有源,逆变,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/2/1,北京交通大学电气工程学院,4-,#,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,0,第,4,章 有源逆变与相控变流器特性,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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。,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。,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）,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,2,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。既可工作在整流状态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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，,E,G,E,M,，,电流,I,d,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，,E,M,E,G,，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),M,G,M,G,M,G,E,G,E,M,I,d,R,E,G,E,M,I,d,R,E,G,E,M,I,d,R,4 . 1,有源逆变电路的工作原理,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,5,2,、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 M,电动运行，全波电路工作在整流状态，,在,0,/2,之,间，,U,d,为正值，并且,U,d,E,M,，才能输出,I,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,b M,回馈制动，因晶闸管单向导电，,I,d,方向不变，欲改变电能的输送方向，只能改变,E,M,、,U,d,的极性，即,U,d,应为负值，且,|,E,M,| |,U,d,|,。,U,d,可通过改变,来进行调节，逆变状态时,U,d,为负值，,逆变时,在,/2,之,间。,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,6,3,、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,U,d,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,u,d,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。,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,7,4,、改变电枢电势,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。,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,8,5,、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 ,= ,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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,）,U,d,0 , E,0,，,U,d,E,，,M,工作于电动状态,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,10,2,、变流器工作于,逆变状态（, ,2, ,）,电动机工作于发电状态，由于,I,d,方向不能改变，,因而要求：,E,0,（反极性），,U,d,0,（反极性）,且,U,d, ,E,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,11,3,、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 。,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,12,4. 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,）,U,d,0 , E,0,，,U,d,E,，,M,工作于电动状态,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,13,2,、变流器工作于,逆变状态（, ,2, ,）,电动机工作于发电状态，由于,I,d,方向不能改变，,因而要求：,U,d,0,（反极性）, E,0,（反极性）,U,d, ,E,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,14,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,15,3,、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 。,2024/11/18,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,1,、变流器工作于,逆变状态（, ,2, ,）,U,d,0 , E,0,，,U,d, ,E,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,17,2,、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 。,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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,U,d,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。,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,19,2,、逆变失败的原因,（,1,）触发脉冲丢失,T,2,的触发脉冲,u,g2,丢失,以三相半波可控电路为例,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,20,2,、逆变失败的原因,（续）,（,2,）触发脉冲延迟,T,2,的触发脉冲,u,g2,延迟,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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）,T,3,失去阻断能力,2,、逆变失败的原因,（续）,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,22,（,4,）换相的裕量角不足,2,、逆变失败的原因,（续）,2024/11/18,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）,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,24,3,、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,，,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；,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,25,4,、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，,= t,q,t,q,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！,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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,U,AB,=220V,，交流侧电感,L,B,=0.5mH,，,R=2,，,E= -290V,，,=150,，,=100,，,L,d,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,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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,X,d,足够大，输出电流连续而平直，电枢回路总电阻,R,a,0.5,，电机端压,U,a,220V,，变压器副边相电压,U,2,220V,，交流侧换流电抗,X,B,0.21,。试完成下列要求：,1,说明图中整流器输出电压,U,d,和电动机端电压,U,a,的极性；,2,说明变流器控制角的调节范围；,3,如何调节电动机的制动强度？,4,当制动电流,I,a,103A,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？,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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,U,d,和电动机端电压,U,a,的极性为下“,+”,上“,-”,。,2.,逆变工作时控制角的理论范围是,90,180,，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、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,90,150,。,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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。,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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,1,、,u,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况。,2024/11/18,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,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。,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,33,直流可逆电力拖动系统,第一象限，变流器,的控制角,1,90,0,，,U,d1,E,，整流状态，电机正转电动运行；,第二象限，变流器,的控制角,90,0,，,U,d,E,，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,90,0,，,U,d,E,，整流状态，电机反转电动运行；,第四象限，变流器,的控制角,1,90,0,，,U,d1,E,，有源逆变状态，电机反转发电制动运行。,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,34,4. 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。,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,35,3,、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：,=I,1,/I,2024/11/18,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,计算方法,1,2024/11/18,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,计算方法,2,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,39,2,、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）,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,40,2,、强迫换相,（续）,（,2,）对称角控制（使基波功率因数,=1,）,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,41,2,、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,）,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,4-,42,3,、串联变流器的顺序控制,（主要是提高基波功率因数）,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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。,2024/11/18,北京交通大学电气工程学院,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。,2024/11/18,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因其整流电压,u,d,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,U,d,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,