电力电子变流技术课后答案第4章有源逆变电路
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第四章有源逆变电路
习题与思考题解
4-1.逆变电路必须具备什么条件才能进行逆变工作?
解:逆变电路必须同时具备下述两个条件才能产生有源逆变:
1 变流电路直流侧应具有能提供逆变能量的直流电源电势E d,其极性应与晶闸管的导电电流方向一致。
2. 变流电路输出的直流平均电压U d的极性必须为负(相对于整流时定义的极性),以保证与直流电源电势E d构成同极性相连,且满足U d<E d。
4-2单相全控桥式逆变电路与单相桥式(二极管)整流电路有何差别?是否所有的整流电路都可以用来作为逆变电路?
解:单相全控桥式逆变电路是DC/AC变换电路,是单相全控桥式变流电路工作于逆变状态,其负载为反电动势负载,控制角为α>90°的情况。
单相桥式(二极管)整流电路是AC/DC 变换电路,是单纯的整流电路,相当于单相全控桥式变流电路工作于整流状态,控制角α=0°时的情况。
不是所有的整流电路都可以用来作为逆变电路。
例如,单相、三相半控桥式变流电路,带续流二极管的变流电路都只能工作于整流状态,不能用来作为逆变电路。
4-3.逆变电路工作时为什么会产生短路事故?
解:变流器工作在逆变状态时,如果因丢失脉冲、移相角超出范围、甚至突发电源缺相或断相等情况时,都有可能发生换相失败,将使变流器输出的直流电压U d进入正半周范围,U d的极性由负变正,与直流侧直流电源电势E d形成顺向串联,造成短路事故(因逆变电路的内阻R很小)。
这种情况称为逆变失败。
或称为逆变颠覆。
4-4.为什么要限制逆变角的最小值βmin?选择βmin值时应考虑哪些因素?
解:为了避免逆变电路发生逆变失败,所以,必须限制逆变角的最小值βmin。
最小逆变角βmin的选取要考虑三个因素,即
换相重叠角γ;
晶闸管关断时间t off对应的电角度δ;
安全裕量角θ0。
故有
βmin≥γ+δ+θ0
4-5.在图4-2(c )中,当α>90°时,为什么必须E d >U d 才能正常逆变工作,E d 与U d 间的差值由何因素决定。
如果E d =U d 和E d <U d 则有何结果?
解:因为当α>90°,必须E d >U d 时,才能满足逆变工作条件。
只有当E d >U d 时,变流电路直流侧的电源电势E d 才能提供逆变能量,进而实现有源逆变。
E d 与U d 间的差值由主电路所限制的电流的大小决定,即通过控制角α(逆变控制角β)的大小来确定。
E d =U d 时,变流电路将处于等待状态,E d <U d 时,处于待逆变工作状态。
4-6.在图4-2中,设交流电源变压器二次电压U 2=280V ,变流电路为单相全控桥式电路,R =0.2Ω,L =∞。
试求当电动机起重重物时,负载电流I d =200A 且反电势E d =180V 时,变流电路的控制角α应为何值?变流电路处于什么工作状态?
解: R
E U I d d d -= 则 U d =I d R +E d =200×0.2+180=220(V )
ο
29873.0280
9.02209.0cos cos 9.022≈≈⨯===ααα
U U U U d d 由于α< 90°,U d >E d ,所以,变流电路处于整流工作状态。
4-7.在题4-6所给电路条件下,设电动机降落重物时起制动作用的负载电流I d =200A ,与电动机转速对应的反电势E d 为-180V ,试求此时的变流器控制角应为何值?并分析其能量传输关系。
解: R
E U I d d d -= 则 U d =I d R +E d =200×0.2-180=-140V
ο
1245556.0280
9.01409.0cos cos 9.022≈-≈⨯-===ααα
U U U U d d
由于2π
α〉,d d E U 〈,则变流电路处于有源逆变工作状态,电动机处于发电运行,
输出的直流电能通过变流器转变为交流电能反送给电网。
4-8.试绘出单相和三相全控桥式逆变电路当β=45°时的输出电压波形、晶闸管的电流波形、以及晶闸管V11的端电压波形,并分析晶闸管承受电压的情况(设L =∞)。
解:单相全控桥式的输出电压波形、晶闸管的电流波形、以及晶闸管V11的端电压波形参阅教材P66中的图4-2(c)。
由于L =∞,晶闸管的电流波形可画成180°的矩形波。
晶闸管的导通角为θ=180°,此期间两端电压近似为零,关断后的β角对应期间承受反向电压,之后的α角对应期间承受正向电压。
三相全控桥式逆变电路的输出电压波形、晶闸管的电流波形、以及晶闸管V11的端电压波形参阅教材P74中的图4-5的中间β=45°的一段。
由于L =∞,晶闸管的电流波形可在该导通期间画成120°的矩形波。
晶闸管的导通角为θ=120°,此期间两端电压近似为零,关断后本相晶闸管按相序分别承受与相邻二相的线电压各120°。
