电力电子技术(第2版)教学课件作者龚素文2.pptx
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第二章有源逆变电路,1,3,.,有源逆变电路的工作原理,2.,三相有源逆变电路,.,有源逆变电路的应用,返回,.有源逆变电路的工作原理,.直流发电机电动机系统电能的流转,图所示直流发电机电动机系统中,为直流电动机,为直流发电机,励磁回路未画出。
控制发电机电动势的大小和极性,可实现电动机四象限的运行状态。
.有源逆变电路的工作原理以卷扬机为例,由单相全波相控整流供电直流电动机作为动力,分析重物提升与下降两种工作情况。
电路如图所示(图中箭头方向表示参考方向,极性方向表示实际方向)。
下一页返回,.有源逆变电路的工作原理,.整流工作状态由前述知识可知,对于单相全波相控整流电路,当控制角在的某个对应角度触发晶闸管时,上述变流电路输出的直流平均电压为,因为此时均小于,故为正值。
在该电压作用下,直流动机转动,卷扬机将重物提升起来,直流电动机转动产生的反电动势为,且略小于输出直流平均电压,此时电枢回路的电流为,上一页下一页,返回,.有源逆变电路的工作原理,上一页下一页,返回,.中间状态当卷扬机将重物提升到要求高度时,自然就需在某个位置停住,这时只要将控制角调到等于的位置,变流器输出电压波形中,其正、负面积相等,电压平均值为零,电动机停转(实际上采用电磁抱闸断电制动),反电动势也同时为零。
此时,虽然为零,但仍有微小的直流电流存在。
注意,此时电路处于动态平衡状态,与电路切断、电动机停转具有本质的不同。
.有源逆变工作状态上述卷扬系统中,当重物放下时,由于重力对重物的作用,必将牵动电动机使之向与重物上升相反的方向转动,电动机产生的反电动势的极性也将随之反向。
.有源逆变电路的工作原理,上一页下一页,返回,如果变流器仍工作在的整流状态,从上面曾分析过的电源能量流转关系不难看出,此时将发生电源间类似短路的情况。
为此,只能让变流器工作在的状态,因为当时,其输出直流平均电压负,出现类似图()中两电源极性同时反向的情况,此时如果能满足,则回路中的电流为.产生逆变的条件通过上述分析,实现有源逆变必须同时满足两个基本条件。
.外部条件要有一个极性与晶闸管导通方向一致的直流电动势源。
这种直流电动势源可以是直流电动机的电枢电动势,也可以是蓄电池电动势。
它是使电能从变流器的直流侧回馈交流电网的源泉,其数值应稍大于变流器直流侧输出的直流平均电压。
.有源逆变电路的工作原理,.内部条件要求变流器中晶闸管的控制角,这样才能使变流器直流侧输出一个负的平均电压,以实现直流电源的能量向交流电网的流转。
上述两个条件必须同时具备才能实现有源逆变。
必须指出,对于半控桥或者带有续流二极管的可控整流电路,因为它们在任何情况下均不可能输出负电压,也不允许直流侧出现反极性的直流电动势,所以不能实现有源逆变。
为了保证电流连续,逆变电路中一定要串接大电感。
上一页,返回,.三相有源逆变电路,.,三相半波有源逆变电路,图()所示为三相半波电动机负载电路,电动机电动势的极性符合有源逆变条件,当且时,可实现有源逆变。
变流器直流电压为,逆变时管子两端电压波形与整流时一样画法,以管为例,一个周期内导通,接着内由于导通管子承受电压,最后导通承受电压,波形如图()所示。
下一页返回,.三相有源逆变电路,在图中分别绘出控制角为、时输出电形以及晶闸管两端的电压波形。
可以看出,在整流状态,晶闸管在阻断时主要承受反向电压;.三相全控桥有源逆变电路三相桥式整流电路用作有源逆变时,就称为三相桥式逆变电路。
与整流时一样分析,共阴极组管子触发换流时,由低阳极电压换到高阳极电压,所以在相电压波形中电压上跳;共阳极组管子触发换流时,由阴极电位高的管子换到阴极电位低的管子,电压波形下跳,管子电压波形与三相半波有源逆变电路相同。
图所示为不同逆变角时的输出电压波形。
