【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(xiàn)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(fā)電機 電動機系統(tǒng)電能的轉(zhuǎn)換 直流發(fā)電機 電動機系統(tǒng)如圖 31所示 。 其中 G為直流他勵發(fā)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(fā)電機 、 電動機電勢的大小和方向來判斷能量之間的轉(zhuǎn)換 。 (1) 如圖 31(a)所示 ， 設 EG＞ EM， 即發(fā)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(fā)動機 (a) 兩個電勢同極性相聯(lián)： EGEM。 (b) 兩個電勢同極性相聯(lián)： EGEM （ c）兩個電勢反極性相聯(lián) 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(fā)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(fā)電機電勢 EG流入 ， 因此 ， 電動機輸出功率 ， 發(fā)電機吸收功率 ， 電動機運行于回饋制動狀 態(tài) 。 從能量的角度來講 ， 電動機軸上輸入的機械能轉(zhuǎn)換為電能反送給發(fā)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(lián) （ 反極性相接 ） ， 回路電壓為兩個電勢之和 ， 電動機和發(fā)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(jié)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(chǎn)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(xiàn)的條件 將直流發(fā)電機 電動機系統(tǒng)作一變換 ， 如圖 32所示 ， 用單相全波晶閘管電路代替直流發(fā)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(xù) 。 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(xù)且波形近似于一條水平線 ， 并把直流電動機看作無內(nèi)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(tài) 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(tài)，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(tài)。根據(jù)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(cè)的輸出電壓 Ud上正下負，在輸出電壓 Ud的作用下，電動機產(chǎn)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(wǎng)輸出功率 ， 電動機吸收功率 ， 即變流器將電能轉(zhuǎn)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(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大 ， 因電動機軸上重物產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩不變 ， 所以電動機的轉(zhuǎn)速升高 ， 電動機的反電勢 E亦增大 ， 使 Id恢復到原來的數(shù)值 ， 此時電動機穩(wěn)定運行在較高轉(zhuǎn)速 。 反之 ， α值增大 ， 則電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速減小 。 當 α增大到90176。 時 ， 輸出電壓 Ud＝ 0， 電動機轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降 ， 到轉(zhuǎn)速 n＝ 0時 ，采用電磁抱閘 ， 電機停轉(zhuǎn) 。 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(tài) 如圖 32（ b） 所示 ， 電動機停止運轉(zhuǎn)時 ， 使重物下降 ， 電動機則在重物的作用下反向運轉(zhuǎn) ， 產(chǎn)生上負下正的反電勢 E。 在直流發(fā)電機 電動機系統(tǒng)中 ， 由于電流的流向不受限制 ， 因此電能實現(xiàn)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?qū)щ娦詻Q定了回路的電流方向不能發(fā)生改變 ， 為了不使 E和Ud反極性相接 ， 就必須將直流側(cè)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(diào)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(xù) ， 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(fā)電機工作狀態(tài) ， 變流器吸收功率 。 電動機輸出的功率通過變流器轉(zhuǎn)變成交流功率回送交流電網(wǎng) ， 從而實現(xiàn)有源逆變 。 單相全波晶閘管電路工作在逆變狀態(tài) 。 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(tài)時 ， 交流電網(wǎng)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(tài)時 ， 交流電網(wǎng)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(tài) 。 第 3章 逆變電路及應用 綜上所述 ， 要實現(xiàn)有源逆變必須滿足如下條件： (1) 外部條件：直流側(cè)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(nèi)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(xù)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(cè)接上反極性的電勢源 ， 因此這樣的電路不能實現(xiàn)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(nèi)，如果電流連續(xù)， 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(cè)輸出電壓 Ud與之間的關系，可根據(jù)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(fā)現(xiàn) ， 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(guī)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(xiàn)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(jù)式 （ 31） ： V9960c o 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(nèi)部條件。 即滿足有源逆變實現(xiàn)的條件。 第 3章 逆變電路及應用 電動機的制動電流為： 991 20dd ????? 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(tài) （ 0α90176。 ） 根據(jù)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(nèi) ， 由于負載端串有大電感 ， 能維持負載端電流連續(xù) ， 因此 ， 在一個周期之內(nèi) ， 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(xù) 。 不論輸出電壓的瞬時值 ud在整個周期內(nèi)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(cè) 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(tài) （ 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(xiàn)的條件 ， 電抗器 Ld的電感值足夠大 ， 能保證電流連續(xù) 。 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(fā)脈沖控制的 ， 并總是轉(zhuǎn)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(fā)裝置必須嚴格按照規(guī)定的換相次序 ， 依次發(fā)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(nèi) ， 三個管子輪流導通 ， 輸出端電壓波形 、 電流波形連續(xù) ， 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(xù) ， 則每個晶閘管在規(guī)定的周期內(nèi)的導通角都為 120176。 。 對波形進行積分 ， 可得直流側(cè)輸出電壓平均值 Ud的大?。? ????????? c os3πs i n23)(ds i n2π23223266