有源逆变技术的工程应用课程设计.docx

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有源逆变技术的工程应用课程设计

2012~2013学年第2学期

《电力电子技术》

课程设计报告

题目：

有源逆变技术的工程应用

专业：

电气工程及其自动化

班级：

10电气工程及其自动化1班

姓名：

靳垒垒、汤聪、戚传东、

张正义、杨磊、李鹏

指导教师：

焦俊生

电气工程系

2013年4月5日

1、任务书

课题名称

有源逆变技术的工程应用

指导教师（职称）

焦俊生

执行时间

2012~2013学年第2学期第6周

学生姓名

学号

承担任务

李鹏

1009141045

有源逆变技术在电机实验中的应用及参数计算

靳垒垒

1009141039

三相有源逆变电路分析

戚传东

1009141069

查阅资料分析逆变失败的原因

汤聪

1009141081

单相桥式全控整流及有源逆变的原理

杨磊

1009141113

实验电路原理及结果图的分析整理

张正义

1009141127

单相有源逆变电路分析

设计目的

1、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力

2、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力

3、提高学生运用仿真工具的能力和方法

4、提高学生课程设计报告的撰写水平

设计要求

1、有源逆变技术的应用

2、三相有源逆变电路的设计

3、单相桥式全控整流及有源逆变分析

摘要…………………………………………………4

一、单相有源逆变电路…………………………………5

二、三相有源逆变电路…………………………………6

三、逆变失败的原因……………………………………8

四、有源逆变技术在电机实验中的应用…………………11

五、单相桥式全控整流及有源逆变的原理………………15

六、参数计算……………………………………………15

七、实验电路原理及结果图………………………………..16

八、心得与总结………………………………………..…19

九、参考文献············································19

有源逆变技术的工程应用

1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。

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（0/2）

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＝0.9U2cos，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3-1

2.变流器工作与逆变状态（/2）

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/2的范围内工作，使变流器输出的平均电压Ud的极性与整流状态时相反，大小应和直流电势配合，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。

当在0～/2范围内变动时，平均值Ud总为正值，且Ud应略大于E。

此时电流id从Ud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（/2），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。

当在/2～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2/3，故不论控制角为何值，直流侧输出电压的平均值和的关系都为

   为分析和计算方便起见，电路进入逆变状态时，通常用逆变角表示。

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

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0/2，电路工作于整流状态；＝/2时，Ud＝0；在/2时，电路工作于有源逆变状态。

图3－5（b～d）表示＝5/6时的典型工作情况下电路中各点的波形。

图3－5

2.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t1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t2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3-7

2.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t1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t1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3-8

3.换相的裕1.变流器工作于整流状态（0/2）

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（/2）

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。

图3-9

4.交流电源发生异常现象

   在逆变运行时，可能出现交流电源突然断电，缺相或电压过低等现象。

如果在逆变工作时，交流电源发生缺相或突然消失，由于直流电势E的存在，晶闸管仍可触发导通，此时变流器的交流侧由于失去了同直流电势极性相反的交流电压，因此直流电势将经过晶闸管电路而被短路。

最小逆变角的确定

   由上可见，为了保证逆变电路的正常工作，必须选用可靠的触发器，正确选择晶闸管的参数，并且采取必要的措施，减少电路中du/dt和di/dt的影响，以免发生误导通。

为了防止意外事故，与整流电路一样，电路中一般应装有快速熔断器或快速开关，以资保护。

另外，为了防止发生逆变颠覆，逆变角不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。

   逆变时允许采用的最小逆变角应为

＝＋＋'

式中

---晶闸管的关断时间tq折合的电角度，称恢复阻断角，＝tq；

---换相重叠角；

'---安全裕量角。

四、有源逆变技术在电机实验中的应用

2目前有关电机实验的现状

在自动化、电气工程及其自动化、机电一体化等专业中,几乎都开设《电机与电力拖动基础》、《电力电子技术》和《电力拖动自动控制系统》等课程,目前这些课程中开设的实验均涉及到有关直流电机、交流电机的实验,其电动机负载大多是直流发电机,直流发电机发出的电压,供给一个大滑动变阻箱（如0/93W,电流为5/20.5A的调节变阻器;如0/11W,电流为10/30.5A的调节变阻器;0/250W,10/18A的调节电阻器）[1-3],通过调节电阻值的大小完成有关实验内容。