各电量的计算如下,上一页下一页,返回,.三相有源逆变电路,上一页下一页,返回,.,逆变失败与最小逆变角的限制,逆变运行时,一旦发生换相失败,外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路,或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联,由于逆变电路的内阻很小,形成很大的短路电流,这种情况称为逆变失败,也称为逆变颠覆。
.逆变失败的原因造成逆变失败的原因很多,主要有下列几种情况:
()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,使交流电源电压和直流电动势顺向串联,形成短路。
.三相有源逆变电路,上一页下一页,返回,()晶闸管发生故障,在应该阻断期间,器件失去阻断能力,或在应该导通期间,器件不能导通,造成逆变失败。
()在逆变工作时,交流电源发生缺相或突然消失,由于直流电动势的存在,晶闸管仍可导通,此时变流器的交流侧由于失去了同直流电动势极性相反的交流电压,因此直流电动势将通过晶闸管使电路短路。
()换相的裕量角不足,引起换相失败,应考虑变压器漏抗引起换相重叠角对逆变电路换相的影响。
如图所示,由于换相有一过程,且换相期间的输出电压是相邻两电压的平均值,故逆变电压要比不考虑漏抗时的更低(负的幅值更大)。
.三相有源逆变电路,.确定最小逆变角的依据逆变时允许采用的最小逆变角应为,晶闸管的关断时间,大的可达,折算到电角度为。
至于重叠角,它随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。
例如,某装置整流电压为,整流电流,整流变压器容量为路电压比为的三相线路,其的值为,设计变流器时重叠角可查阅有关手册,也可自行计算。
上一页,返回,.有源逆变电路的应用,很多生产机械,如起重提升设备、电梯、龙门刨床、轧钢机轧辊等均要求传动电动机能正、反向运行即可逆拖动。
改变直流它励电动机的转向有两种方法,即改变励磁电压极性和改变电枢电压极性。
这两种方法各有特点,可根据不同场合与不同要求选用。
.由晶闸管桥路供电、用接触器控制直流电动机的正反转图所示为采用一组晶闸管组成的变流器给电动机电枢供电,用接触器控制的正反转电路,电动机励磁由另一组整流电源供电,图中未画出。
当晶闸管桥路工作在整流状态,接触器触点闭合时电动机正转;断开闭合时则电动机反转。
当电动机从正转到反转时,为了实现快速制动与反转、缩短过渡过程时间以及限制过大的反接制动电流,可将桥路触发脉冲移到,即工作在逆变状态。
在初始阶段尚未断开,在电抗器中的感应电动势作用下,电路进入有源逆变状态,将电抗器中的能量逆变为交流能量返送电网。
下一页返回,.有源逆变电路的应用,上一页下一页,返回,.采用两组变流桥的可逆电路对于不同于卷扬机的位能负载,若电动机由电动状态转为发电制动,相应的变流器由整流转为逆变,则电流必须改变方向,这是不能在同一组变流桥内实现的。
因此,必须采用两组变流桥,将其按极性相反连接,一组工作在电动机正转,另一组工作在电动机反转。
两组变流桥反极性连接有两种供电方式,一种是两组变流桥由一个交流电源或通过变压器供电,称为反并联连接,常用的反并联电路如图所示;另一种称交叉连接,两组变流器分别由一个整流变压器的两组二次绕组供电,也可用两只整流变压器供电。
两种连接的工作情况是相似的,下面以反并联电路为例进行分析。
.有源逆变电路的应用,上一页下一页,返回,反并联可逆电路常用的有逻辑无环流、有环流及错位无环流种工作方式,这里介绍逻辑控制无环流可逆电路的基本原理。
当电动机磁场方向不变时,正转时由组桥供电;反转时由组桥供电,采用反并联供电可使直流电动机在个象限内运行,如图所示。
反并联供电时,如两组桥路同时工作在整流状态会产生很大的环流,即不流经电动机的两组变流桥之间的电流。
一般来说,环流是一种有害电流,它不做有用功而占有变流装置的容量,产生损耗使元件发热,严重时会造成短路事故损坏元件。
