有源逆变技术的工程应用课程设计

编号：审定成绩：重庆邮电大学课程（综合）设计报告设计题目：有源逆变技术的工程应用学院名称：自动化学院学生姓名：陈欢欢专业：电气工程及其自动化班级：5221202学号：2012217100指导教师：唐贤伦填表时间：2015年 6 月重庆邮电大学摘要随着高等教育的普及, 各大院校的招生人数相对于几年前已大幅增长,但对实验设备条件的投资改善并不是和招生速度同步;为了提高实验设备利用率,实现资源共享, 一般工科院校的实验设备, 现在已由原来的“半天工作制”, 变为“全天工作制”; 对一些中、强电的专业, 其实验多半是验证性的, 实验设备只考虑能完成实验的数目,没有考虑到效率、节能等因素。

本文通过对《电力拖动自动控制系统》实验、《电力电子技术》实验和《电机与电力拖动基础》实验中电机负载进行分析,提出采用有源逆变技术对其进行优化,这样既能实现节能, 提高效率, 又开发了具有一定综合性的实验。

在逆变电路中，把直流电能经过直交变换，向交流电源反馈能量的变换电路称之为有源逆变电路，相应的装置称为有源逆变器。

有源逆变与无源逆变的区别：逆变电源就是把直流电逆变成交流电。

有有源逆变也有无源逆变。

比如说直流电压，经过一个简单的单相H型晶闸管桥，H的横就是那个输出，H的竖线上各有四个晶闸管，编号上12，下34，则分别开通14和23就得到正负相隔的输出电压和电流了，逆变电源的应用是很广的，无源逆变电路出端交流电能直接输向用电设备的逆变电路。

生产实践中常要求把工频交流电能或直流电能变换成频率和电压都可调节的交流电能供给负载，这就需要采用无源逆变电路。

在电力电子电路中，除指明为有源逆变电路者外，均为无源逆变电路。

目录有源逆变技术在工程中的应用 (1)晶闸管有源逆变器的停电保护方法 (1)一、单相有源逆变电路 (1)逆变电路的分析 (1)变流器的两种工作状态 (2)实现有源逆变的条件 (3)二、三相有源逆变电路 (3)三相半波逆变电路 (3)三相桥式全控有源逆变电路 (4)三、逆变失败的原因 (5)逆变失败的定义 (5)逆变失败的原因 (5)实现有源逆变的条件 (7)四、有源逆变技术在电机实验中的应用 (8)目前有关电机实验的现状 (8)相桥式晶闸管有源逆变电路设计 (10)五、单相桥式全控整流及有源逆变的原理 (12)整流电路的概述 (12)有源逆变的概述 (12)逆变失败原因及消除方法 (12)六、参数计算 (12)七、实验电路原理及结果图 (13)心得与总结 (17)参考文献 (18)有源逆变技术在工程中的应用晶闸管有源逆变器的停电保护方法一般的晶闸管 (ＳＣＲ)有源逆变器 ,由于没有相应的保护措施 ,在电网瞬间停电时 ,即电网电压突然降到零时 ,失去换相的反电压 ,不能进行正常换流 ,致使电流失去控制 .有时在电网电压大幅度闪变 ,三相电压严重不平衡的情况下 ,由于同步失效也可能导致ＳＣＲ的控制角从逆变移到整流区 ,或者丢掉应发出的触发脉冲 ,造成逆变电势突然下降或逆变颠覆 ,形成过流或短路故障 ,烧断快熔以致损坏ＳＣＲ .上述问题在蓄电池充放电和化成电源装置中更为突出 ,停电时电网的交流电没有了 ,而蓄电池的直流电源仍然存在 ,ＳＣＲ有源逆变失败 ,就会形成直流回路短路 ,可能产生很大的短路电流 ,若不予以限制可出现ＳＣＲ损坏 ,接触器触头烧毁以及危及蓄电池寿命的事故 .可见 ,ＳＣＲ有源逆变器需要完善的瞬时停电保护 ,基本要求是停电时不得损坏ＳＣＲ器件 ,即便是快熔烧断也不希望出现 ,因为这需要增加维修费用和时间 .因此 ,瞬时停电时不应损坏电路中任何器件 ,恢复供电后能立即正常投入运行 .若“瞬时”停电有 0 .1～ 0 .5ｓ间隔并未真正脱离电网。