例如,A 相共阴极组晶闸管V11,导通的120°期间,两端电压近似为零,关断后首先承受线电压u AB 120°,转而承受线电压u AC 120°。
其中关断后的β角对应期间承受线电压u AB 首先是反向电压。
逆变电路中,晶闸管在关断后的β角对应期间承受的是反向电压,其余绝大部分时间均承受正向电压。
4-9.在图4-5的三相桥式电路中,设交流电源线电压有效值U 2l =200V,L=∞,R =1.5Ω。
如要求电动机在制动过程中保持制动电流I d =10A 恒定不变,试问:当电动机反电势E d =-200V 时,逆变角β应为何值?当E d 降至于-100V 、-50V 、0V 时逆变角分别应为何值? 解: R
E U I d d d -=
当E d =-200V 时,
则 U d =I d R +E d =10×1.5-200=-185V ο
476852.020035.118535.1cos cos 35.1cos 34.2cos 34.22222≈≈⨯=-=-=-=≈βββ
βαL d L d U U U U U U
当E d =-100V 时,
则U d=I d R+E d=10×1.5-100=-85V
ο72
3148
.0
200
35
.1
85
35
.1
cos
cos
35
.1
cos
34
.2
cos
34
.2
2
2
2
2
≈
≈
⨯
=
-
=
-
=
-
=
≈
β
β
β
β
α
L
d
L
d
U
U
U
U
U
U
当E d=-50V时,
则U d=I d R+E d=10×1.5-50=-35V
ο83
1296
.0
200
35
.1
35
35
.1
cos
cos
35
.1
cos
34
.2
cos
34
.2
2
2
2
2
≈
≈
⨯
=
-
=
-
=
-
=
≈
β
β
β
β
α
L
d
L
d
U
U
U
U
U
U
当E d逐渐下降至0V时,电路电流I d亦将下降为0A,因而U d=0V,则β=90°,此时电流电路输出电压的正负面积相等。
4-10.试列举三种产生逆变失败的情况,并说出应注意哪些安全保护措施。
解:1.产生逆变失败的情况主要有以下几个方面:
(1)触发电路工作不可靠
触发电路不能及时、准确地为各晶闸管提供脉冲,如丢失脉冲或脉冲延迟等,均能导致换相失常或换相失败,参阅教材P72中的图4-4(b)和(c)。
脉冲延迟即使不出现图4-4 (c)的严重情况,也将使逆变角β过小,导致换相时间不足,产生逆变失败。
所谓换相时间,即是需被关断的晶闸管承受反压的时间,即逆变角β区间所对应的时间,如果这个时间短了,晶闸管承受的反压时间不够,不能恢复正向阻断能力而造成逆变失败。
(2)晶闸管出现故障
晶闸管性能不合格,或设计电路时参数选择不当,以致出现晶闸管该阻断时不能阻断,该导通不能导通,均将导致逆变失败。
(3)交流电源失常
在有源逆变工作状态下,交流电源的突然停电或缺相,由于直流电势E d的存在,原来导通的晶闸管仍会导通,但此时变流电路交流侧已失去了同直流电势极性相反的交流电压,直流电势将通过晶闸管短路,或原来导通的晶闸管使u d进入导通相的正半周(缺相时)极性变正,造成逆变失败。
2.逆变失败将造成严重的后果,应采取的安全保护措施如下:
(1)正确选择晶闸管参数和缓冲保护电路
(2)正确设计稳定可靠的触发电路
例如具有不丢脉冲,最小逆变角βmin 限制、抗干扰能力强等性能。
(3)设置完善的系统保护装置
例如能对系统过流、过压、交流电源缺相、欠压、断电等故障及时检测,并采取相应的保护操作。
4-11.换流重叠角的产生给逆变电路带来哪些不利影响?
解:由于变压器漏感和线路电感等因素的影响,晶闸管的换流(换相)不能瞬时完成,均需一定的时间即换相重叠角γ所对应的时间。
如果逆变角β<γ,将使换相不能完成,造成逆变失败。
4-12.单相全控桥反电动势阻感负载,R =1Ω,L=∞,U 2=100V ,当E d =-99V ,β=60°时,求U d 、I d 的数值。
解: 4560cos 1009.0cos 9.0cos 9.022-=⨯⨯-=-=≈οβαU U U d (V)
5419945=+-=-=
R E U I d d d (A) 4-13.三相半波变流电路,反电动势阻感负载,R =1Ω,L=∞,U 2=100V ,当E d =-150V ,β=30°时,求U d 、I d 的数值。
解:
10130cos 10017.1cos 17.1cos 17.122-≈⨯⨯-=-=≈οβαU U U d (V)
491
150101=+-=-=
R E U I d d d (A)
4-14.三相全控桥式变流电路,反电动势阻感负载,R =1Ω,L=∞,U 2=220V ,当E d =-400V ,β=60°时,求U d 、I d 的数值。
此时送回电网的平均功率为多少?