图1V-M直流开环调速系统

下面以V-M系统[4]为例,说明整个系统的组成及负载等情况。

如图1所示,图1中,控制电压Uc用来移动触发脉冲的相位,GT为触发装置,VT为三相桥式相控整流电路,M是直流电动机,F是直流发机,M和F同轴,R为调节变阻箱,F和R的作用是电动机的模拟负载。

对于一般的机组,直流电动机的功率为2.2kW左右,当电机工作在额定状态下,2.2kW的能量均以热能的形式白白消耗掉。

如果一天按8小时运行计算,一台机组一天白白消耗17.6kW·h,一般的实验室在开设实验时,一次开设8组左右,这样一天白白消耗将近140kW·h。

3改进后的实验状况

将有源逆变技术应用到此类实验中,来模拟电动机负载,那么效率便可大大提高。

改进后的实验原理图如

图2所示。

图2改进后的实验原理图

图2中,T为逆变变压器,L2为平波电抗器,与图1相比较,图2是将发电机的负载改进成单相桥式整流电路。

根据电力电子技术的有关知识[5],如果满足以下条件:

①存在一个直流电动势源,其极性和晶闸管的导通方向一致,而且直流电动势的值稍大于变流器直流侧的平均电压;②晶闸管的控制角a大于90度,即变流器直流侧的平均电压为负值;那么,在保证发电机的端电压极性正确的前提下,就可将直流电逆变成交流电回馈给电网,实现有源逆变,从而将发电机的电能回馈到电网中去,而不是以热能的形式白白耗掉。

当然,电路拓扑要满足一定的条件,而单相桥式全控整流电路满足有源逆变的电路拓扑要求。

图3变流器直流侧的电压波形

下面简述回馈到电网中的能量:

对于大电感负载,有Ud=Ud0cosa=0.9U2cosa,当控制角为a时,其ud,u2的波形如图3所示。

由UdId=IdR+EGIdS2,其中RS为发电机电枢内阻和平波电抗器电阻之和,EG为发电机电枢的电动势,EG=Cefn。

因UdEG<,且2pa>时,Ud<0,即回馈到电网中能量为EGId-IdRS=UdId2。

当满足下面条件:

Cefn>0.9U2cosa=0.9U2cos（p-b）=0.9U2cosb,则回馈到电网中能量为:

UId0.9cosb2。

在改变负载时,通过调节b角的大小,即可模拟改变直流电机的负载大小。

当b减小时负载增大,电机转速下降。

当b增大时负载减小,电机的转速上升。

4实验结果将这种有源逆变技术应用于V-M直流调速系统中模拟电动机负载,调试顺利通过,并能可靠正常运行。

实验参数为:

直流电动机为2.2kW,220V,12.5A,1500r/min;直流发电机为2kW,230V,8.7A,1450r/min;逆变变压器T的变比为2∶1;电抗器L2为100mH。

