管变换为直直流流电能能并并供供给负载的的可可控控整整流流电路路。但但生生产实际中中，往往往往还会会出出现需需要要将将直直流流电能能变换为交交流流电能能的的情情况况。例例如如，应用用晶晶闸管管的的电力力机机车，当当机机车下下坡坡运运行行时，机机车上上的的直直流流电机机将将由由于于机机械械能能的的作作用用作作为直直流流发电机机运运行行，此此时就就需需要要将将直直流流电能能变换为交交流流电能能回回送送电网网，以以实现电机机制制动。又又如如，运运转中中的的直直流流电机机，要要实现快快速速制制动，较理理想想的的办法法是是将将该直直流流电机机作作为直直流流发电机机运运行行，并并利利用用晶晶闸管管将将直直流流电能能变换为交交流流电能能回回送送电网网，从而从而实现直流直流电机的机的发电机制机制动。一、一、有源逆变电路的工作原理（有源逆变电路的工作原理（概念）概念）相相对于于整整流流而而言言，逆逆变是是它它的的逆逆过程程，一一般般习惯于于称称整整流流为顺变，则逆逆变的的含含义就就十十分分明明显了了。下下面面的的有有关关分分析析将将会会说明明，整整流流装装置置在在满足足一一定定条条件件下下可可以以作作为逆逆变装装置置应用用。即即同同一一套套电路路，既既可可以以工工作作在在整整流流状状态，也也可可以以工工作作在在逆逆变状状态，这样的的电路路统称称为变流装置。流装置。变流流装装置置如如果果工工作作在在逆逆变状状态，其其交交流流侧接接在在交交流流电网网上上，电网网成成为负载，在在运运行行中中将将直直流流电能能变换为交交流流电能能并并回回送送到到电网网中中去去，这样的的逆逆变称称为“有有源源逆逆变”。如如果果逆逆变状状态下下的的变流流装装置置，其其交交流流侧接接至至交交流流负载，在在运运行行中中将将直直流流电能能变换为某某一一频率率或或可可调频率率的的交交流流电能能供供给负载，这样的的逆逆变则称称为“无源逆无源逆变”或或变频电路路。1.整流与逆整流与逆变的关系的关系图2-2 两个两个电源源间能量的能量的传送送(a)同极性同极性连接接E1E2;(b)同极性同极性连接接E2E1；(c)反极性反极性连接接 2.2.电源电源间能量的变换关系间能量的变换关系一、一、有源逆变电路的工作原理（有源逆变电路的工作原理（概念）概念）图(a)表表示示直直流流电源源E1和和E2同同极极性性相相连。当当E1E2时，回回路路中中的的电流流为 式式中中R为回回路路的的总电阻阻。此此时电源源E1输出出电能能E1I，其其中中一一部部分分为R所所消消耗耗的的I2R，其其余余部部分分则为电源源E2所所吸吸收收的的E2I。注注意意上上述述情情况况中中，输出出电能能的的电源源其其电势方向与方向与电流方向一致，而吸收流方向一致，而吸收电能的能的电源源则二者方向相反。二者方向相反。2.电源源间能量的能量的变换关系关系 在在(b)中中，两两个个电源源的的极极性性均均与与图中中相相反反，但但还是是属属于于两两个个电源源同同极极性性相相连的形式。如果的形式。如果电源源E2E1，则电流方向如流方向如图，回路中的，回路中的电流流 I 为此此时，电源源E2输出出电能，能，电源源E1吸收吸收电能能2.电源源间能量的能量的变换关系关系在在图(c)中，两个中，两个电源反极性相源反极性相连，则电路中的路中的电流流 I 为此此时电源源E1和和E2均均输出出电能能，输出出的的电能能全全部部消消耗耗在在电阻阻R上上。如如果果电阻阻值很很小小，则电路中的路中的电流必然很大；若流必然很大；若R=0，则形成两个形成两个电源短路的情况。源短路的情况。2.电源源间能量的能量的变换关系关系 综上所述，上所述，可得出以下可得出以下结论：(1)两两电源源同同极极性性相相连，电流流总是是从从高高电势流流向向低低电势电源源，其其电流流的的大大小小取取决决于于两两个个电势之之差差与与回回路路总电阻阻的的比比值。