第十讲 三相桥整流电路的有源逆变.docx

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第十讲三相桥整流电路的有源逆变

第十讲三相桥整流电路的有源逆变

工作状态

Ø逆变和整流的区别：

控制角不同

▪0<

▪π/2<<π时，电路工作在逆变状态

图2-46三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形

Ø可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题

•把α>π/2时的控制角用π-α=β表示，β称为逆变角

•而逆变角β和控制角α的计量方向相反，其大小自β=0的起始点向左方计量

Ø三相桥式电路工作于有源逆变状态时波形如图2-46所示

Ø有源逆变状态时各电量的计算：

Ud=-2.34U2cosβ=-1.35U2Lcosβ（2-105）

输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即

Ø每个晶闸管导通2p/3，故流过晶闸管的电流有效值为（忽略直流电流id的脉动）

从交流电源送到直流侧负载的有功功率为

Ø当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。

在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为

9.1.3逆变失败与最小逆变角的限制

Ø逆变失败（逆变颠覆）——逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流

1.逆变失败的原因

（1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相

（2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通

（3）交流电源缺相或突然消失.

（4）换相的裕量角不足，引起换相失败

图2-47交流侧电抗对逆变换相过程的影响

Ø 换相重叠角的影响：

当β>γ时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。

如果β<γ时（从图2-47右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（VT2）会关断，而应关断的晶闸管（VT1）不能关断，最终导致逆变失败。

2.确定最小逆变角βmin的依据

Ø逆变时允许采用的最小逆变角β应等于

βmin=δ+γ+θ′（2-109）

δ:

晶闸管的关断时间tq折合的电角度，tq大的可达200~300ms，折算到电角度约4~5；γ——换相重叠角，随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。

为对重叠角的范围有所了解，举例如下：

某装置整流电压为220V，整流电流800A，整流变压器容量为240kV。

A，短路电压比Uk%为5%的三相线路，其的值约15~20。

Ø或参照整流时γ的计算方法：

•

根据逆变工作时，

并设，

上式可改写为

θ′——安全裕量角。

主要针对脉冲不对称程度（一般可达5）。

值约取为10

9.2晶闸管直流电动机系统

Ø晶闸管直流电动机系统——晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统。

是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一

Ø对该系统的研究包括两个方面：

其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况，其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。

本节主要从第二个方面进行分析

9.2.1工作于整流状态时

Ø不考虑电动机的电枢电感时

Ø只有晶闸管导通相的变压器二次侧电压瞬时值大于反电动势时才有电流输出，此时负载电流断续，对整流电路和电动机的工作都不利，要尽量避免

Ø在电枢回路串联一平波电抗器，保证整流电流在较大范围内连续，如图2-48

图2-48三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形

Ø电动机稳态时，虽然Ud波形脉动较大，但由于电动机有较大的机械惯量，故其转速和反电动势都基本无脉动。

此时整流电压的平均值由电动机的反电动势及电路中负载平均电流Id所引起的各种电压降所平衡。

整流电压的交流分量则全部降落在电抗器上。

由Id引起的压降有下列四部分：

变压器的电阻压降RBId，其中RB为变压器的等效电阻，它包括变压器二次绕组本身的电阻以及一次绕组电阻折算到二次侧的等效电阻；晶闸管本身的管压降，它基本上是一恒值；电枢电阻压降IdRM；由重叠角引起的电压降3XBId/

（2）。

Ø此时，整流电路直流电压的平衡方程为

（2-112）

式中，

1.电流连续时电动机的机械特性

Ø在电机学中，已知直流电动机的反电动势为

（2-113）

式中，Ce为由电动机结构决定的电动势常数；ϕ为电动机磁场每对磁极下的磁通量，单位为（Wb）；n为电动机的转速，单位为（r/min）。

可根据整流电路电压平衡方程式（2-112），作出不同控制角时EM与Id的关系

转速与电流的机械特性关系式为

Ø根据式（2-115）做出不同时n与Id的关系，如图2-49所示。

图中的值一般为1V左右，所以忽略。

可见其机械特性与由直流发电机供电时的机械特性是相似的，是一组平行的直线，其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异。

