逆變電路及應用ppt課件(已修改)

　

【正文】 第 3章 逆變電路及應用 第 3章 逆變電路及應用 有源逆變 無源逆變 中頻逆變電源的原理及應用 現代逆變技術簡介 習題與思考題 第 3章 逆變電路及應用 有源逆變 直流發電機 電動機系統電能的轉換 直流發電機 電動機系統如圖 31所示 。 其中 G為直流他勵發電機 ， M為直流他勵電動機 ， R為回路的總電阻 ,圖中省略了電機的勵磁回路 。 在此 ， 我們通過控制發電機 、 電動機電勢的大小和方向來判斷能量之間的轉換 。 (1) 如圖 31(a)所示 ， 設 EG＞ EM， 即發電機電勢大于電動機電勢 ， 則回路電流 Ia的大小為 REEI MGa??第 3章 逆變電路及應用 圖 31直流發動機 (a) 兩個電勢同極性相聯： EGEM。 (b) 兩個電勢同極性相聯： EGEM （ c）兩個電勢反極性相聯 第 3章 逆變電路及應用 (2) 如圖 31(b)所示 ， 設 EM＞ EG， 即電動機電勢大于發電機電勢 ， 則回路電流 Ia的大小為 REEI MGa?? 回路電流 Ia的方向與電動機電勢 EM的方向相同 ， 即電流從電動機電勢 EM流出 ， 從發電機電勢 EG流入 ， 因此 ， 電動機輸出功率 ， 發電機吸收功率 ， 電動機運行于回饋制動狀 態 。 從能量的角度來講 ， 電動機軸上輸入的機械能轉換為電能反送給發電機 。 第 3章 逆變電路及應用 (3) 如圖 31(c)所示所示 ， 設 EM與 EG順向串聯 （ 反極性相接 ） ， 回路電壓為兩個電勢之和 ， 電動機和發電機都輸出功率 ， 電阻消耗功率 。 由于回路電阻阻值很小 ， 因此可形成很大的回路電流 ， 相當于兩個電源短路 。 這種情況在實際使用過程中是絕對不允許的 。 第 3章 逆變電路及應用 從以上分析我們可以得出以下幾個結論： ① 兩個電勢同極性相接時 ， 電流總是從電勢高的流向電勢低的 ， 電流的大小取決于兩個電勢之差和回路總電阻 。 當回路總電阻很小時 ， 即使很小的電勢差也能產生很大的電流 ，使兩個電勢源之間交換很大的功率 。 ② 電流從電勢正極端流出的為輸出功率 ， 從電勢正極端流入的為輸入功率 。 ③ 兩個電勢反極性相接時 ， 由于回路電阻很小 ， 使得回路電流很大 ， 相當于短路 ， 這是不允許的 。 第 3章 逆變電路及應用 逆變實現的條件 將直流發電機 電動機系統作一變換 ， 如圖 32所示 ， 用單相全波晶閘管電路代替直流發電機 ， 供電給電動機 ， 以電動機拖動卷揚機為例來分析電路中功率的傳遞關系 。 負載端串接足夠大的平波電抗器 ， 用來減小諧波的影響及保證電流連續 。 為了簡單起見 ， 忽略變壓器的漏抗及晶閘管管壓降 。 假設平波電抗器的電感量極大 ， 直流電流連續且波形近似于一條水平線 ， 并把直流電動機看作無內阻抗的理想電勢源 ， 把電樞電阻 、 電感分別歸算到主回路的電阻和電感中 。 第 3章 逆變電路及應用 圖 32 單相全波變流裝置 （ a）單相全波整流電路 （ b） 單相全波逆變電路 第 3章 逆變電路及應用 1． 單相全波工作在整流狀態 從圖 32(a)可知，要使得重物上升，電動機必須工作在電動狀態，才能將重物提升，即電機消耗能量，因此單相全波晶閘管電路需工作在整流狀態。根據單相全波可控整流電路的工作原理，控制角在 0176。 ～ 90176。 時，直流側的輸出電壓 Ud上正下負，在輸出電壓 Ud的作用下，電動機產生反電勢 E， E的方向為上正下負，此時 Ud與 E為同極性相連，且 UdE，波形如圖所示，則回路電流 Id的大小為： REUI dd??式中 : Ud= cosα （ α 的范圍為 0176。 ～ 90176。 ）。 第 3章 逆變電路及應用 回路的電流方向從 Ud的正端流出 ， 從 E的正端流入 。 從能量的角度來講 ， 交流電網輸出功率 ， 電動機吸收功率 ， 即變流器將電能轉換為電動機軸上的機械能帶動重物上升 。 同時 ， 改變控制角就可改變重物上升的速度 。 