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有源逆变
一、单相有源逆变电路逆变电路的分类 整流是把交流电变换成直流电供给负载,那么,能不能反过来,利用相控整流电路把直流电变为交流电呢?完全可以我们把这种整流的逆过程称为逆变在许多场合,同一套晶闸管或其它可控电力电子变流电路既可作逆变,这种装置称为变流装置或变流器根据逆变输出交流电能去向的不同,所有逆变电路又分为有源逆变和无源逆变两种前者以电网为负载,即逆变输出的交流电能回送到电网,后者则以用电器为负载,如交流电机、电炉等 变流器的两种工作状态 用单相桥式可控整流电路能替代发电机给直流电动机供电,为使电流连续而平稳,在回路中串接大电感Ld称为平波电抗器这样,一个由单相桥式可控整流电路供电的晶闸管-直流电动机系统就形成了在正常情况下,它有两种工作状态,其电压电流波形分别示于图3-
1、图3-2中
1.变流器工作于整流状态(0ap/2) 在图3-1中,设变流器工作于整流状态由单相全控整流电路的分析可知,大电感负载在整流状态时Ud=
0.9U2cosa,控制角的移相范围为0~90°,Ud为正值,P点电位高于N点电位,并且Ud应大于电动机的反电势E,才能使变流器输出电能供给电动机作电机运行此时,电能由交流电网流向直流电源(即直流电动机M的反电势E) 图3-
12.变流器工作与逆变状态(p/2ap) 在图3-2中,设电机M作发电机运行(再生制动),但由于晶闸管元件的单向导电性,回路内电流不能反向,欲改变电能的传送方向,只有改变电机输出电压的极性在图3-2中,反电势E的极性已反了过来,为了实现电动机的再生制动运行,整流电路必须吸收电能反馈回电网,也就是说,整流电路直流侧电压平均值Ud也必须反过来,即Ud为负值,P点电位低于N点电位且电机电势E应大于Ud此时电路内电能的流向与整流时相反,电动机输出电功率,为发电机工作状态,电位则作为负载吸收电功率,实现了有源逆变为了防止过电流,应满足E约等于Ud,在恒定励磁下,E取决于电动机的转速,而Ud则由调节控制角a来实现 图3-2 实现有源逆变的条件 由上述有源逆变工作状态的原理分析可知,实现有源逆变必需同时满足两个基本条件其一,外部条件,要有一个能提供逆变能量的直流电源其二,内部条件,变流器在控制角ap/2的范围内工作,使变流器输出的平均电压Ud的极性与整流状态时相反,大小应和直流电势配合,完成反馈直流电能回交流电网的功能 从上面的分析可以看出,整流和逆变、交流和直流在晶闸管变流器中互相__着,并在一定条件下可互相转换,同一个变流器,既可以作整流器,又可以作逆变器,其关键是内部和外部的条件 不难分析,半控桥式电路或具有续流二极管的电路,因为不可能输出负电压,变流器不能实现有源逆变,而且也不允许直流侧出现反极性的直流电势
二、三相有源逆变电路三相半波逆变电路
1.工作原理 图3-3为三相半波电机负载电路,负载回路接有大电感,电流连续当a在0~p/2范围内变动时,平均值Ud总为正值,且Ud应略大于E此时电流id从Ud正端流出,从E的正端流入,电机作为电动机运行,吸收电能,这就是三相半波电路的整流工作状态图3-3 对于逆变状态(p/2ap),选取和整流状态相对应的条件进行分析,假设此时电动机反电势的极性已反接(如图3-4a所示)因为有了持续的直流电势和极大的电感Ld,主电路电流始终连续图3-4 变流器输出电压必须如图3-4b中粗黑线所示当a在p/2~p范围内变动时,输出平均值Ud为负,其极性是上负下正,此时电动机的电势E应稍大于Ud主电路内的电流Id方向没有变,但是它从E的正极流出,到Ud的正端流入,所以电能倒送
2.逆变角b及逆变电压的计算 三相半波电路在整流和逆变范围内,只要电流连续,每个晶闸管的导通角都是2p/3,故不论控制角a为何值,直流侧输出电压的平均值和a的关系都为 为分析和计算方便起见,电路进入逆变状态时,通常用逆变角b表示规定b角计算的起始点为控制角a=p处,计算方法为自a=p(b=0)的起始点向左方计算,因此控制角和逆变角的关系是a+b=p,或b=p-a 三相桥式全控有源逆变电路
