【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)械 （ 例如起重提升設(shè)備 、 電梯 、 龍門刨等 ） 均要求電機(jī)能正反轉(zhuǎn) ， 因而直流可逆拖動系統(tǒng)要求變流器能給電機(jī)提供四象限工作方式的電源 ， 即要求直流側(cè)能輸出具有兩種極性的連續(xù)可調(diào)的電壓 。 我們知道 ， 控制他勵直流電動機(jī)正 、 反轉(zhuǎn)的方法有兩種：其一 ， 可以改變勵磁電壓的方向；其二 ， 可以改變電樞電壓的方向 。 由于前者勵磁回路慣性大 ， 過渡過程時間長且控制較復(fù)雜 ， 一般用于大容量 、 快速性要求不高的可逆系統(tǒng)中；后者快速性好 、 控制較簡單 ， 但需要設(shè)備容量大一些 ， 適用于中小容量和要求快速性高的可逆系統(tǒng)中 。 這里只介紹改變電樞電壓的四象限運行變流系統(tǒng)供電線路的工作原理 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 電動機(jī)電樞電壓極性可變的可逆拖動系統(tǒng)電路如圖 315所示 。 電動機(jī)的磁場方向不變 ， 而其電樞兩端由兩組三相橋式逆變電路的變流器 （ Ⅰ 、 Ⅱ 組 ） 反并聯(lián)供電 ， 從而稱為兩組變流裝置反并聯(lián)的可逆電路 。 其中電機(jī)正轉(zhuǎn)時由 Ⅰ 組橋供電 ， 反轉(zhuǎn)時由 Ⅱ 組橋供電 ， 且一組工作時 ， 另外一組被封鎖 ， 這樣做的好處是可以抑制環(huán)流的產(chǎn)生 。 下面我們來分析一下如何實現(xiàn)電機(jī)的四象限運行 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 圖 315 三相橋式反并聯(lián)可逆電路 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 設(shè)電機(jī)開始運行于第一象限 ， 此時 Ⅰ 組工作在整流狀態(tài) ， 電機(jī)電動運行 ， 轉(zhuǎn)速為正 ， 電機(jī)從 Ⅰ 組橋獲得能量 。 如果需要反轉(zhuǎn) ， 首先應(yīng)使電機(jī)迅速制動 ， 因而必須改變電機(jī)電樞的電流方向 ， 但對 Ⅰ 組橋來說 ， 電流不能倒流 ， 所以只能切換到 Ⅱ組橋工作 ， 同時使 Ⅱ 組橋工作于逆變狀態(tài) ， 如圖 316所示 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 圖 316 反并聯(lián)可逆電路四象限運行 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 改變觸發(fā)裝置的控制電壓 ， 將 Ⅰ 組橋觸發(fā)脈沖后移到 α1 ＞90176。 （ β1＜ 90176。 )。 由于機(jī)械慣性 ， 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n與反電動勢 E不能立即改變 ， Ⅰ 組橋的晶閘管在 E的作用下本應(yīng)關(guān)斷 ， 但由于id迅速減小 ， 在電抗器 Ld中產(chǎn)生下正上負(fù)的感應(yīng)電動勢 eL， 且 eL在數(shù)值上大于 E， 故使回路滿足有源逆變條件而進(jìn)入有源逆變狀態(tài) ， 將電感 Ld中的能量逆變反送電網(wǎng) ， 電動機(jī)仍處于電動運行 ，此時逆變發(fā)生在原工作的橋路 ， 因此被稱為 “ 本橋逆變 ” 。 當(dāng) id下降到零時 ， 將 Ⅰ 組晶閘管封鎖 ， 改變 Ⅱ 組控制角 βⅡ ， 使 UdⅡ＜ E， Ⅱ 組橋晶閘管進(jìn)入有源逆變狀態(tài) ， 工作在第二象限 ， 電動機(jī)保持運行在發(fā)電制動狀態(tài) ， 將系統(tǒng)的慣性能量逆變反送電網(wǎng) ， 電動機(jī)依舊正轉(zhuǎn) ， 此時逆變發(fā)生在另一組橋路 ， 因此被稱為“ 他橋逆變 ” 。 隨著逆變的進(jìn)行 ， 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)一步快速減小 ， 當(dāng)轉(zhuǎn)速減到零時 ， 將 Ⅱ 組觸發(fā)脈沖移至 αⅡ ＜ 90176。 （ βⅡ ＞90176。 ） ， Ⅱ 組橋進(jìn)入整流狀態(tài) ， 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速從零開始反向啟動 ， 進(jìn)入第三象限 。 