理论教学>>第五章 直流-...

将直流电变换成交流电,即DC-AC变换称为逆变,是将交流电变换成直流电(AC-DC变换)的逆过程。根据逆变后交流电能使用方式,逆变又区分两类:将直流电逆变成电网频率的恒频交流并输送给电网的称有源逆变,可控整流器在满足逆变条件下即可运行在有源逆变状态,这已在第三章中讨论过。将直流电逆变成频率可变的交流电并直接供给用电负载,称为无源逆变。

可以看出,只有无源逆变能实现变频,但无源逆变不等于变频。变频是指将一种频率的交流电变换成另一种频率的交流电的过程,也有两种变换形式,即将一种频率的交流经整流变换成直流,再经无源逆变变换成可变频率交流的交—直—交变换,以及将一种频率的交流直接变换成另一种可变频率交流的交—交变换。可见逆变与变频在概念上既有连系,又有区别。本章讨论的DC—AC变换就是无源逆变,即交—直—交变频的后半部分,交—交直接变频(AC—AC变换)将在第六章中讨论。

5.1 逆变电路概述

5.1.1 晶闸管逆变电路的换流问题

图5-1 DC—AC变换原理

DC—AC变换原理可用图5-1所示单相逆变电路来说明,其中晶闸管元件VT1、VT4,VT2、VT3成对导通。当VT1、VT4导通时,直流电源E通过VT1、VT4向负载送出电流,形成输出电压左(+)、右(-),如图5-1(a)所示。当VT2、VT3导通时,设法将VT1、VT4关断,实现负载电流从VT1、VT4向VT2、VT3的转移,即换流。换流完成后,由VT2、VT3向负载输出电流,形成左(-)、右(+)的输出电压,如图5-1(b)所示。这两对晶闸管轮流切换导通,则负载上便可得到交流电压,如图5-1(c)波形所示。控制两对晶闸管的切换导通频率就可调节输出交流频率,改变直流电压E的大小就可调节输出电压幅值。输出电流的波形、相位则决定于交流负载的性质。

要使逆变电路稳定工作,必须解决导通晶闸管的关断问题,即换流问题。晶闸管为半控器件,在承受正向电压条件下只要门极施加正向触发脉冲即可导通。但导通后门极失去控制作用,只有使阳极电流衰减至维持电流以下才能关断。为此,关断导通晶闸管有二种方法:一是在晶闸管阳极电路中串高值电阻,使该管阳极电流降至维持电流以下而关断,但此法技术上无法实现,不实用。二是使晶闸管承受阳极反压并维持一定时间,且应大于晶闸管的关断时间。在DC—AC变换中逆变器晶闸管工作在恒定不变的阳极电压下,要使晶闸管关断必须要解决反向阳极电压施加的技术问题,即换流方式。

常用的晶闸管换流方法有:

(1)电网换流

该方法利用电网交流电压自动过零变负的特点,使晶闸管承受反向阳极电压而关断。其方法简单,无需附加换流电路,称为自然换流,常用于可控整流、有源逆变电路,交流调压和相控交—交变频电路,但不适用于没有电压极性变化的DC—AC逆变电路。

(2)负载谐振式换流

此方法利用负载回路中电感、电容形成的振荡特性,使电流自动过零。只要负载电流超前于电压的时间大于晶闸管的关断时间,即能保证导通晶闸管可靠关断,触发导通另一晶闸管,完成电流转移。

与电网换流相同,主电路无需附加换流电路,只要求负载电流呈容性,也属自然换流。负载谐振式换流电路分并联谐振和串联谐振两大类,具体换流过程将在负载谐振式逆变器中介绍。此外晶闸管逆变器供电同步电机(无换向器电机)当电机过激励时,电机电流呈容性,即可采用负载自然换流。由于参与谐振的负载电路电容、电感都要通过负载电流,所需容量大,不经济,故只适合于负载及频率变化不大的逆变器,如冶炼用中频电源。

(3)强迫换流

电网换流和负载谐振式换流不能使变流器在任意时刻进行换流,具有很大局限性。此时可在电路中附加换流环节,并使换流环节中的储能元件(如电容)在换流前先储存一定电能,在需要换流的时刻通过释能产生一个暂短脉冲电流,使导通晶闸管中电流下降至零,并以此施加一个持续时间大于晶闸管关断时间的反向阳极电压,确保晶闸管可靠关断。这种利用电容储能实现晶闸管强迫关断的换流方式称(电容)强迫换流。

强迫换流实现上又可分为直接耦合式强迫换流和电感耦合式强迫换流。直接耦合式强迫换流是由换流电容直接提供极性正确的反向电压使晶闸管关断,可用图5-2电路来说明换流过程。

图5-2 直接耦合式强迫换流过程

当主晶闸管触发导通后,电容C被充至,极性左(-)、右(+),如图(a)所示。换流时,触发导通辅助晶闸管VT2,此时VT1、VT2都导通,两管进行换流,如图(b)所示。在VT1-C-VT2回路中,由于VT2导通使电容电压反极性地直接加在VT1上,使承受反向阳极电压而关断。VT1关断后,电源通过负载电阻R和导通的VT2对电容反向充电,如图(c)所示。电容上电压由-E上升过零直至E,如图(d)所示,其中的时间即为VT1承受反压时间。如重新触发导通VT1,则电容电压反极性地施加在VT2上使之关断,再次进入VT1稳定导通的下一个周期。