1.逆变电路波形分析 图3-5a为三相有源逆变电路根据以前的分析,在区间0ap/2,电路工作于整流状态;a=p/2时,Ud=0;在p/2ap时,电路工作于有源逆变状态图3-5b~d表示a=p5/6时的典型工作情况下电路中各点的波形图3-
52.逆变电路电量计算 考虑变压器漏抗时,逆变器输出电压为 在三相逆变电路中,其它的电量,如电流平均值、晶闸管电流的平均值和有效值、变压器的容量计算等,均可按照整流电流的计算原则进行
三、逆变失败的原因逆变失败的定义 逆变运行时,一旦发生换相失败,使整流电路由逆变工作状态进入整流工作状态,Ud又重新变成正值,使输出平均电压和直流电势变成顺向串联,外接的直流电源通过晶闸管电路形成短路,这种情况称为逆变失败,或称为逆变__,这是一种事故状态,应当避免 逆变失败的原因 造成逆变失败的原因很多,大致可归纳为四类,今以三相半波逆变电路为例,加以说明
1.触发电路工作不可靠 触发电路不能适时地,准确地给各晶闸管分配脉冲,如脉冲丢失,脉冲延迟等,致使晶闸管工作失常如图3-6所示,当a相晶闸管T1导通到wt1时刻,正常情况时ug2触发T2管,电流换到b相,如果在wt1时刻,触发脉冲ug2遗漏,T1管不受反压而关不断,a相晶闸管T1将继续导通到正半周,使电源瞬时电压与直流电势顺向串联,形成短路图3-6 图3-7表明脉冲延迟的情况,ug2延迟到wt2时刻才出现,此时a相电压ua已大于b相电压ub,晶闸管T2承受反向电压,不能被触发导通,晶闸管T1也不能关断,相当于ug2遗漏,形成短路图3-
72.晶闸管发生故障 在应该阻断期间,元件失去阻断能力;或在应该导通时刻,元件不能导通,如图3-8所示在wt1时刻之前,由于T3承受的正向电压等于E和uc之和,特别是当逆变角较小时,这一正向电压较高,若T3的断态重复峰值电压裕量不足,则到达wt1时刻,本该由T1换相到T2,但此时T3已导通,T2因承受反压而无法导通,造成逆变失败图3-
83.换相的裕量角不足 存在重叠角或给逆变工作带来不利的后果,如以T1和T2的换相过程来分析,当逆变电路工作在bg时,经过换相过程后,b相电压ub仍高于a相电压ua,所以换相结束时,能使T1承受反压而关断如果换相的裕量角不足,即当bg时,从图3-9的波形中可以看出,当换相尚未结束时,电路的工作状态到达P点之后,a相电压ua将高于b相电压ub,晶闸管T2则将承受反向电压而重新关断,而应该关断的T1却还承受正电压而继续导通,且a相电压随着时间的推迟愈来愈高,致使逆变失败图3-
94.交流电源发生异常现象 在逆变运行时,可能出现交流电源突然断电,缺相或电压过低等现象如果在逆变工作时,交流电源发生缺相或突然消失,由于直流电势E的存在,晶闸管仍可触发导通,此时变流器的交流侧由于失去了同直流电势极性相反的交流电压,因此直流电势将经过晶闸管电路而被短路 最小逆变角的确定 由上可见,为了保证逆变电路的正常工作,必须选用可靠的触发器,正确选择晶闸管的参数,并且采取必要的措施,减少电路中du/dt和di/dt的影响,以免发生误导通为了防止意外事故,与整流电路一样,电路中一般应装有快速熔断器或快速开关,以资保护另外,为了防止发生逆变__,逆变角b不能太小,必须限制在某一允许的最小角度内 逆变时允许采用的最小逆变角b应为b=d+g+q式中d---晶闸管的关断时间tq折合的电角度,称恢复阻断角,d=tq;g---换相重叠角;q---安全裕量角电流跟踪PWM(CFPWM,CurrentFollowPWM)的控制方法是在原来主回路的基础上,采用电流闭环控制,使实际电流快速跟随给定值,在稳态时,尽可能使实际电流接近正弦波形,这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。