同理 ， 電動機(jī)從反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)是由第三象限到第四象限再到第一象限 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 從上面的分析我們可以看出： 第一象限：正轉(zhuǎn) ， 電動機(jī)運行 ， Ⅰ 組工作在整流狀態(tài) ， αⅠ＜ 90176。 ， E＜ UdⅠ ； 第二象限：正轉(zhuǎn) ， 發(fā)電機(jī)運行 ， Ⅱ 組工作在逆變狀態(tài) ， βⅡ ＜ 90176。 ， E＞ UdⅡ ； 第三象限：反轉(zhuǎn) ， 電動機(jī)運行 ， Ⅱ 組工作在整流狀態(tài) ， αⅡ ＜ 90176。 ， E＜ UdⅠ ； 第四象限：反轉(zhuǎn) ， 發(fā)電機(jī)運行 ， Ⅰ 組工作在逆變狀態(tài) ， βⅠ ＜ 90176。 ， E＞ UdⅡ 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 2． 繞線式異步電動機(jī)的串級調(diào)速 串級調(diào)速是將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的電勢整流成直流 ， 然后再用三相有源逆變電路逆變?yōu)榻涣麟姺邓碗娋W(wǎng) ， 通過控制有源逆變的工作來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率 ， 從而達(dá)到調(diào)速的目的 。 利用有源逆變的原理對繞線式異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速 ， 具有結(jié)構(gòu)簡單 、 效率高等優(yōu)點 ， 且調(diào)速范圍寬 。 考慮到變流器的容量不宜太大 ， 故其調(diào)速范圍一般不大于 2～ 3， 特別適合于大容量的電動機(jī)調(diào)速 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 圖 317 繞線式電動機(jī)串級調(diào)速電路圖 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 控制電路硅整流二極管 VD1～ VD6組成三相不可控橋式整流電路 ， 晶閘管 VT1～ VT6組成三相可控橋式有源逆變電路 。 電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路接整流電路 。 硅整流二極管把異步電動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下感應(yīng)出的轉(zhuǎn)差頻率電勢 sE20整流成直流電壓 Ud， Ud 20d sEU ?（ 34） 式中 : s－異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率 ， （ n0和 n分別為電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速 ） ； E20—— 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子開路時的線電壓有效值 。 00nnns ??第 3章 逆變電路及應(yīng)用 這一直流電源 Ud作為逆變電路的附加反電動勢 ， 通過晶閘管逆變電路逆變成交流電 ， 再經(jīng)逆變變壓器 TI反送給電網(wǎng) 。 若忽略轉(zhuǎn)子回路電阻 ， 當(dāng)電動機(jī)穩(wěn)速運行時 ， 逆變回路的逆變電壓 Udβ 應(yīng)與整流電路輸出電壓 Ud大小相等 、 方向相反 ， 即 202 o sEUU ld ?? ???c os202EUs l? （ 35） 式中 : U2l—— 逆變變壓器次級線電壓有效值 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 無源逆變 1． 分類 1） 交 如圖 318(a)所示 ， 交 交變頻器由正 、 反兩組反并聯(lián)的變流器組成 ， 可使兩組變流裝置輪流導(dǎo)通 ， 從而在負(fù)載上獲得交變的輸出電壓 uo， 其波形如圖 318(b)所示 。 