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教材4
第四章有源逆变电路
内容提要与目的要求
1.了解逆变的概念,掌握逆变的条件。
2.掌握三相半波、三相全控桥式逆变电路的工作原理和波形分析。
3.掌握Ud=f(β)的关系及有关参数计算。
4.掌握逆变失败的原因和最小逆变角βmin限制。
5.了解有源逆变应用(有环流反并联可逆系统、无环流反并联可逆系统)。
第一节逆变的概念
一、整流与逆变
1.整流把交流电变成直流电的过程称为整流。
2.逆变把直流电变成其他频率交流电的过程称为逆变。
3.逆变分类有源逆变和无源逆变
1)有源逆变把直流电逆变成交流电反送电网,称为有源逆变。
2)无源逆变把直流电逆变成交流电供给负载,称为无源逆变。
在实际应用中,有源逆变主要用于直流电动机的可逆调速,绕线式异步电动机的串级调速,高压直流输电等。
蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源,当需要这些电源向交流负载供电时,就需要无源逆变电路,无源逆变电路的应用非常广泛。
二、G-M发电机电动机机组的能量转换
功率的传递
两个直流电源E1和E2可有三种相连的电路形式,如图3-1所示。
a)两电源同极性相接b)两电源同极性另一接法c)两电源反极性相接
图3-1两直流电源间的功率传递
图3-1a两电源同极性相接,设E1>E2,电流I从E1流向E2,大小为
(3-1)
式中R为回路总电阻。
电源E1发出的功率P1=E1I,电源E2吸取的功率P2=E2I,电阻消耗的功率PR=(E1-E2)I=I2R。
图3-1b是将两电源极性反过来,同时E2>E1,则电流方向不变,但功率反送。
图3-1c则为两电源反极性相连,这时电流大小为
(3-2)
相当于两个电源顺极性相接向电阻R供电,此时两电源都输出功率,P1=E1I,P2=E2I;电阻上消耗的功率PR=(E1+E2)I。
如果电阻R仅为回路电阻,数值很小,则会形成很大的电流I,实际上相当于两个电源间短路。
由上述分析可得以下结论:
1)电流从电源正极端流出者输出功率,电流从电源正极端流入者为吸收功率。
2)两个电源同极性相连,电流总是从电势高的电源流向电势低的电源,电流大小取决于两电势之差和回路电阻。
如果回路电阻很小,尽管两电势之差不大,也可以产生足够大的电流,使两电源间交换很大的功率。
3)两电源反极性相连时,电势数值相加,若回路电阻很小,则形成短路。
实际应用中要避免发生这种情况。
三、单相双半波逆变工作状态分析
有源逆变的工作原理
图3-2为两组单相全控桥式电路,通过开关S与直流电机负载相接。
假若S掷向1位置,Ⅰ组晶闸管的控制角αⅠ<90°,电路工作在整流状态,输出波形如图3-2b所示。
输出电压Ud上正下负,电动机作电动运行,流过电枢的电流为i1,电动机的反电势E上正下负。
这时交流电源通过晶闸管装置供出功率,电动机吸收功率。
这相当于图3-1a所示情况。
当开关S快速掷向2,由于机械惯性,电动机的电动势E不变,仍为上正下负,同时给Ⅱ组晶闸管加触发脉冲,使αⅡ<90°,输出电压Ud下正上负,则形成两电源顺极性相连,因回路的电阻很小,将产生很大电流,相当于短路事故,这是不允许的。
这就是图3-1c所示情况。
因此,当开关S掷向2时,应同时使单相全控桥电路的控制角α调整到大于90°,这时输出电压为Ud=Ud0cosα,因αⅡ>90°,Ud为负值,极性为上正下负,且使︱Ud︱<︱E︱,仍假若电动机转速暂不变,因而E也不变,晶闸管在E和U2φ的作用下导通,产生电流I2。