调节角，即可调节电动机的转速。

Ø

图2-49三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性

Ø同理，可列出三相桥式全控整流电路电动机负载时的机械特性方程为

（2-116）

2.电流断续时电动机的机械特性（图2-50）

Ø由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流不再连续，此时电动机的机械特性也就呈现出非线性。

Ø 电流连续时的理想空载反电动势（=60,忽略）：

Ø实际当Id减小至某一定值Idmin以后，电流变为断续，这个E0’是不存在的，真正的理想空载点远大于此值：

Ø<=60o，电动机的实际空载反电动势都是

Ø当>60o以后，空载反电动势为

图2-50电流断续时电动势的特性曲线

Ø电流断续时电动机机械特性的特点：

●电动机的理想空载转速抬高

●机械特性变软，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化

●随着a的增加，进入断续区的电流值加大

图2-51考虑电流断续时不同α时反电动势的特性曲线

1a4>60

Ø由于愈大，变压器加给晶闸管阳极上的负电压时间愈长，电流要维持导通，必须要求平波电抗器储存较大的磁能，而电抗器的L为一定值的情况下，要有较大的电流Id才行

Ø电流断续时电动机机械特性可由下面三个式子准确地得

式中，

，L为回路总电感。

Ø一般只要主电路电感足够大，可以只考虑电流连续段，完全按线性处理。

当低速轻载时，断续作用显著，可改用另一段较陡的特性来近似处理（见图2-50），其等效电阻比实际的电阻R要大一个数量级。

Ø整流电路为三相半波时，在最小负载电流为Idmin时，为保证电流连续所需的主回路电感量为

（2-120）

Ø对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统，有

ØL中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感。

前者数值都较小，有时可忽略。

Idmin一般取电动机额定电流的5%～10%。

Ø因为三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波的高一倍，因而所需平波电抗器的电感量也可相应减小约一半，这也是三相桥式整流电路的一大优点。

9.2.2工作于有源逆变状态时

1.电流连续时电动机的机械特性

Ø主回路电流连续时的机械特性由电压平衡方程式

决定。

Ø逆变时由于Ud=Ud0cos，EM反接，得

（2-122）

Ø因为EM=Cen，可求得

电动机的机械特性方程式

（2-123）

图2-52电动机在四象限中的机械特性

2.电流断续时电动机的机械特性

Ø电流断续时电动机的机械特性方程可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，只要把=-代入式（2-117）、式（2-118）和式（2-119），便可得EM、n与Id的表达式，求出三相半波电路工作于逆变状态且电流断续时的机械特性，即

（2-124）

（2-125）

（2-126）

Ø逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：

●理想空载转速上翘很多，机械特性变软，且呈现非线性

●说明逆变状态的机械特性是整流状态的延续

●纵观控制角由小变大（如/6~5/6），电动机的机械特性则逐渐的由第1象限往下移，进而到达第4象限。

逆变状态的机械特性同样还可表示在第2象限里，与它对应的整流状态的机械特性则表示在第3象限里

Ø应该指出，图2-52中第1、第4象限中的特性和第3、第2象限中的特性是分别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以正组和反组变流器。

9.2.3直流可逆电力拖动系统

图2-53两组变流器的反并联可逆线路

图

253（c）两组变流器的反并联可逆线路

Ø两套变流装置反并联连接的可逆电路：

图2-53a为三相半波有环流接线，图2-53b为三相全控桥的无环流接线。

●环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。

●电动机正向运行时由正组变流器供电的；反向运行时，则由反组变流器供电

●根据对环流的不同处理方法，反并联可逆电路又可分为不同的控制方案，如配合控制有环流（=）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等

●电动机都可四象限运行

●可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态：

整流或逆变

Ø图2-53c绘出了电动机四象限运行时两组变流器（简称正组桥、反组桥）的工作情况

●第1象限：

正转，电动机作电动运行，正组桥工作在整流状态，p<π/2，EM

●第2象限，正转，电动机作发电运行，反组桥工作在逆变状态，βN<π/2（N>π/2），EM>Udβ（下标中有β表示逆变，N表示反组）

●第3象限，反转，电动机作电动运行，反组桥工作在整流状态，N<π/2，EM

●第4象限，反转，电动机作发电运行，正组桥工作在逆变状态，βP<π/2（P>π/2），EM>Udβ

Ø直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能实现电动机的回馈制动

Ø电动机反向过程：

Ø第1象限正转，电动机从正组桥取得电能先使电动机迅速制动，为此需切换到反组桥工作在逆变状态，此时电动机进入第2象限作正转发电运行，随着电动机转速的下降，不断地调节，使之由小变大直至=/2（n=0），如继续增大，即

vα=β配合控制的有环流可逆系统

Ø对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证a=β的配合控制关系，假设正组为整流，反组为逆变，即有aP=βN，UdαP=UdβN，且极性相抵，两组变流器之间没有直流环流。

但两组变流器的输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流。

为防止环流只经晶闸管流过而使电源短路，必须串入环流电抗器LC限制环流。

v逻辑无环流可逆系统

Ø工程上使用较广泛，不需设置环流电抗器

Ø控制原则是：

只有一组桥投入工作（另一组关断），所以两组桥之间不存在环流

Ø两组桥之间的切换不能简单地把原来工作着的一组桥的触发脉冲立即封锁，而同时把原来封锁着的另一组桥立即开通

◆首先应使已导通桥的晶闸管断流，要妥当处理主回路内电感储存的能量，直到储存的能量释放完，主回路电流变为零，使原导通晶闸管恢复阻断能力

Ø随后再开通原封锁着的晶闸管，使其触发导通

Ø这种无环流可逆系统中，变流器之间的切换过程由逻辑单元控制，称为逻辑控制无环流系统。

Ø直流可逆电力拖动系统，将在后继课“电力拖动自动控制系统”中进一步分析讨论

图2-