uo的大小可以通過改變變流器的控制角 α來調(diào)節(jié) ， uo的頻率則由正 、 反兩組變流器輪流導(dǎo)通的切換頻率決定 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 圖 318 交 交變頻器 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 2） 交 直 如圖 319(a)所示 ， 交 直 交變頻器由整流器和逆變器組成 ，可使兩對晶閘管 VT VT4和 VT VT3輪流切換導(dǎo)通 ， 從而在負(fù)載上得到交變的輸出電壓 uo， 其波形如圖 319(b)所示 。 uo的大小可通過改變直流電壓 Ud調(diào)節(jié) ， uo的頻率決定于兩對晶閘管的切換頻率 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 圖 319 交 直 交變頻器 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 2． 換流方式 在變頻器中 ， 按需要時刻將導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷 ， 使電流換到另一個需要導(dǎo)通的晶閘管去 ， 我們稱之為 “ 換流 ” 。 晶閘管陽極電流降到零時 ， 若要恢復(fù)正向阻斷能力 ， 則還需要一段關(guān)斷時間 ， 因此 ， 通過在晶閘管的陽極與陰極之間加反向電壓的方法來實現(xiàn)管子的關(guān)斷 。 管子所加反向電壓的時間必須大于管子的關(guān)斷時間 ， 才能保證換流的正常實現(xiàn) 。 常用的換流方法有以下三種： 1） 在交 交變頻器中 ， 利用電網(wǎng)電壓過零變負(fù)的特點實現(xiàn)導(dǎo)通晶閘管的關(guān)斷 ， 電路簡單 ， 但僅適用于交流電網(wǎng)供電的電路 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 2） 在直流供電的負(fù)載回路中 ， 利用電阻 、 電感和電容形成的振蕩特性 ， 使負(fù)載電流超前于電壓的時間 t0大于晶閘管的關(guān)斷時間tq， 便能保證晶閘管可靠地關(guān)斷 。 由于 t0是隨負(fù)載與頻率變換的 ，因此這種換流方式只適用于負(fù)載及頻率變化不大的場合 。 3） 利用專門的換流電路使晶閘管在任何需要的時刻關(guān)斷 ， 稱為強(qiáng)迫換流 。 換流電路是利用換流電容儲存的能量 ， 在換流時刻產(chǎn)生一個短暫的脈沖 ， 迫使原來導(dǎo)通的晶閘管電流下降到零 ， 再加一段時間的反向電壓 ， 便可保證晶閘管可靠地關(guān)斷 。 強(qiáng)迫換流的原理及波形如圖 3－ 20(a)、 (b)所示 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 圖 320 強(qiáng)迫換流的原理及波形 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 強(qiáng)迫換流多用于斬波器及逆變器中 ， 可使輸出頻率不受電源頻率的限制 ， 但需要附加龐大的換流裝置 ， 同時還要增加晶閘管的電壓 、 電流定額 ， 對晶閘管的動態(tài)特性要求也高 。 如果采用全控開關(guān)元件 ， 則可省去換流電路 ， 從而使電路簡化 、 裝置的體積減小 、 重量減輕 。 下面我們以全控器件為例介紹幾種常見的逆變器 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 電壓型逆變電路 1． 電壓型單相半橋逆變電路 電壓型單相半橋逆變電路如圖 321(a)所示 ， 直流側(cè)接有互相串聯(lián)的兩個大電容 C1和 C2， 滿足 C1=C2， 主要起緩沖無功能量的作用 。 半橋逆變電路由兩個導(dǎo)電橋臂組成 ， 每個導(dǎo)電橋臂由一個全控器件和反向并聯(lián)的二極管構(gòu)成 。 負(fù)載接在兩個電容的連接點和兩個橋臂的連接點之間 ， 負(fù)載為感性負(fù)載 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 圖 321 電壓型單相半橋逆變電路 (a) 電路圖； (b) 輸出波形 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 該電路的工作原理： 設(shè) V1和 V2的基極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏 、 半周反偏 ， 且兩者互補(bǔ) 。 