如如果果回回路路电阻阻很很小小，则很很小小的的电势差差也也足足以以形形成成较大大的的电流流，两两电源源之之间发生生较大能量的交大能量的交换。(2)电流流从从电源源的的正正极极流流出出，该电源源输出出电能能；而而电流流从从电源源的的正正极极流流入入，该电源源吸吸收收电能能。电源源输出出或或吸吸收收功功率率的的大大小小由由电势与与电流流的的乘乘积来来决决定定，若若电势或或者者电流流方方向向改改变，则电能能的的传送送方方向向也随之改也随之改变。(3)两两个个电源源反反极极性性相相连，如如果果电路路的的总电阻阻很很小小，将将形形成成电源源间的短路，的短路，应当避免当避免发生生这种情况。种情况。2.电源源间能量的能量的变换关系关系图 2-3 直流卷直流卷扬系系统(a)提升重物；提升重物；(b)放下重物放下重物 3.3.有源逆变电路的工作原理有源逆变电路的工作原理 一、一、有源逆变电路的工作原理（有源逆变电路的工作原理（概念）概念）3.1 整流工作状整流工作状态（0/2）由由第第章章的的学学习已已知知，对于于单相相全全控控整整流流桥，当当控控制制角角在在0/2之之间的的某某个个对应角角度度触触发晶晶闸管管时，上上述述变流流电路路输出出的的直直流流平平均均电压为Ud=Udo cos，因因为此此时均均小小于于/2，故故Ud为正正值。在在该电压作作用用下下，直直流流电机机转动，卷卷扬机机将将重重物物提提升升起起来来，直直流流电机机转动产生生的的反反电势为ED，且且ED略略小小于于输出直流平均出直流平均电压Ud，此，此时电枢回路的枢回路的电流流为 3.有源逆有源逆变电路的工作原理路的工作原理 3.2 中中间状状态（=/2）当当卷卷扬机机将将重重物物提提升升到到要要求求高高度度时，自自然然就就需需在在某某个个位位置置停停住住，这时只只要要将将控控制制角角调到到等等于于/2的的位位置置，变流流器器输出出电压波波形形中中，其其正正、负面面积相相等等，电压平平均均值Ud为零零，电动机机停停转（实际上上采采用用电磁磁抱抱闸断断电制制动），反反电势ED也也同同时为零零。此此时，虽然然Ud为零零，但但仍仍有有微微小小的的直直流流电流流存存在在。注注意意，此此时电路路处于于动态平平衡衡状状态，与与电路路切切断断、电动机机停停转具有本具有本质的不同。的不同。3.有源逆有源逆变电路的工作原理路的工作原理 3.3 有源逆有源逆变工作状工作状态（/2）上上述述卷卷扬系系统中中，当当重重物物放放下下时，由由于于重重力力对重重物物的的作作用用，必必将将牵动电机机使使之之向向与与重重物物上上升升相相反反的的方方向向转动，电机机产生生的的反反电势ED的的极极性性也也将将随随之之反反相相。如如果果变流流器器仍仍工工作作在在/2 的的整整流流状状态，从从上上面面曾曾分分析析过的的电源源能能量量流流转关关系系不不难看看出出，此此时将将发生生电源源间类似似短短路路的的情情况况。为此此，只只能能让变流流器器工工作作在在/2的的状状态，因因为当当/2时，其其输出出直直流流平平均均电压Ud为负，出出现类似似图2-2(b)中中两两电源源极极性性同同时反反向向的的情情况况，此此时如果能如果能满足足EDUd，则回路中的回路中的电流流为 3.有源逆有源逆变电路的工作原理路的工作原理 电流流的的方方向向是是从从电势ED的的正正极极流流出出，从从电压Ud的的正正极极流流入入，电流流方方向向未未变。显然然，这时电动机机为发电状状态运运行行，对外外输出出电能能，变流流器器则吸吸收收上上述述能能量量并并馈送送回回交流交流电网去，此网去，此时的的电路路进入到有源逆入到有源逆变工作状工作状态。上上述述三三种种变流流器器的的工工作作状状态可可以以用用图2-4所所示示波波形形表表示示。