2u,2i选关联参考方向,当b=300时,2u,2i的波形图如图4所示。

相桥式晶闸管有源逆变电路设计

1.1整流技术的发展概况

正电路广泛应用于工业中。

整流与逆变一直都是电力电子技术的热点之一。

桥式整流是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路。

常用来将交流电转化为直流电。

从整流状态变到有源逆变状态，对于特定的实验电路需要恰到好处的时机和条件。

基本原理和方法已成熟十几年了，随着我国交直流变换器市场迅猛发展，与之相应的核型技术应用于发展比较将成为业内企业关注的焦点。

目前，整流设备的发展具有下列特点：

传统的相控整流设备已经被先进的高频开关整流设备所取代。

系统的设计已经由固定式演化成模块化，以适应各种等级、各种模块通信设备的要求。

加上阀控式密封铅酸蓄电池的广泛应用，为分散供电创造了条件。

从而大大提高了通信网运行可靠和通信质量。

高频开关整流器采用模块化设计、N1配置和热插拨技术，方便了系统的扩展，有利于设备的维护。

由于整流设备和配电设备等配备了微机监控器，使系统设备具有了智能化管理功能和故障保护及自保护功能。

新旗舰、新技术、新材料的应用，使高频开关整流器跃上了一个新台阶。

1.2系统仿真概述

1、基本概念

所谓系统仿真（systemsimulation），就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。

2、系统仿真的实质

（1）它是一种对系统问题求数值解的计算技术。

尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。

（2）仿真是一种人为的试验手段。

它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。

这是仿真的主要功能。

3、系统仿真的作用

（1）仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。

尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。

（2）对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。

（3）通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。

（4）通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。

4、系统仿真的方法

系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。

由于连续系统和离散（事件）系统的数学模型有很大差别，所以系统仿真方法基本上分为两大类，即连续系统仿真方法和离散系统仿真方法。

在以上两类基本方法的基础上，还有一些用于系统（特别是社会经济和管理系统）仿真的特殊而有效的方法，如系统动力学方法、蒙特卡洛法等。

系统动力学方法通过建立系统动力学模型（流图等）、利用DYNAMO仿真语言在计算机上实现对真实系统的仿真实验，从而研究系统结构、功能和行为之间的动态关系。

五、单相桥式全控整流及有源逆变的原理

2.1整流电路的概述

整流电路（rectifyingcircuit）把交流电能转换为直流电能的电路。

大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。

它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。

整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。

20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。

滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。

变压器设置与否视具体情况而定。

变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。

2.2有源逆变的概述

逆变与整流相对应，直流电变成交流电。

交流测接电网，为有源逆变。

交流侧接负载，为无源逆变。

有源逆变的条件：

负载侧存在一个直流电源E，由他提供能量，其电势极性与变流器的整流电压相反，对晶闸管为正向偏置电压；变流器在起直流侧输出应有一个与原整流电压相反的逆变电压U，其平均值U

逆变电路的分类，根据直流侧的电源的性质不同，直流侧是电流源，电流型逆变电路，又称为电流型逆变电路；电压型逆变电路，输出电压是矩形波，电流型逆变电路输出电流是矩形波。

电压型逆变电路的特点：

输出电流波形随负载而变；只有单方向传递功率的功能；故障电流较难抑制。

2.3逆变失败原因及消除方法

有源逆变失败（逆变颠覆）是指逆变时，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。

防止逆变失败的方法：

采用精确可靠的触发电路，使用性能比较好的的晶闸管，保证交流电源的质量，流出足够的的换向裕量角

等。

六、参数计算

由题意得U2=50Vβ=35。

P=200WE=-70V

Ud=0.9U2cos（π-β）=0.9×50×cos145。

=-36.86V·······①

Id=（Ud-E）/R··········································②

P=|EId|-Id2R············································③

联立①、②、③得

R=6.199ΩId=5.35A

晶闸管原件的额定电压为

U2=70.71V,取2～3倍的安全储备电压，并考虑晶闸管额定电压系取200V.

晶闸管元件额定电压IT：

由查表得Kf=IVT/Id=2/

，

IT=KfId/1.57=2.41A

取2倍电流安全储备并考虑晶闸管原件额定电流系列取5A.

七、实验电路原理及结果图

实验原理图

单相桥式有源逆变原理图说明：

负载侧存在一个直流电源E=70V，由他提供能量，其电势极性与单相桥式的整流电压相反，对晶闸管为正向偏置电压；在前半个周期延迟角为135度时，D1,D3导通，后半个周期D2,D4导通，如此循环，单相桥式在直流侧输出有一个与原整流电压相反的逆变电压Ud=36.86V，其平均值Ud

晶闸管1和3门极触发电源参数

晶闸管2和4门极触发电源参数