第四章：有源逆变.pptx

有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-0第第 4 章章 有源逆变与相有源逆变与相控变流器特性控变流器特性有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-1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？逆逆变变（invertioninvertion）把把直直流流电电转转变变成成交交流流电电，整流的逆过程。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变为电能，反送到交流电网中去。转变为电能，反送到交流电网中去。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有有源源逆逆变变电电路路逆逆变变电电路路的的交交流流侧侧和和电电网网连连接接，将将直直流流电电逆逆变变成成与与电电网网同同频频率率的的交交流流电反送到电网。电反送到电网。（本章介绍）（本章介绍）有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-2v无无源源逆逆变变电电路路变变流流电电路路的的交交流流侧侧不不与与电电网网连连接接，而而直直接接接接到到负负载载，将将直直流流电电逆逆变变成成固固定定频频率率或或可可调调频频率率的的交交流流电电供供给给负负载载。（将在第（将在第6 6章介绍）章介绍）对对于于全全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发发生生改改变变。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变状态的电路又称为变流电路。逆变状态的电路又称为变流电路。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-3本章内容本章内容4.14.1 有源逆变电路的工作原理（概念）有源逆变电路的工作原理（概念）4.24.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路4.34.3 有源逆变的应用有源逆变的应用4.44.4 变流电路的功率因数及改善方法变流电路的功率因数及改善方法有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-4一、一、有源逆变的有源逆变的概念概念1 1、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。c)b)a)MGMGMGEGEMIdREGEMIdREGEMIdR4.1 有源逆变电路的工作原理有源逆变电路的工作原理有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-52、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 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，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向，只只能能改改变变EM、Ud的的极极性性，即即Ud应为负值，且应为负值，且|EM|Ud|。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。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-63 3、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逆变变，必须满足下列条件：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 致致，其其值值大大于于变变流流器器直直流流侧侧平平均均电电压压。（外外部条件）部条件）（2 2）晶晶闸闸管管的的控控制制角角 /2/2，使使U Ud d为为负负值值。（内内部条件）部条件）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，故故不不能能实实现现有有源源逆逆变变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-74、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的的 极性（如直流卷扬机）。极性（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。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-85、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 =有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-9二、二、单相桥式有源逆变电路单相桥式有源逆变电路1、变流器工作于、变流器工作于整流状态（整流状态（0 2）Ud 0,E 0，Ud E，M工作于电动状工作于电动状态态有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-102、变流器工作于、变流器工作于逆变状态（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（反极性）（反极性）且且 Ud E 有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-113、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按照整流电路的计算原则进行。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-124.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路 一、一、三相半波有源逆变电路三相半波有源逆变电路1、变流器工作于、变流器工作于整流状态（整流状态（0 2）Ud 0,E 0，Ud E，M工作于电动工作于电动状态状态有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-132、变流器工作于、变流器工作于逆变状态（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：Ud 0（反极性）（反极性）,E 0（反极性）（反极性）Ud E 有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-14有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-153、三相半波电路逆变电压的计算、三相半波电路逆变电压的计算变流器直流侧电压计算变流器直流侧电压计算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流电路的计算原则进行。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-16二、三相桥式全控有源逆变电路二、三相桥式全控有源逆变电路1、变流器工作于、变流器工作于逆变状态（逆变状态（2 ）Ud 0,E 0，Ud E 有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-172、三相桥式电路逆变电压的计算、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按照整流电路的计算原则进行。