图中中反反映映出出随随着着控控制制角角的的变化化，电路路分分别从从整整流流到到中中间状状态，然后，然后进入有源逆入有源逆变的的过程。程。图2-4 直流卷扬机系统的电压电流波形(a)整流；(b)中间状态；(c)有源逆变 现在在应深深入入分分析析的的问题是是，上上述述电路路在在/2时是是否否能能够工工作作？如如何何理理解解此此时输出出直直流流平平均均电压Ud为负值的的含含义?上上述述晶晶闸管管供供电的的卷卷扬系系统中中，当当重重物物下下降降，电动机机反反转并并进入入发电状状态运运行行时，电机机电势ED实际上上成成了了使使晶晶闸管管正正向向导通通的的电源源。当当/2时，只只要要满足足Ed|u2|，晶晶闸管管就就可可以以导通通工工作作，在在此此期期间，电压ud大大部部分分时间均均为负值，其其平平均均电压Ud自自然然为负，电流流则依依靠靠电机机电势ED及及电感感Ld两两端端感感应电势的的共共同同作作用用加加以以维持持。正正因因为上上述述工工作作特特点点，才才出出现了了电机机输出出能能量量，变流流器器吸吸收收并并通通过变压器向器向电网回网回馈能量的情况。能量的情况。1）外部条件外部条件 务必必要要有有一一个个极极性性与与晶晶闸管管导通通方方向向一一致致的的直直流流电势源源。这种种直直流流电势源源可可以以是是直直流流电机机的的电枢枢电势，也也可可以以是是蓄蓄电池池电势。它它是是使使电能能从从变流流器器的的直直流流侧回回馈交交流流电网网的的源源泉泉，其其数数值应稍稍大大于于变流流器器直直流流侧输出出的的直直流流平平均均电压。4.有源逆有源逆变电路的工作条件路的工作条件 2）内部条件内部条件 要要求求变流流器器中中晶晶闸管管的的控控制制角角/2，这样才才能能使使变流流器器直直流流侧输出出一一个个负的的平平均均电压，以以实现直直流流电源源的的能能量量向向交流交流电网的流网的流转。上述两个条件必上述两个条件必须同同时具具备才能才能实现有源逆有源逆变。必必须指指出出，对于于半半控控桥或或者者带有有续流流二二极极管管的的可可控控整整流流电路路，因因为它它们在在任任何何情情况况下下均均不不可可能能输出出负电压，也也不不允允许直流直流侧出出现反极性的直流反极性的直流电势，所以不能，所以不能实现有源逆有源逆变。有有源源逆逆变条条件件的的获得得，必必须视具具体体情情况况进行行分分析析。例例如如上上述述直直流流电机机拖拖动卷卷扬机机系系统，电机机电势ED的的极极性性可可随随重重物物的的“提提升升”与与“下下降降”自自行行改改变并并满足足逆逆变的的要要求求。对于于电力力机机车，上上、下下坡坡道道行行驶时，因因车轮转向向不不变，故故在在下下坡坡发电制制动时，其其电机机电势ED的的极极性性不不能能自自行行改改变，为此此必必须采采取取相相应措措施施，例例如如可可利利用用极极性性切切换开开关关来来改改变电机机电势ED的极性，的极性，否否则系系统将不能将不能进入有源逆入有源逆变状状态运行。运行。2024/4/22 周一 4-22直流发电机直流发电机电动机系统电能的流转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，实际上形成短路，在工作中必须严防这类事故发生。c)b)a)MGMGMGEGEMIdREGEMIdREGEMIdR3.有源逆有源逆变电路的工作原理路的工作原理 2024/4/22 周一 4-23变流电路变流电路 电动机系统电能的流转电动机系统电能的流转用单相全波电路代替上述发电机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单相全波电路的整流和逆变 图图a a M M电电动动运运行行，全全波波电电路路工工作作在在整整流流状状态态，在在0 0 /2/2之之间，间，U Ud d为正值，并且为正值，并且U Ud d E EM M，才能输出，才能输出I Id d。