例如減小控制角 α， 則 Ud增大 ， 電動機產生的電磁轉矩增大 ， 因電動機軸上重物產生的阻轉矩不變 ， 所以電動機的轉速升高 ， 電動機的反電勢 E亦增大 ， 使 Id恢復到原來的數值 ， 此時電動機穩定運行在較高轉速 。 反之 ， α值增大 ， 則電動機轉速減小 。 第 3章 逆變電路及應用 當重物提升到一定高度需要停止時 ， 可以逐漸增大控制角 α，隨著 α的增大 ， 輸出電壓 Ud減小 ， 電動機轉速減小 。 當 α增大到90176。 時 ， 輸出電壓 Ud＝ 0， 電動機轉速繼續下降 ， 到轉速 n＝ 0時 ，采用電磁抱閘 ， 電機停轉 。 這時 ， 輸出電壓的波形為正 、 負面積相等 ， 交流電源既不輸出功率 ， 也不輸入功率 。 第 3章 逆變電路及應用 2. 單相全波工作在逆變狀態 如圖 32（ b） 所示 ， 電動機停止運轉時 ， 使重物下降 ， 電動機則在重物的作用下反向運轉 ， 產生上負下正的反電勢 E。 在直流發電機 電動機系統中 ， 由于電流的流向不受限制 ， 因此電能實現反方向輸送十分方便 。 但是對于晶閘管電路 ， 由于晶閘管的單向導電性決定了回路的電流方向不能發生改變 ， 為了不使 E和Ud反極性相接 ， 就必須將直流側輸出電壓 Ud的方向改變 ， 才不會造成短路 。 同時 ， 電動機的電勢 |E|應大于 |Ud|,才能保證晶閘管的可靠導通 。 當調整控制角 α 到大于 90176。 時 ， 盡管電源電壓提供給晶閘管的陽極電壓大部分為負半周時刻 ， 但由于 E的作用 ， 晶閘管仍能承受正壓而導通 ， 同時又能改變 Ud的極性 。 因此 ， 在保證 E大于 Ud的情況下 ， 晶閘管仍能輪流導通 180176。 ， 維持電流 Id連續 ， 晶閘管電路的輸出電壓 ud波形負面積大于正面積 ， 如圖所示 。 回路電流 Id的大小為 第 3章 逆變電路及應用 ???RUEI dd式中， Ud= cosα （ α 的范圍為 90176。 ～ 180176。 ）。 上述電路中晶閘管的導通主要取決于反電勢 E， 在整個過程中電動機輸出功率 ， 為發電機工作狀態 ， 變流器吸收功率 。 電動機輸出的功率通過變流器轉變成交流功率回送交流電網 ， 從而實現有源逆變 。 單相全波晶閘管電路工作在逆變狀態 。 第 3章 逆變電路及應用 從以上分析可知 ， 晶閘管電路工作在整流狀態時 ， 交流電網輸出功率 ， 控制角 α＜ 90176。 ， ud波形正面積大于負面積 ， 輸出電壓平均值 ud ＞ 0。 晶閘管電路工作在逆變狀態時 ， 交流電網吸收功率 ， ud波形負面積大于正面積 ， Ud＜ 0， 控制角 α＞90176。 。 當 α=90176。 時 ， ud波形負面積等于正面積 ， Ud=0， 為臨界狀態 。 第 3章 逆變電路及應用 綜上所述 ， 要實現有源逆變必須滿足如下條件： (1) 外部條件：直流側必須外接一個直流電源勢 （ 例如直流電動機的電樞電勢 、 蓄電池電勢等 ） ， Id的方向一致 ， 其大小比 Ud稍大 。 (2) 內部條件：晶閘管控制角 α ＞ 90176。 ， 使 Ud ＜ 0。 這兩個條件缺一不可 。 必須指出 ， 對于阻性負載 、 半控橋晶閘管電路或者帶續流二極管的變流電路 ， 由于不可能輸出負電壓 ， 也不允許在直流側接上反極性的電勢源 ， 因此這樣的電路不能實現有源逆變 。 第 3章 逆變電路及應用 由圖 32可見，在整流和逆變范圍內，如果電流連續， 則每個晶閘管的導通角都是 180176。 ，故不論控制角為何值，直流側輸出電壓 Ud與之間的關系，可根據對輸出電壓 ud波形進行積分得： ???????c osc )(ds i n2π2 2 0d22d UUttUU ??? ? ?式中， 。 20 UU d ? U2― 變壓器二次相電壓有效值 第 3章 逆變電路及應用 我們發現 ， Ud的公式與整流時一樣 。 由于逆變運行時控制角 α＞ 90176。 ， Ud＜ 0， 為了分析和計算方便 ， 引入逆變角 β。 