此时电动机供出能量,运行在发电制动状态,晶闸管装置吸收能量送回电网。
这就是有源逆变,与图3-1b所示情况一样。
a)单相桥式电路
b)整流工作波形c)逆变工作原理
图3-2单相桥式电路的整流与逆变原理
由图3-2b中波形可见,单相全控桥式电路工作在逆变时的输出电压控制原理与整流时相同,只是控制角α大于90°,表示为
Ud=0.9U2cosα
为计算方便起见,引入逆变角β,令α=π-β,用电角度表示时为α=180°-β,所以
Ud=0.9U2cosα=0.9U2cos(180°-β)
=-0.9U2cosβ(3-3)
逆变角为β时的触发脉冲位置可从α=180°时刻向左移β来确定。
由以上分析可见,在有源逆变时,晶闸管在交流电源的负半周导通的时间较长,即输出ud电压波形负面积大于正面积,电压平均值Ud<0,直流平均功率的传递方向是由电动机返送到交流电源;当装置工作在整流时,为正面积大于负面积,平均电压Ud>0,直流平均功率的传递方向是交流电源经变流器送往直流负载。
所以同一套变流装置当α<90°时工作在整流状态;当α>90°时,工作在逆变状态;当α=β=90°时,输出电压平均值Ud=0,电流Id也为零,交直流两侧无能量交换。
实现有源逆变的条件:
1)外部条件变流装置的直流侧必须外接有电压极性与晶闸管导通方向一致的直流电源E,且E的数值要大于Ud。
2)内部条件变流器必须工作在β<90°(α>90°)区间,使Ud<0,才能将直流功率逆变为交流功率返送电网。
3)为了保证变流装置回路中的电流连续,逆变电路中一定要串接大电抗。
不能实现有源逆变的电路:
凡具有续流作用,不能输出负Ud波形的电路,均不能实现有源逆变。
对于半控桥式晶闸管电路或直流侧并接有续流二极管的电路,不可能输出负电压,所以不能实现有源逆变。
第二节三相有源逆变电路
常用的有源逆变电路除单相全控桥可控电路外,还有三相半波和三相全控桥电路等。
由于有源逆变是将直流电变为交流电返送电网,电路中既有直流电,又有交流电,控制逆变工作的开关元件受两种电压的叠加作用。
传统的有源逆变电路开关元件通常采用普通晶闸管,但近年来研制出的可关断晶闸管除具有普通晶闸管的优点外,还具有自关断能力,而且工作频率高,在逆变电路的应用中,大有取代普通晶闸管的趋势。
一、三相半波有源逆变电路
图3-4a为三相半波有源逆变电路,电动机电动势E的极性符合有源逆变的条件,晶闸管VT1、VT3、VT5的控制角α必须大于90°,即β<90°,当|E|>|Ud|时,由于电路中接有大电感,电路可工作在有源逆变状态,变流器输出的直流电压为
Ud=Ud0cosα=-Ud0cosβ=-1.17U2cosβ (3-4)
公式中输出电压为负,说明电压的极性与整流时相反。
输出直流电流平均值的计算公式为
(3-5)
式中R∑—回路的总电阻。
a)三相半波有源逆变电路b)工作波形分析
图3-4三相半波有源逆变电路及工作波形
下面以β=30°为例分析其工作过程。
当β=30°时,给VT1触发脉冲,见图3-4b所示,此时U相电压UA=0,但是整个电路中,VT1晶闸管承受正向电压E,满足晶闸管导通条件,VT1导通。
由E提供能量,有电流Id流过晶闸管VT1,输出电压波形ud=uA。
由于有相互间隔120°的脉冲轮流触发相应的晶闸管,因此就得到了图3-4b中有阴影部分的Ud电压波形,其直流平均电压Ud为负值,由于接有大电感Ld,因而id为平直连续的直流电流Id。
逆变电路与整流电路一样,晶闸管的关断是靠承受反压或电压过零地来实现的,图3-4b中当β=30°时,触发VT1,因此时VT5已导通,VT1承受UAC正向电压,故VT1具备了导通条件。