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-18三、逆三、逆 变变 失失 败及最小逆变角的限制败及最小逆变角的限制 1、定义、定义 逆变运行时，一旦发生换相失败，整流电路就由逆变运行时，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，使输出平均电逆变工作状态进入整流工作状态，使输出平均电压压Ud和直流电势变成顺向串联，或者使外接直流和直流电势变成顺向串联，或者使外接直流电势通过电势通过SCR电路形成短路，电路形成短路，这种情况称为逆变这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。失败，或称为逆变颠覆。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-192、逆变失败的原因、逆变失败的原因（1）触发脉冲丢失）触发脉冲丢失T2的触发脉冲的触发脉冲ug2丢失丢失以三相半波可控电路为例以三相半波可控电路为例有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-202 2、逆变失败的原因、逆变失败的原因、逆变失败的原因、逆变失败的原因（续）（续）（续）（续）（2）触发脉冲延迟）触发脉冲延迟T2的触发脉冲的触发脉冲ug2延迟延迟有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-21（3）晶闸管发生故障）晶闸管发生故障（指（指晶闸管失去阻断能力或晶闸管失去阻断能力或失去导通能力失去导通能力）T3失去阻断能力失去阻断能力2 2、逆变失败的原因、逆变失败的原因、逆变失败的原因、逆变失败的原因（续）（续）（续）（续）有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-22（4）换相的裕量角不足）换相的裕量角不足2 2、逆变失败的原因、逆变失败的原因、逆变失败的原因、逆变失败的原因（续）（续）（续）（续）有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-23（5）交流电源发生异常现象，如）交流电源发生异常现象，如 交流电源突然断电交流电源突然断电 交流电源电压太低交流电源电压太低 交流电源缺相交流电源缺相 不论什么原因，逆变失败的后果都是造不论什么原因，逆变失败的后果都是造成电流急剧上升！成电流急剧上升！2 2、逆变失败的原因、逆变失败的原因、逆变失败的原因、逆变失败的原因（续）（续）（续）（续）有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-243、避免逆变失败的措施、避免逆变失败的措施（1）预防措施）预防措施采用可靠的触发电路，保证触发脉冲不丢采用可靠的触发电路，保证触发脉冲不丢失、不延迟；失、不延迟；选用有足够阻断能力的选用有足够阻断能力的SCR，防止误导通；防止误导通；逆变角逆变角 不能太小，必须限制在某一允许不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内的最小角度内。（2）保护措施保护措施：装装快速熔断器或快速开关；快速熔断器或快速开关；有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-254、确定最小逆变角、确定最小逆变角 min 的依据的依据（1）最小逆变角）最小逆变角 min =+:换相重叠角（约为换相重叠角（约为15 20 ）:恢复阻断角恢复阻断角SCR的关断时间的关断时间 tq 折合的折合的电角，电角，=tqtq约为约为200300 s，折算成电角度，折算成电角度约约4 5 :安全裕量角（一般取安全裕量角（一般取10 ）最小逆变角最小逆变角min一般可取一般可取30 35。角越大，逆变越可靠，但功率因数越低！角越大，逆变越可靠，但功率因数越低！有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-26例例4-1 三相全控桥式整流电路接阻感反电势负载。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已知整流变压器副边线电压 UAB=220V，交流，交流侧电感侧电感LB=0.5mH，R=2，E=-290V，=150，=100 ，Ld足够大，求直流端电压、足够大，求直流端电压、电流和交流电源的功率因数电流和交流电源的功率因数。解：交流侧电抗为解：交流侧电抗为 输出直流平均电压为输出直流平均电压为 输出电压又可表示为输出电压又可表示为 有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-27例例例例 4-14-1（续）（续）（续）（续）负载侧的功率为负载侧的功率为负负载载功功率率为为负负值值，表表明明负负载载侧侧实实际际是是发发出出电电能能回回馈到电网。馈到电网。所以交流电源的功率因数为所以交流电源的功率因数为所以所以有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-28例例4-2 三三相相半半波波整整流流电电路路如如图图例例4.2所所示示，已已知知电电动动机机处处于于稳稳定定的的发发电电制制动动状状态态，滤滤波波电电抗抗Xd足足够够大大，输输出出电电流流连连续续而而平平直直，电电枢枢回回路路总总电电阻阻Ra0.5，电电机机端端压压Ua220V，变变压压器器副副边边相相电电压压U2220V，交交流流侧侧换换流流电电抗抗XB0.21。试完成下列要求：试完成下列要求：1说说明明图图中中整整流流器器输输出出电电压压U Ud d和和电电动机端电压动机端电压U Ua a的极性；的极性；2 2说明变流器控制角的调节范围；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？如何调节电动机的制动强度？4 4当当制制动动电电流流I Ia a103A103A时时，系系统统向向交交流流电电网网回回馈馈的的功功率率有有多多大大？此此时时变流器的逆变角为多少？变流器的逆变角为多少？有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-29例例例例 4-24-2（续）（续）（续）（续）解解：1.由由于于电电机机处处于于稳稳定定的的再再生生制制动动状状态态，电电动动机机向向交交流流电电网网回回馈馈电电能能，而而晶晶闸闸管管不不能能逆逆向向导导通通电电流流，据据此此可可以以确确定定整整流流器器输输出出电电压压Ud和和电电动机端电压动机端电压Ua的极性为下的极性为下“+”上上“-”。2.逆逆 变变 工工 作作 时时 控控 制制 角角 的的 理理 论论 范范 围围 是是90180 180，为为防防止止逆逆变变颠颠覆覆，有有最最小小逆逆变变角角minmin限限制制，即即控控制制角角有有最最大大值值maxmax的的限限制制。minmin 受受换换流流电电流流、交交流流侧侧换换相相电电抗抗及及元元件件关关断断时时间间的的影影响响，minmin 大大约约在在35 左左右右。因因此此逆逆变变工作时控制角的范围大致是工作时控制角的范围大致是90150 150。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-30例例例例 4-24-2（续）（续）（续）（续）解：解：4负号说明电网吸收电功率负号说明电网吸收电功率 代入代入 得得：3.通过调节通过调节 角来调节制动强度，当角来调节制动强度，当 较大时，变较大时，变流器输出逆变电压较小，制动电流大，制动力就流器输出逆变电压较小，制动电流大，制动力就强，反之亦然。强，反之亦然。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-31高压直流输电高压直流输电4.3 有源逆变的应用有源逆变的应用两组晶闸管变流器的交流侧分别与两组晶闸管变流器的交流侧分别与两个交流系统两个交流系统u u1 1、u u2 2连接，变流器连接，变流器的直流侧相互关联。的直流侧相互关联。通过分别控制两个变流器的工作状态，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。就可控制功率的流向。在送电端，变流器工作于整流工况，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况。在受电端变流器工作于逆变工况。