因此,必须用逻辑控制的方法,在任何时间内只允许一组桥路工作,另一桥路阻断,这样才不会产生环流,这种电路称为逻辑无环流可逆电路。
工作情况分析如下。
.有源逆变电路的应用,上一页下一页,返回,电动机正转:
在图中第一象限工作,组桥投入触发脉冲,组桥封锁阻断,组桥处于整流状态,电动机正向运转。
逻辑无环流电路虽有死区,但不需要笨重与昂贵的均衡电抗来限制环流(图中可以不用),也没有环流损耗。
因此在工业生产中到了广泛应用。
.交流电动机的串级调速绕线转子异步电动机用转子串接电阻、分段切换可进行调速,此法调速与节能性能都很差。
采用转子回路引入附加电动势,从而实现电动机调速的方法称为串级调速。
.有源逆变电路的应用,晶闸管串级调速是异步电动机节能控制广泛采用的一项技术,目前国内外许多著名电气公司均生产串级调速系列产品。
它的工作原理是利用三相整流将电动机转子电动势变换为直流,经滤波通过有源逆变电路再变换为三相工频交流返送电网。
串级调速主电路如图所示,逆变电压为引入转子电路的反电动势改变逆变即可改变反电动势大小,达到改变转速的目的。
是转子整流后的直流电压,其值为,上一页下一页,返回,.有源逆变电路的应用,逆变变压器均采Y或Y连接,大容量装置采用逆变桥串、并联脉控制,有利于改善电流波形,减小变流装置对电网的影响。
其二次电压的大小要和异步电动机转子电压值相互配合,当两组桥路连接形式相同时,最大转子整流电压应与最大逆变电压相等,即,上一页下一页,返回,.有源逆变电路的应用,上一页下一页,返回,.高压直流输电直流输电是将发电厂发出的交流电,经整流器变换成直流电;然后再用逆变器变换成交流送至用户使用。
通常由发电厂产生的电能都是以交流电压和电流形式并通过三相输电线传输到负荷中心的。
然而,在某些情况下,用直流形式传输电能会更为理想。
例如,在远离用电负荷中心的发电站采用直流电(两根输电线)远距离输送同等功率的电能比采用交流电更加经济,一般而言,直流架空输电线的等价距离(输送一定功率时,交、直流输电线路和两端电气设备的总费用相等时所对应的输电距离)为,若采用地下或海底电缆线路,其等价距离会更(为)。
由于高压电缆分布电容和充电功率的限制,长距离海底电缆交流输电几乎是不可能的,而直流方式比较适宜。
另外,考虑到其他一些因素。
例如,为改善交流输电系统的暂态稳定,加强对电力系统振荡的动态阻尼作用等,都将优先选用直流输电,两个或多个不同步甚至不同频率的交流电网连接,只能采用直流输电方式。
.有源逆变电路的应用,图()是在两个交流电力系统之间用高压直流输电连接的原理。
为两个交流电网系统,两端为高压变流阀,为了绝缘与安全,采用光控大功率晶闸管串、并联组成桥路,用光脉冲同时触发多只光控晶闸管。
通过分别控制两个变流阀的工作状态,就可控制电功率流向,如电网向电网输送功率时,则左边变流阀工作在整流状态,右边变流阀工作于有源逆变状态。
为了保证交流电网波形质量,要对变流阀设计与滤波环节必须十分重视。
直流高压由晶闸管变流器串联来实现,如图()所示,它的直流电压可达或。
上一页,返回,图,直流发电机电动机之间电能的转,返回,图,全波相控电路的整流与有源逆变,返回,图,单相桥式全控整流电路,返回,图,例题波形图,返回,图2-5,返回,图,三相半波电路输出电压及晶闸管两端的电压波形,返回,图,三相全控桥有源逆变电路的波形,返回,图,交流侧电抗对逆变换相过程的影响,返回,图,用接触器反向的可逆电路,返回,图,两组晶闸管反并联的可逆电路,返回,图,反并联可逆系统四象限运行图,返回,图,串级调速主电路原理,返回,图,高压直流输电,返回,谢谢观赏,
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- 电力 电子技术 教学 课件 作者 龚素文
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