一旦VT1导通后,若不考虑换相重叠角的影响,则VT5承受反向电压uCA而被迫关断,完成了由VT3向VT1的换相过程。
其它晶闸管的换相过程可以此类推。
逆变时晶闸管两端电压波形的画法与整流时一样。
如图3-4c所示画出了β=30°时VT1管承受的电压波形uT1.在一个周期内导通120°,紧接着后面的120°内VT3导通,VT1关断,VT1承受uAB电压,最后120°内VT5导通,VT1承受uAC电压。
由波形可见,逆变时总是正面积大于负面积,当β=0°时正面积最大;而整流时晶闸管两端的电压波形总是负面积大于正面积;只有当β=α时,正负面积才相等。
晶闸管可能承受的最大正反向电压也为
。
二、三相全控桥有源逆变电路
a)三相全控桥带电动机负载的电路b)β=60°时的Ud波形
图3-5三相桥式逆变电路
图3-5a为三相全控桥带电动机负载的电路,当α<90°时,电路工作在整流状态;当α>90°时,电路工作在逆变状态。
晶闸管的控制过程与三相全控桥整流电路原理相同,只是控制角α的移相范围为180°,输出直流电压的计算公式分别为
整流时:
Ud=Ud0cosα=2.34U2φcosα(当α<90°=(3-6)
逆变时:
Ud=Ud0cosα=2.34U2φcosα=-2.34U2φcosβ(当α>90°β<90°=(3-7)
图3-5b为β=60°时的Ud波形。
第三节逆变失败与最小逆变角限制
逆变失败逆变失败是指某种原因造成的外加直流电源通过变流器形成的短路或顺向串联。
工作在有源逆变状态时,若出现输出电压平均值与直流电源E顺极性串联,必然形成很大的短路电流流过晶闸管和负载,造成事故。
这种现象称为逆变失败或逆变颠复。
一、逆变换相分析
由于整流变压器漏抗LB的存在,电流不能突变,使得换相过程中的两只晶闸管同时导通,产生了换相重叠角。
逆变电路换相期间的Ud波形多出一块负面积,使输出电压平均值略有增加。
换相重叠角γ对逆变电路有很大影响,如予忽略,就会造成逆变失败。
1.β>γ在β角度内完成了换相,逆变器正常工作。
2.β<γ在β角度内没有完成换相,换相失败,逆变器不能正常工作。
二、逆变失败的原因
造成逆变失败的原因主要有:
1.触发脉冲丢失
2.快熔熔断造成电源缺相
3.晶闸管突然损坏或误触发
4.逆变角β调节的过小
防止逆变失败的措施是:
对逆变装置所用晶闸管参数和性能进行合理选择,并设置的过压过流保护环节,触发电路工作一定要安全可靠,输出的触发脉冲逆变角最小值要严格加以限制。
三、βmin逆变角限制
确定逆变角最小值βmin应考虑以下因素:
1.换相重叠角γ
此值与整流变压器漏抗、变流器接线型式以及工作电流都有关系。
若逆变角β小于换相重叠角γ,就会造成逆变失败。
可由图3-3加以说明。
a)三相半波有源逆变电路b)β小于γ造成逆变失败
图3-3有源逆变换流失败波形
从图中放大的圆内部分可见,触发脉冲在ωt1处发出后,使uA和uB两相所接的晶闸管VT1、VT3同时导通,即出现换相过程,到uA和uB两相电压交点ωt2处,换相没有结束,一直延续到ωt3,此时uA>uB,VT1晶闸管关不断,VT3不能导通,逆变失败。
一般γ角应考虑15°~25°电角度。
2.晶闸管关断时间tq所对应的角度δ0
tq的大小由管子参数决定,一般约为200~300μs,对应的电角度为4°~6°。
3.安全裕量角θα
考虑触发脉冲间隔不均匀、电网波动、畸变与温度的影响,还必须留有一个安全裕量角,一般取θα为10°左右。
综合以上因素,最小逆变角为