一、单相有源逆变电路逆变电路的分析整流是把交流电变换成直流电供给负载，那么，能不能反过来，利用相控整流电路把直流电变为交流电呢？完全可以。

我们把这种整流的逆过程称为逆变。

在许多场合，同一套晶闸管或其它可控电力电子变流电路既可作逆变，这种装置称为变流装置或变流器。

根据逆变输出交流电能去向的不同，所有逆变电路又分为有源逆变和无源逆变两种。

前者以电网为负载，即逆变输出的交流电能回送到电网，后者则以用电器为负载，如交流电机、电炉等。

变流器的两种工作状态用单相桥式可控整流电路能替代发电机给直流电动机供电，为使电流连续而平稳，在回路中串接大电感Ld称为平波电抗器。

这样，一个由单相桥式可控整流电路供电的晶闸管－直流电动机系统就形成了。

在正常情况下，它有两种工作状态，其电压电流波形分别示于图3－1、图3－2中。

1.变流器工作于整流状态（0<α<π /2）在图3－1中，设变流器工作于整流状态。

由单相全控整流电路的分析可知，大电感负载在整流状态时Ud ＝0.9U2cosα，控制角的移相范围为0～90 ︒，Ud为正值，P点电位高于N点电位，并且Ud应大于电动机的反电势E，才能使变流器输出电能供给电动机作电机运行。

此时，电能由交流电网流向直流电源（即直流电动机M的反电势E）。

图3-12.变流器工作与逆变状态（π /2<α<π）在图3－2中，设电机M作发电机运行（再生制动），但由于晶闸管元件的单向导电性，回路内电流不能反向，欲改变电能的传送方向，只有改变电机输出电压的极性。

在图3－2中，反电势E的极性已反了过来，为了实现电动机的再生制动运行，整流电路必须吸收电能反馈回电网，也就是说，整流电路直流侧电压平均值Ud 也必须反过来，即Ud为负值，P点电位低于N点电位且电机电势E应大于Ud。

此时电路内电能的流向与整流时相反，电动机输出电功率，为发电机工作状态，电位则作为负载吸收电功率，实现了有源逆变。

为了防止过电流，应满足E约等于Ud ，在恒定励磁下，E取决于电动机的转速，而Ud则由调节控制角α来实现。

实现有源逆变的条件由上述有源逆变工作状态的原理分析可知，实现有源逆变必需同时满足两个基本条件：其一，外部条件，要有一个能提供逆变能量的直流电源。

其二，内部条件，变流器在控制角α>π/2的范围内工作，使变流器输出的平均电压U的极性与整流状态时相反，大小应和直流电势配d合，完成反馈直流电能回交流电网的功能。

从上面的分析可以看出，整流和逆变、交流和直流在晶闸管变流器中互相联系着，并在一定条件下可互相转换，同一个变流器，既可以作整流器，又可以作逆变器，其关键是内部和外部的条件。

不难分析，半控桥式电路或具有续流变流器不能实现有源逆变，而且也不允许直流侧出现反极性的直流电势。

二、三相有源逆变电路三相半波逆变电路1.工作原理图3－3为三相半波电机负载电路，负载回路接有大电感，电流连续。

当α在0～π/2范围内变动时，平均值U d总为正值，且U d应略大于E。

此时电流i d从U d正端流出，从E的正端流入，电机作为电动机运行，吸收电能，这就是三相半波电路的整流工作状态。

图3－3对于逆变状态（π /2<α<π），选取和整流状态相对应的条件进行分析，假设此时电动机反电势的极性已反接（如图3－4(a)所示）。

因为有了持续的直流电势和极大的电感Ld，主电路电流始终连续。

变流器输出电压必须如图3－4(b)中粗黑线所示。

当α在π/2～π范围内变动时，输出平均值Ud 为负，其极性是上负下正，此时电动机的电势E应稍大于Ud。

主电路内的电流Id方向没有变，但是它从E的正极流出，到Ud的正端流入，所以电能倒送。

2.逆变角β及逆变电压的计算三相半波电路在整流和逆变范围内，只要电流连续，每个晶闸管的导通角都是2π/3，故不论控制角α为何值，直流侧输出电压的平均值和α的关系都为为分析和计算方便起见，电路进入逆变状态时，通常用逆变角β表示。

