新能源汽车电力电子技术(互联网+新形态立体化教学资源精品教材高等职业教育汽车制造类专业系列教材)

1．理解有源逆变的概念及实现有源逆变的条件。 2．掌握单相有源逆变电流的工作原理。 3．了解有源逆变失败的原因和*小逆变角的限制。 4．会检测单相全控桥式整流电路。 5．会正确使用维修工具、仪器、仪表，具备一定的技术数据分析能力。 6．会按照实训操作流程，制定检测计划、流程并实施。 7．从单相全控桥式整流电路检测，培养学生知识迁移、自学能力和可持续发展的能力。 二、相关知识 生产中使用的各类直流电机控制，经常对直流电机有快速制动及可逆运行的要求，这就要求尽量快速地释放直流电机因旋转而具有的动能，项目一中提到的514C单相可逆直流调速器。它是采用单相的可逆系统进行控制的，其核心就是晶闸管的可控整流和有源逆变电路的应用，对于可控整流，在前面的项目里已介绍了常用的各类可控整流电路。下面我们来介绍单相有源逆变电路。 1．概述 在工业生产中不但需要将固定频率、固定的交流电转变为可调电压的直流电，即可控整流，而且还需要将直流电转变为交流电，这一过程称为逆变。 整流与有源逆变的根本区别就表现在两者能量传送方向的不同。一个相控整流电路，只要满足一定条件，也可工作于有源逆变状态。这种装置称为变流装置或变流器。 逆变与整流互为可逆过程，能够实现可控整流的晶闸管装置称为可控整流器；能够实现逆变的晶闸管装置称为逆变器。如果同一晶闸管装置既可以实现可控整流，又可以实现逆变，这种装置则称为变流器。 逆变电路可分为有源逆变和无源逆变两类。 直流电→逆变器→交流电→交流电网，这种将直流电变成和电网同频率的交流电并将能量回馈给电网的过程称为有源逆变。 主要应用有：直流电动机的可逆调速、绕线转子异步电动机的串级调速、高压直流输电等。 直流电→逆变器→交流电→用电器，这种将直流电变成某一频率或频率可调的交流电并供给用电器使用的过程称为无源逆变。 主要应用有：交流电动机变频调速、不间断电源UPS、开关电源、中频加热炉等。 2．有源逆变的工作原理 （1）两电源间的能量传递 如图2-14所示，我们来分析一下两个电源间的功率传递问题。 a) 电源逆串 b) 电源逆串，极性与图a)相反 c) 电源顺串 图2-14 两个直流电源间的功率传递 图2-14a为两个电源同极性连接，称为电源逆串。当E1＞E2时，电流I从E1正极流出，流入E2正极，为顺时针方向，其大小为 在这种连接情况下，电源E1输出功率P1＝E1I，电源E2则吸收功率P2＝E2I，电阻R上消耗的功率为PR＝P1－P2＝R I2，PR为两电源功率之差。 图2-14b也是两电源同极性相连，，但两电源的极性与a图正好相反。当E2＞E1时，电流仍为顺时针方向，但是从E2正极流出，流入E1正极，其大小为 在这种连接情况下，电源E2输出功率，而E1吸收功率，电阻R仍然消耗两电源功率之差，即这RR＝P2－P1。 图2-14c为两电源反极性连接，称为电源顺串。此时电流仍为顺时针方向，大小为 此时电源E1与E2均输出功率，电阻上消耗的功率为两电源功率之和：RR＝P1＋P2。若回路电阻很小，则I很大，这种情况相当于两个电源间短路。 通过上述分析，我们知道： 1）无论电源是顺串还是逆串，只要电流从电源正极端流出，则该电源就输出功率；反之，若电流从电源正极端流入，则该电源就吸收功率。 2）两个电源逆串连接时，回路电流从电动势高的电源正极流向电动势低的电源正极。如果回路电阻很小，即使两电源电动势之差不大，也可产生足够大的回路电流，使两电源间交换很大的功率。 3）两个电源顺串时，相当于两电源电动势相加后再通过R短路，若回路电阻R很小，则回路电流会非常大，这种情况在实际应用中应当避免。 （2）有源逆变的条件 在上述两电源回路中，若用晶闸管变流装置的输出电压代替E1，用直流电机的反电动势代替E2，就成了晶闸管变流装置与直流电机负载之间进行能量交换的问题，如图2-15所示。 在整流状态下，装置直流侧极性是上正下负；直流电机工作在电动运行状态，其电枢电势E?极性也是上正下负，且∣Ud∣＞∣E∣。 图2-15 整流状态下变流器与负载之间的能量传递关系 系统回路产生顺时针方向电流Id，Id电流从晶闸管装置正极性端流出，装置提供能量输出，处于整流状态；Id电流从直流电机正极性端流进，直流电机吸收能量，处于电动状态，如图2-15所示。Id电流的大小为 在逆变状态下，晶闸管装置工作在逆变状态，装置直流侧极性是上负下正；直流电机工作在发电运行状态，其电枢电势E的极性也是上负下正，且∣E∣＞∣Ud∣。 