βmin≥γ+δ0+θα≈30°~35°
为了防止触发脉冲进入βmin区内,可在触发电路中加一保护电路,使得调整β角减小时,不能进入βmin区内;也可以在βmin处设置产生附加安全脉冲的装置,此脉冲位置固定,一旦工作脉冲移入βmin区内,则安全脉冲保证在βmin处发出触发晶闸管,防止逆变失败。
第四节逆变工作状态时的机械特性
一、电流连续时电动机的机械特性
整流时:
Ud=2.34U2φcosα
逆变时:
Ud=Ud0cosβ
二、电流断续时电动机的机械特性
1.机械特性
2.理想空载转速
3.电流断续特性变软的原因
4.最小连续电流
第五节有源逆变应用电路
一、直流可逆拖动
可逆拖动分类
反磁场
反电枢有环流反并联可逆系统
无环流反并联可逆系统
1.有环流反并联可逆系统
图3-6所示为两组变流电路反并联组成的直流电动机可逆调速系统。
两组电路由同一交流电源供电,采用反并联连接,即一组晶闸管的电流流出端接另一组晶闸管的电流流入端。
若工作中两组变流器只允许一组晶闸管处于工作状态,另一组晶闸管脉冲封锁处于阻断状态,即始终只有一组晶闸管触发导通,这种控制方式称为逻辑无环流控制;若两组晶闸管同时都有触发脉冲作用,处于连续导通状态,这时两组之间出现交流环流,称为有环流系统。
该系统可使电动机实现四象限运行,当由一种运行状态变为另一种运行状态时,负载电流的反向是连续变化的,动态性能比较好。
该装置一般用于中小容量的可逆拖动系统。
下面具体分析其工作原理。
a)单相全波b)三相半波
c)单相桥式d)三相桥式
图3-6两组变流器反并联的直流电动机可逆调速系统
工作时,为了防止两组变流器之间出现直流环流,特别设置为当一组工作在整流状态时,另一组必须工作在有源逆变状态,且α=β,由式(3-3)和式(3-4)可以看出,这样使得两组直流侧电压大小相等方向相反。
我们将这一运行方式称为α=β工作制。
工作过程中,触发脉冲的安排如下:
当控制电压Uc=0时,使Ⅰ、Ⅱ两组变流器的控制角均为90°,即αⅠ=βⅡ=90°,则电动机转速为零。
增大Uc,使Ⅰ组变流器触发脉冲左移,即α<90°,进入整流状态,同时使Ⅱ组变流器触发脉冲右移相同角度使β<90°,进入待逆变状态(此时没有电能返送电源)。
由于交流电源通过Ⅰ组变流器向电动机供出能量,电动机电动正转。
要使电动机反转,只要使Uc减小,Ⅰ组的控制角αⅠ与Ⅱ组的逆变角βⅡ同时逐渐增大,则两组变流器的直流电压UdⅠ、UdⅡ立即减小。
由于电动机具有机械惯性,电动势E还末来
得及变化,出现E>UdⅠ=UdⅡ,E给Ⅰ组变流器以反向电压,给Ⅱ组变流器以正向电压,使Ⅱ组变流器满足有源逆变条件而导通,从待逆变状态转为逆变状态,电动机电流反向,产生制动转矩,使电动机转速降低。
继续增大αⅠ和βⅡ,使E始终稍大于Ud,电动机在减速过程中一直产生制动转矩,实现快速制动。
在这一过程中,Ⅰ组变流器虽输出直流电压UdⅠ为正,但E>UdⅠ,所以没有直流输出,这种状态称为待整流状态(没有电能送给电动机)。
继续增大Ⅰ组和Ⅱ组的控制角,使αⅠ>90°即βⅠ<90°,则Ⅰ组变流器转入待逆变状态;Ⅱ组变流器因αⅡ<90°进入整流状态,直流电压改变极性,电动机反转。
同样我们可以分析其它运行状态转变的过程,所以在α=β工作制中,改变两组变流器的控制角可以实现四象限运行,如图3-7所示。
图3-7两组反并联可逆系统四象限运行图
该系统工作时,两组变流器之间虽不存在直流环流,但存在着交流环流,限制反并联系统环流的办法是加电抗器,因桥式电路有两条环流通路,所以必须设置四只限制环流的电抗器,见图3-6d中的L1~L4。