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-32绕线式异步电动机晶闸管串级调速系统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率的电压，经一组不控的三相桥式变流器变成直流电压，变流器变成直流电压，此电压再经一组全控桥式变流器实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）现有源逆变，把电能（转差功率）馈送回电网中去，馈送回电网中去，改变逆变角的大小，即可改变馈送回改变逆变角的大小，即可改变馈送回电网电能的多少，从而达到改变电机电网电能的多少，从而达到改变电机转速的目的。转速的目的。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-33直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统第一象限，变流器第一象限，变流器的控制角的控制角 1900，Ud1E，整流状态，整流状态，电机正转电动运行；电机正转电动运行；第二象限，变流器第二象限，变流器的控制角的控制角 900，UdE，有源逆变状态，有源逆变状态，电机正转发电制动机运行；电机正转发电制动机运行；第三象限，变流器第三象限，变流器的控制角的控制角 900，UdE，整流状态，电机，整流状态，电机反转电动运行；反转电动运行；第四象限，变流器第四象限，变流器的控制角的控制角 1900，Ud1E，有源逆变状态，有源逆变状态，电机反转发电制动运行。电机反转发电制动运行。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-344.4 变流电路的功率因数及改善方法变流电路的功率因数及改善方法一、变流电路的功率因数一、变流电路的功率因数1、定义、定义变流电路电网侧有功功率与视在功率之比。变流电路电网侧有功功率与视在功率之比。2、计算方法、计算方法1 =P/S 若忽略变流电路损耗，若忽略变流电路损耗，P应等于整流负载功应等于整流负载功率。率。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-353、计算方法、计算方法2 =cos cos ：相：相位移系数位移系数（基波的（基波的有功功率与有功功率与基波的基波的视在功率之比）视在功率之比）:电流畸变系数（基波电流有效值电流畸变系数（基波电流有效值与总与总电流有效值电流有效值之比），即：之比），即：=I1/I有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-36例：单相全控桥式电路功率因数计算例：单相全控桥式电路功率因数计算计算方法计算方法1有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-37例：单相全控桥式电路功率因数计算例：单相全控桥式电路功率因数计算计算方法计算方法2有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-38二、功率因数的改善方法二、功率因数的改善方法1、全控变流器的半控工作状态、全控变流器的半控工作状态（提高基波功率因（提高基波功率因数）数）整流波形整流波形 逆变波形逆变波形有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-392、强迫换相、强迫换相（1）熄灭角控制（使基波电流超前电压，对整个）熄灭角控制（使基波电流超前电压，对整个电力系统有利）电力系统有利）有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-402、强迫换相、强迫换相（续）（续）（2）对称角控制（使基波功率因数）对称角控制（使基波功率因数=1）有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-412、强迫换相、强迫换相（续）（续）（3）脉冲宽度控制（使基波功率因数）脉冲宽度控制（使基波功率因数=1，同时，同时提高提高电流畸变系数电流畸变系数）有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-423、串联变流器的顺序控制、串联变流器的顺序控制（主要是提高基波功率因数）（主要是提高基波功率因数）有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-43课课 堂堂 思思 考考 1、下、下列电路中能用于有源逆变的有：列电路中能用于有源逆变的有：(1)单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(2)单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路(3)单相桥式不可控整流电路单相桥式不可控整流电路(4)三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路(5)三相桥式半控整流电路三相桥式半控整流电路(6)三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路(7)三相半波可控整流电路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带续流二极管的三相半波可控整流电路有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-44课课 堂堂 思思 考考 2、判断对错、判断对错晶闸管有源逆变电路：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；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；电流急剧增大；可以采用全控电路，也可以采用半控电路；可以采用全控电路，也可以采用半控电路；交流侧可以与电网连接，也可以与负载连接。交流侧可以与电网连接，也可以与负载连接。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-45本章小结本章小结1、掌握逆变的概念：、掌握逆变的概念：逆变电路逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。它分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。为有源逆变和无源逆变两种。有源逆变电路有源逆变电路电路的交流侧和电网连接，将直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。流电逆变成与电网同频率的交流电反送到电网。无源逆变电路无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网连接，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。频率的交流电供给负载。有源逆变2024/8/29 周四 北京交通大学电气工程学院4-46相控电路中，半控桥或输出端有续流二极管的电路相控电路中，半控桥或输出端有续流二极管的电路因其整流电压因其整流电压u ud d不能出现负值，故不能实现有源不能出现负值，故不能实现有源逆变。逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。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、理解实现有源逆变的条件（1 1）有有直直流流电电动动势势，其其极极性性和和晶晶闸闸管管导导通通方方向向一一致，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。3、理解逆变失败含义、原因、后果、预防措施、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、理解为什么要限制角的最小值和角的最小值和确定最小逆确定最小逆变角变角 min 的依据的依据5、掌握基本电量计算、掌握基本电量计算本章小结本章小结