假設(shè) t2時刻以前 ， V1導(dǎo)通 、 V2截止 ， 則負(fù)載端電壓uo=Ud/2。 在 t2時刻 ， 給 V1加關(guān)斷信號 ， 給 V2加導(dǎo)通信號 ， 電感作用的結(jié)果是電流不能發(fā)生突變 ， 從而使得 VD2導(dǎo)通續(xù)流 ， 負(fù)載端電壓uo=Ud/2， 回路電流慢慢減小 。 在 t3時刻 ， io降為零 ， VD2截止 ， V2導(dǎo)通 ， 負(fù)載端電壓 uo=Ud/2。 在 t4時刻 ， 給 V2加關(guān)斷信號 ， V1加導(dǎo)通信號 ， 此時 VD1導(dǎo)通 ， 負(fù)載端電壓 uo=Ud/2。 在 t5時刻 ， io降為零 ， VD1截止 ， V1導(dǎo)通 ， 負(fù)載端電壓 uo=Ud/2。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 由上面的分析可知 ， 半橋逆變電路負(fù)載端電壓波形為矩形波 ， 電流波形接近于正弦波 。 當(dāng) V1或 V2導(dǎo)通時 ， 負(fù)載電流與電壓同方向 ， 直流側(cè)向負(fù)載提供能量； 而當(dāng) VD1或 VD2導(dǎo)通時 ， 負(fù)載電流方向與電壓方向相反 ， 負(fù)載中儲存的能量反饋給直流側(cè) ， 反饋的能量暫時儲存在直流側(cè)電容中 ， 此時直流側(cè)電容起著緩沖無功能量的作用 。 半橋逆變電路的優(yōu)點是簡單 ， 使用器件少 。 其缺點是輸出交流電壓的幅值僅為直流電源的一半 ， 且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián) 。 因此 ， 半橋逆變電路常用于幾 kW以下的小功率逆變電源 。 如果要提高負(fù)載端的電壓幅值 ， 可采用全橋逆變電路 。 全橋逆變電路及輸出電壓 、 電流波形如圖 322所示 ， 相當(dāng)于兩個半橋逆變電路組合而成 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 圖 322 電壓型單相全橋逆變電路 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 2． 電壓型三相橋式逆變電路 電壓型三相橋式逆變電路如圖 323所示 ， V1～ V6為全控型器件 ， VD1～ VD6為續(xù)流二極管 ， Za、 Zb、 Zc是三相平衡負(fù)載 。 本逆變器屬于 180176。 導(dǎo)電型 ， 全控型器件的導(dǎo)通情況列于表 32。 從表中可以看出：在一個周期內(nèi)的任何時刻都有分屬三 相 的 三 個 開 關(guān) 器 件 同 時 導(dǎo) 通 ， 導(dǎo) 通 順 序 是V1→V 2→V 3→V 4→V 5→V 6→V 1……， 每個開關(guān)器件的導(dǎo)通角為180176。 ， 各觸發(fā)信號依次相差 60176。 電角度 。 三相對應(yīng)開關(guān)器件產(chǎn)生導(dǎo)通角互差 120176。 的三相電流同時流經(jīng)負(fù)載 ， 改變 6個開關(guān)器件的驅(qū)動信號的頻率 ， 就能改變輸出電壓的頻率 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 2． 電壓型三相橋式逆變電路 電壓型三相橋式逆變電路如圖 323所示 ， V1～ V6為全控型器件 ， VD1～ VD6為續(xù)流二極管 ， Za、 Zb、 Zc是三相平衡負(fù)載 。 本逆變器屬于 180176。 導(dǎo)電型 ， 全控型器件的導(dǎo)通情況列于表32。 從表中可以看出：在一個周期內(nèi)的任何時刻都有分屬三相的三個開關(guān)器件同時導(dǎo)通 ， 導(dǎo)通順序是 V1→V 2→V 3→V4→V 5→V 6→V 1…… ， 每個開關(guān)器件的導(dǎo)通角為 180176。 ， 各觸發(fā)信號依次相差 60176。 電角度 。 三相對應(yīng)開關(guān)器件產(chǎn)生導(dǎo)通角互差120176。 的三相電流同時流經(jīng)負(fù)載 ， 改變 6個開關(guān)器件的驅(qū)動信號的頻率 ， 就能改變輸出電壓的頻率 。 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 圖 323 電壓型三相橋式逆變器 第 3章 逆變電路及應(yīng)用 表