规定β角计算的起始点为控制角α＝π处，计算方法为自α＝π（β＝0）的起始点向左方计算，因此控制角和逆变角的关系是α＋β＝π，或β＝π－α。

三相桥式全控有源逆变电路1.逆变电路波形分析图3－5(a)为三相有源逆变电路。

根据以前的分析，在区间0<α<π /2，电路工作于整流状态；α＝π/2时，Ud＝0；在π/2<α<π时，电路工作于有源逆变状态。

图3－5(b～d)表示α＝π5/6时的典型工作情况下电路中各点的波形。

图3－52.逆变电路电量计算考虑变压器漏抗时，逆变器输出电压为在三相逆变电路中，其它的电量，如电流平均值、晶闸管电流的平均值和有效值、变压器的容量计算等，均可按照整流电流的计算原则进三、逆变失败的原因逆变失败的定义逆变运行时，一旦发生换相失败，使整流电路由逆变工作状态进入整流工作状态，Ud又重新变成正值，使输出平均电压和直流电势变成顺向串联，外接的直流电源通过晶闸管电路形成短路，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆，这是一种事故状态，应当避免。

逆变失败的原因造成逆变失败的原因很多，大致可归纳为四类，今以三相半波逆变电路为例，加以说明。

1.触发电路工作不可靠触发电路不能适时地，准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失，脉冲延迟等，致使晶闸管工作失常。

如图3－6所示，当a相晶闸管T1导通到 t1时刻，正常情况时ug2触发T2管，电流换到b相，如果在ωt1时刻，触发脉冲ug2遗漏，T1管不受反压而关不断，a相晶闸管T1将继续导通到正半周，使电源瞬时电压与直流电势顺向串联，形成短路。

图3-6图3－7表明脉冲延迟的情况，ug2延迟到ωt2时刻才出现，此时a相电压ua已大于b相电压ub ，晶闸管T2承受反向电压，不能被触发导通，晶闸管T1也不能关断，相当于ug2遗漏，形成短路。

图3-72.晶闸管发生故障在应该阻断期间，元件失去阻断能力；或在应该导通时刻，元件不能导通，如图3－8所示。

在ωt1时刻之前，由于T3承受的正向电压等于E和uc之和，特别是当逆变角较小时，这一正向电压较高，若T3的断态重复峰值电压裕量不足，则到达ωt1时刻，本该由T1换相到T2，但此时T3已导通，T2因承受反压而无法导通，造成逆变失败。

图3-83.换相的裕1.变流器工作于整流状态（0<α<π /2）晶闸管有源逆变器的停电保护方法有源逆变一、单相有源逆变电路逆变电路的分类变流器的两种工作状态2.变流器工作与逆变状态（π /2<α<π）实现有源逆变的条件1.工作原理1.逆变电路波形分析2.逆变电路电量计算1.触发电路工作不可靠2.晶闸管发生故障量角不足存在重叠角或给逆变工作带来不利的后果，如以T1和T2的换相过程来分析，当逆变电路工作在β>γ时，经过换相过程后，b相电压ub 仍高于a相电压ua，所以换相结束时，能使T1承受反压而关断。

如果换相的裕量角不足，即当β<γ时，从图3－9的波形中可以看出，当换相尚未结束时，电路的工作状态到达P点之后，a相电压ua 将高于b相电压ub，晶闸管T2则将承受反向电压而重新关断，而应该关断的T1却还承受正电压而继续导通，且a相电压随着时间的推迟愈来愈高，致使逆变失败。