交流交流电网电网输出输出电功电功率率电动机输入电动机输入电功率电功率电电动动机机输输出出电电功功率率交流电网输交流电网输入电功率入电功率图图b M回回馈馈制制动动，由由于于晶晶闸闸管管的的单单向向导导电电性性，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向，只只能能改改变变EM极极性性。为为了了防防止止两两电电动动势势顺顺向向串串联联，Ud极极性性也也必必须须反反过过来来，即即Ud应应为为负负值，且值，且|EM|Ud|，才能把电能从直流侧送到交流侧，才能把电能从直流侧送到交流侧,实现逆变。实现逆变。U Ud d可通过改变可通过改变 来进行调节，逆变状态时来进行调节，逆变状态时U Ud d为负值，为负值，逆变时逆变时 在在 /2/2 之之间。间。3.有源逆有源逆变电路的工作原理路的工作原理 2024/4/22 周一 4-24实现有源实现有源逆变的条件逆变的条件从从上上述述分分析析中中，可可以以归归纳纳出出要要实实现现有有源源逆变，必须满足下列条件：逆变，必须满足下列条件：（1 1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一）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。致，其值大于变流器直流侧平均电压。（2 2）晶闸管的控制角）晶闸管的控制角 /2/2，使使U Ud d为负值。为负值。半半控控桥桥或或输输出出端端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，也也不不允允许许直直流流侧侧出出现现负负极极性性的的电电动动势势，故故不不能能实实现现有有源源逆逆变变。欲欲实实现现有有源源逆逆变变，只只能能采用全控电路。采用全控电路。2024/4/22 周一 4-25改变电枢电势改变电枢电势 E 极性的方法极性的方法（1）某些机械能随着工况的不同自动改变）某些机械能随着工况的不同自动改变E的极性的极性（如直流卷扬机）。（如直流卷扬机）。（2）改变励磁电流方向。改变励磁电流方向。（3）反接电枢回路。反接电枢回路。在可逆拖动系统中，通常采用两套变在可逆拖动系统中，通常采用两套变流器相互切换。流器相互切换。2024/4/22 周一 4-26逆变角逆变角 为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆变角变角 （或称引前触发角）（或称引前触发角）表示相控角度。表示相控角度。规定：规定：角计算的起始点为控制角角计算的起始点为控制角 =处，处，计算方法为：自计算方法为：自 =（=0）的起始点）的起始点向左方计量。向左方计量。、的关系：的关系：=或或 =2024/4/22 周一 4-27二、单相桥式有源逆变电路二、单相桥式有源逆变电路1、变流器工作于整流状态（、变流器工作于整流状态（0 2）Ud 0,E 0，Ud E，M工作于电动状态工作于电动状态2024/4/22 周一 4-282、变流器工作于逆变状态（、变流器工作于逆变状态（2 ）电动机工作于发电状态，由于电动机工作于发电状态，由于Id方向不能改变，方向不能改变，因而要求：因而要求：E 0（反极性），（反极性），Ud 0（反（反极性）且极性）且 Ud E 2024/4/22 周一 4-293、单相桥式电路逆变电压的计算、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变流器直流侧电压计算公式考虑换相重叠角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的计算原则进行。还有什么问题吗？