解: 4.25760cos 22034.2cos 347.2cos 34.222-=⨯⨯-=-=≈οβαU U U d (V) 6.1421
4004.257=+-=-=R E U I d d d (A) 由于L=∞,输出电流有效值(忽略谐波)
I =I d
网恻有功功率为
d d d d E I R I P +=2=()24.367054006.14216.1422
-=-⨯+⨯(W)≈-36.7(KW)
送回电网的平均功率为36.7(KW)
4-15.三相桥式变流电路,已知U 2L =230V ,反电势阻感负载,主回路R =0.8Ω,L =∞,假定电流连续且平滑,当E d =-290V ,β=30°时,计算输出电流平均值、输出电流有效值(忽略谐波)、晶闸管的电流平均值和有效值。
解:
)
(26930cos 23035.1cos 35.1cos 34.2cos 34.2222V U U U U L d -≈⨯⨯-=-=-=≈οβ
βα 输出电流平均值 268.0290269≈+-=-=
R E U I d d d (A) 输出电流有效值
26122
≈≈+=∑∞
=d n N d
I I I I (A) 晶闸管的电流平均值为
67.82631311≈⨯==
d AR V I I (A) 晶闸管电流有效值为
153
11≈=
d V I I (A)
4-16.试叙述反并联(双重)变流电路的四象限运行条件。
解:反并联(双重)变流电路参阅教材P69中的图4-3(a )。
其四象限运行条件如下: 第一象限,电动机正转作电动运行,变流器1工作在整流状态,α1<π/2,E d <U d1。
此时U d1、E d 的极性均为上正下负,电网经变流器1供出电能,电动机吸收电能。
第二象限,电动机正转作发电运行,变流器2工作在逆变状态,α2>π/2,E d >U d2。
此时U d2、E d 的极性均为上正下负,电动机供出电能,经变流器2回馈给电网。
第三象限,电动机反转作电动运行,变流器2工作在整流状态,α2<π/2,E d<U d2。
此时,U d2、E d的极性均为上负下正,电网经变流器2供出电能,电动机吸收电能,电动机两端电压和电流方向均与第一象限运行时相反。
第四象限,电动机反转作发电运行,变流器1工作在逆变状态α1>π/2,E d>U d1,此时,U d1、E d的极性均为上负下正,电动机供出电能,经变流器1回馈给电网。
流过电动机的电流与第二象限工作时相反。
可见,由反并联(双重)变流电路控制的可逆系统中,电动机从电动运行转变为发电制动运行,由于电动机的旋转方向不变,故电动机电势E d的方向不变,相应工作于整流和逆变状态的变流器不能在同一组全控桥内实现。
具体地说,由一组桥整流,电网供出能量使电动机作电动运转,逆变必须通过反并联的另一组桥来实现,将电动机作发电制动运行产生的直流电能回馈给电网。
4-17.试指出晶闸管相控变流器的主要特征。
解:几种典型晶闸管相控变流器的主要特征如下:
接续流二极管的单相半波可控变流电路——脉动频率为f S;可工作于第一象限
接续流二极管的单相半控桥式变流电路——脉动频率为2f S;可工作于第一象限
单相全控桥式变流电路——脉动频率为2f S;可工作于第一象限和第四象限
单相反并联(双重)全控桥式变流电路——脉动频率为2f S;可工作于第一、二、三、四象限
三相半波可控变流电路脉动频率为3f S;可和第四象限
接续流二极管的三相半控桥式变流电路——脉动频率为3f S;可工作于第一象限
三相全控桥式变流电路脉动频率为6f S;可工作于第一象限和第四象限
三相反并联(双重)全控桥式变流电路——脉动频率为6f S;可工作于第一、二、三、四象限
其中,f S为交流电源频率。
可见,接续流二极管的变流电路只能工作于第一象限。
4-18.试根据高压直流输电的功率流向,指出中间直流环节两侧变流器的工作状态。
解:高压直流输电系统原理结构参阅教材P79中的图4-6(a)。
变流器Ⅰ和变流器Ⅱ均可根据功率的流向工作在整流状态或逆变状态。
若使功率从左向右传输,则调整控制角α,使变流器Ⅰ工作于整流状态,变流器Ⅱ工作于有源逆变状态,U d1和U d2的极性均为上正下负,且满足U d1>U d2。
若使功率从右向左传输,则变流器Ⅱ整流,变流器Ⅰ逆变,U d1和U d2的极性均为上负下正,且满足U d1<U d2。