电感耦合式强迫换流原理性示意图如图5-3所示,图(a)、(b)中换流电容上电压极性不同,导致产生出两种不同的换流过程。图(a)中正极性正好施加在欲关断的晶闸管VT阴极上,当接通开关K(通常是一辅助晶闸管)后,LC振荡电流将反向流过VT,促使其电流减小,在LC振荡的第一个半周期内就可使VT中阳极电流减小至零而关断,残余电流经VD继续流动,VD管压降构成了对VT的反向阳压。图(b)中负极性施加在VT的阴极,当接通开关K后,LC振荡电流先正向流经VT使其电流加大,但经半个振荡周期后,振荡电流反向流过VT,使VT中合成正向电流衰减至零而关断,残余电流经VD继续流动,VD上管压降构成对VT的反向阳压,确保其可靠关断。

图5-3 电感耦合式强迫换流原理

5.1.2 逆变电路的类型

逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件,它们与外电路间必然有能量的交换,这就是无功。由于逆变器的直流输入与交流输出间有无功功率的流动,所以必须在直流输入端设置储能元件来缓冲无功的需求。在交—直—交变频电路中,直流环节的储能元件往往被当作滤波元件来看待,但它更有向交流负载提供无功功率的重要作用。

根据直流输入储能元件类型的不同,逆变电路可分为两种类型:


图5-4 电压源型逆变器图 5-5 无功二极管的作用

1.电压源型逆变器

电压源型逆变器是采用电容作储能元件,图5-4为一单相桥式电压源型逆变器原理图。电压源型逆变器有如下特点:

1)直流输入侧并联大电容C用作无功功率缓冲环节(滤波环节),构成逆变器低阻抗的电源内阻特性(电压源特性),即输出电压确定,其波形接近矩形,电流波形与负载有关,接近正弦。

2)由于直流侧电压极性不允许改变,无功从交流向直流回馈时只能改变电流方向来实现,为此在各功率开关元件旁反并联续流二极管,为感性负载电流提供反馈能量至直流的无功通路。图5-5绘出了一个周期内负载电压、负载电流的理想波形,按极性分区内导通的元件及功率的流向(P>0,功率从直流流向交流;P<0,从交流流向直流),用以说明VD对无功传递的重要作用。

2.电流源型逆变器

电流源型逆变器采用电感作储能元件,图5-6为一单相桥式电流源型逆变器原理图,图中未绘出晶闸管换流电路。电流源型逆变器有如下特点:

文本框:    图5-6  电流源型逆变器

1)直流回路串以大电感Ld作无功元件(滤波元件)储存无功功率,也就构成了逆变器高阻抗的电源内阻特性(电流源特性),即输出电流确定,波形接近矩形;电压波形与负载有关,在正弦波基础上迭加换流电压尖峰。

2)由于直流环节电流Id不能反向,只有改变逆变器两端直流电压极性来改变能量流动方向、反馈无功功率,无需设置反馈二极管。这个过程可用图5-7所示三相电流源型交—直—交变频调速系统运行状态的变化来说明。

当电机运行在电动状态时,需要能量从交流电网送至电动机,从逆变器(桥Ⅱ)的角度看,即要求功率从直流侧送至交流侧,此时应控制桥Ⅰ工作在整流状态、桥Ⅱ工作在逆变状态。在设定的Id电流方向下,两桥直流电压均上(+)、下(-),确保了功率P>0的流向,如图(a)所示。

图5-7 电流源型逆变器功率流向控制

当电机运行在回馈制动时,电动机运行在发电状态,须使能量从电动机反馈送至电网。从原逆变器(桥Ⅱ)角度看,要求功率从其交流侧反馈至直流侧,此时应控制桥Ⅱ工作在整流状态、桥Ⅰ工作在逆变状态下,两桥直流电压极性改变为上(-)、下(+),在设定的Id电流方向下,确保了功率P<0的流向,如图(b)所示。由此可见,电流源型逆变器只要改变两桥移相触发角的范围内,实现直流电压极性的改变即可实现功率的双向流动。

3.两类逆变器的比较

1)电压源型逆变器采用大电容作储能(滤波)元件,逆变器呈现低内阻特性,直流电压大小和极性不能改变,能将负载电压箝在电源电压水平上,浪涌过电压低,适合于稳频稳压电源,不可逆电力拖动系统、多台电机协同调速和快速性要求不高的应用场合。

电流源型逆变器电流方向不变,可通过逆变器和整流器的工作状态变化,实现能量流向改变,实现电力拖动系统的电动、制动运行,故可应用于频繁加、减速,正、反转的单机拖动系统。

2)电流源型逆变器因用大电感储能(滤波),主电路抗电流冲击能力强,能有效抑制电流突变、延缓故障电流上升速率,过电流保护容易。电压源型逆变器输出电压稳定,一旦出现短路电流上升极快,难以获得保护处理所需时间,过电流保护困难。

3)采用晶闸管元件的电流源型逆变器依靠电容与负载电感的谐振来实现换流,负载构成换流回路的一部分,不接入负载系统不能运行。

4)电压源型逆变器必须设置反馈(无功)二极管来给负载提供感性无功电流通路,主电路结构较电流源逆变器复杂。电流源型逆变器无功功率由滤波电感储存,无需二极管续流,主电路结构简单。

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