这是因为工作时只有一组变流器通过电动机负载电流,接在该组两端的两只电抗器已经或接近饱和,起不到限制环流的作用,须由另外两只电抗器分别限制上下两侧交流环流。
此外与电动机串接的电抗器Ld是为了使流过负载的电流平滑连续,称为平波电抗器。
2.无环流反并联可逆传动
脉冲切换原则
二、绕线式异步电动机的串级调速
三相绕线式异步电动机起动转矩大,并可在一定的范围内调速,在需要重负荷起动的场合应用较多。
但传统的调速方法是在转子回路中串接三相电阻,用改变电阻值的方法进行调速。
这种方法使得设备的体积大,且有大量的电能消耗在电阻上,现在已逐渐被淘汰,改用在转子回路中引入附加电动势来实现调速,这就是串级调速。
绕线式异步电动机转子电动势的大小和频率都与其转速有关,若在转子回路中串接与转子电动势频率一致、相位相反的交流附加电动势进行调速,实现起来技术复杂、价格昂贵,因此通常采用将转子电动势整流为直流,引入直流附加反电动势并进行调节的办法实现调速。
图3-8为串级调速系统主电路原理图。
图3-8串级调速系统主电路原理图
图中绕线式异步电动机定子绕组通过自动开关QS和交流接触器KM1接电源,转子绕组通过接触器KM2接有频敏变阻器,起动时KM2接通频敏变阻器,以限制起动电流。
起动后
断开KM2,转子绕组经过二极管整流电路将交流电动势变为直流。
绕线式异步电动机工作时转子线电动势可表示为
E2l=sE20(3-8)
式中E20——转子开路线电动势(转速n=0)
s——电机的转差率。
将转子线电动势经三相桥式不可控整流得到直流电压
Ud=1.35E2L(3-9)
由晶闸管VT1~VT6组成的有源逆变电路将转子能量返送电网,逆变电压Udβ即为引入的反电动势。
当电动机转速稳定时,忽略直流回路电阻,则整流电压Ud与Udβ大小相等、方向相反。
当逆变变压器TI二次线电压为U2L时,则逆变电压为
Udβ=1.35U2Lcosβ≈Ud=1.35sE20
整理得
(3-10)
上式表明,改变逆变角β的大小即可改变电动机的转差率,即实现了调速。
调速过程分析如下:
当电动机带负载稳定运行在某转速时,Ud=Udβ。
如调节β使之增大,则Udβ减小,转子电流增加,使转速n升高,转差率s减小。
当Ud减小到与Udβ相等时,电动机稳定运行在较高转速上;当β=90°时,Udβ=0,相当于转子绕组经二极管整流桥短接,转速最高。
反之减小β角可使电动机转速下降。
这种调速方式属恒转矩调速,因为电动机产生的电磁转矩由负载转矩决定。
所以改变逆变角β,可以很方便地实现调速。
绕线式异步电动机串级调速具有良好的节能效果,值得推广应用。
但它的调速范围较小,这是由于绕线式异步电动机的转子线电压一般不大,当转差率为0.5时,整流器输出的电压Ud已经较小,限制了Udβ的调节范围。
所以串级调速只适用于调速范围要求不大的装置,如水泵、风机等。
逆变变压器主要参数的选择:
逆变变压器的二次侧电压U2L的选择与绕线式异步电动机的转子电压要互相配合,当两组桥路连接型式相同时,最大转子整流电压就与逆变电压相等,即
Udmax=1.35smaxE20=Udβmax
=1.35U2Lcosβmin(3-11)
U2L=smaxE20/cosβmin(3-12)
式中smax——调速系统工作在最低速度的转差率;
βmin——电路最小逆变角,通常规定为30°。
逆变变压器TI的容量
STI≈smaxPn/cosβmin(3-13)
式中Pn————绕线式异步电动机的额定功率。
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