一般規定逆變角 β以控制角 α=π時刻作為計量的起始點 （ β=0） ， 而任意時刻 β的大小與 α滿足關系式 α+β=π。 在此將 α=πβ代入上式 ， 則 ? ? ???? c o sc o sc o s 0d0d0d UUUU d ?????（的范圍為 0～ 90176。 ） (31) 由式（ 31）可見，在逆變工作過程中，當時，輸出電壓 Ud的絕對值最大，隨著角度的增加， Ud的絕對值逐漸減小，當＝ 90176。 時，Ud＝ 0。 第 3章 逆變電路及應用 例 如圖 33所示單相橋式變流電路 ， U2＝ 220 V， E＝ 120 V， R＝ 2Ω ， 當 β ＝ 60176。 時能否實現有源逆變 ？ 若能 ， 電動機的制動電流為多大 ? 并畫出輸出電壓 、 晶閘管 VT1兩端的電壓波形 。 解 根據式 （ 31） ： V9960c o s2 2 o 2d ????????? ?UU ︱ E︱ ︱ Ud︱ ，且兩個電壓同極性相接，方向與晶閘管導通方向一致；滿足外部條件。 β ＝ 60176。 ＜ 90176。 。滿足內部條件。 即滿足有源逆變實現的條件。 第 3章 逆變電路及應用 電動機的制動電流為： 99120dd ????? R UEI圖 33 單相橋式逆變電路 第 3章 逆變電路及應用 圖 34 單相橋式逆變電路輸出波形 第 3章 逆變電路及應用 三相半波逆變電路 1． 整流狀態 （ 0α90176。 ） 根據前面的分析我們知道 ， 三相半波可控整流電路的控制角 α在 0～ 90176。 移相范圍內 ， 由于負載端串有大電感 ， 能維持負載端電流連續 ， 因此 ， 在一個周期之內 ， 三個晶閘管輪流導通 ，每個管子導通的角度為 120176。 ， 負載端電壓波形連續 。 不論輸出電壓的瞬時值 ud在整個周期內全部為正 ， 還是有正有負 ， 因正面積總是大于負面積 ， 同時 UdE， 回路電流的方向與直流側 Ud的方向相同 ， 所以三相電源輸出功率 。 圖 35所示為 α=60176。 時負載端電壓的波形及晶閘管 VT1兩端承受的電壓波形 。 第 3章 逆變電路及應用 圖 35 三相半波整流電路 (α =60176。 ) 第 3章 逆變電路及應用 2． 逆變狀態 （ 0β90176。 ） 三相半波逆變電路如圖 36所示 ， 電動機電勢 E滿足有源逆變實現的條件 ， 電抗器 Ld的電感值足夠大 ， 能保證電流連續 。 下面我們以 β=60176。 為例分析三相半波逆變電路的工作原理 。 第 3章 逆變電路及應用 圖 36 三相半波逆變電路 第 3章 逆變電路及應用 1） 與整流電路一樣 ， 共陰極的三相半波逆變電路晶閘管之間的換相也是由觸發脈沖控制的 ， 并總是轉換到陽極電壓最高的那一相上去 。 要使得三個晶閘管正常換相 ， 一個周期需要 3個脈沖 ， 相鄰兩個脈沖間隔 120176。 。 與整流不一樣的是 ， 逆變電路的觸發裝置必須嚴格按照規定的換相次序 ， 依次發出脈沖 。 所加脈沖的順序如圖 37(b)所示 。 第 3章 逆變電路及應用 圖 37 三相半波逆變電路輸出波形 (β =60176。 ） 第 3章 逆變電路及應用 3） 三相半波逆變電路在確定的周期內 ， 三個管子輪流導通 ， 輸出端電壓波形 、 電流波形連續 ， 因此與整流一樣 ， 晶閘管兩端承受的電壓波形依舊由三段組成 。 例如 ， VT1兩端電壓波形如圖 37(c)所示； VT1導通時 ， uVT1＝ 0， 導通角為 120176。 ； VT2導通時 ， uVT1=uab， 導通角為 120176。 ； VT3導通時 ， uVT1=uac， 導通角為 120176。 。 晶閘管能承受的最大電壓為 26U第 3章 逆變電路及應用 4） 由 ud波形可見 ， 三相半波電路在整流和逆變的全部工作過程中 ， 如果電流連續 ， 則每個晶閘管在規定的周期內的導通角都為 120176。 。 對波形進行積分 ， 可得直流側輸出電壓平均值 Ud的大小： ????????? c os3πs i n23)(ds i n2π2322326