图2-16 逆变状态下变流器与负载之间的能量传递关系 系统回路产生顺时针方向电流Id，Id电流从晶闸管装置正极性端流进，装置吸收能量，处于逆变状态；Id电流从直流电机正极性端流出，直流电机提供能量输出，处于发电状态。Id电流的大小为 由此可以得出，实现有源逆变的两个条件： 1）直流侧必须外接与直流电流Id同方向的电动势，并且要求E在数值上大于Ud，这是实现有源逆变的外部条件。 2）变流器必须工作在的情况下，使变流器输出，这是实现有源逆变的内部条件。 以上两个条件，缺一不可。在各种整流电路中，晶闸管半控桥式整流电路或带有续流二极管的电路，由于不能输出负电压Ud，也不允许直流侧接上反极性的直流电源，故不能用于有源逆变，其余整流电路均可用于有源逆变。 （3）逆变失败与逆变角的限制 1）逆变失败的原因 晶闸管变流装置工作有逆变状态时，如果出现电压Ud与直流电动势E顺向串联，则直流电动势E通过晶闸管电路形成短路，由于逆变电路总电阻很小，必然形成很大的短路电流，造成事故，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。 图2-17 有源逆变失败 现以单相全控桥式逆变电路为例说明。在图2-17所示电路中，原本是VT2和VT3导通，输出电压；在换相时，应由VT3、VT4换相为VT1和VT2导通，输出电压为。但由于逆变角太小，小于换相重叠角，因此在换相时，两组晶闸管会同时导通。而在换相重叠完成后，已过了自然换相点，使得为正，而为负，VT1和VT4因承受反压不能导通，VT3和VT4则承受正压继续导通，输出。这样就出现了逆变失败。 造成逆变失败的原因主要有以下几种情况： ①触发电路故障。如触发脉冲丢失、脉冲延时等不能适时、准确的向晶闸管分配脉冲的情况，均会导致晶闸管不能正常换相。 ②晶闸管故障。如晶闸管失去正常导通或阻断能力，该导通时不能导通，该阻断时不能阻断，均会导致逆变失败。 ③逆变状态时交流电源突然缺相或消失。由于此时变流器的交流侧失去了与直流电动势E极性相反的电压，致使直流电动势经过晶闸管形成短路。 ④逆变角取值过小，造成换相失败。因为电路存在大感性负载，会使欲导通的晶闸管不能瞬间导通，欲关断的晶闸管也不能瞬间完全关断，因此就存在换相时两个管子同时导通的情况，这种在换相时两个晶闸管同时导通的所对应的电角度称为的换相重叠角。逆变角可能小换相重叠角，即＜，则到了点时刻，换流还未结束，此后使得该关断的晶闸管又承受正向电压而导通，尚未导通的晶闸管则在短暂的导通之后又受反压而关断，这相当于触发脉冲丢失，造成逆变失败。 2）逆变失败的限制 为了防止逆变失败，应当合理选择晶闸管的参数，对其触发电路的可靠性、元件的质量以及过电流保护性能等都有比整流电路更高的要求。逆变角的*小值也应严格限制，不可过小。 逆变时允许的*小逆变角应考虑几个因素：不得小于换向重叠角，考虑晶闸管本身关断时所对应的电角度，考虑一个安全裕量等，这样*小逆变角的取值一般为 ≥30°～35° 为防止小于，有时要在触发电路中设置保护电路，使减小时，不能进入＜的区域。此外还可在电路中加上安全脉冲产生装置，安全脉冲位置就设在处，一旦工作脉冲就移入处，安全脉冲保证在处触发晶闸管。 2．单相桥式有源逆变的工作原理与波形分析 常用的有源逆变电路，除了我们下面介绍的但像全控桥电路外还有三相半波和三相全控桥电路。三相电路我们在项目三种结合具体的电路进行分析 图2-18为两组单相全控桥式电路反并联构成的逆变实验原理。图中通过开关Q来进行负载与两个桥路之间的切换。 图2-18 两组单相全控桥式电路反并联构成的逆变实验原理图 当开关Q打到1位置时，I组全控桥电路工作于整流状态，晶闸管的控制角，整流电路输出电压UdI上正下负；电动机做电动运行，反电势E上正下负，电机吸收功率，方向如图2-19a所示，图2-19b所示为整流电路输出电压UdI波形。 a）电路图 b）输出电压UdI波形 图2-19 I组全控桥电路工作于整流状态 当开关Q打到2位置时，电动机由于机械惯性转速尚未发生变化，电动势E的方向不变；同时将II组全控桥电路的控制角调整为，而且使∣E∣＞∣UdII∣，则电动机运行在发电制动状态，向电源反馈能力，方向如图2-20a所示，图2-20b所示为整流电路输出电压UdII波形。 a）电路图 b）输出电压UdII波形 图2-20 II组全控桥电路工作于整流状态 注意：当开关Q打到2位置时，绝对不允许将II组全控桥电路的控制角调整为，否则会形成两电源顺极性串联，相当于短路。 单相全控桥式电路工作于逆变状态时输出电压的公式为 由于此时的控制角是大于900的，计算上不方便，在此引入逆变角β，令，以时为计量起点，向左方计量，即：时，，如图2-21所示。由此可以得 回路的逆变电流为 图2-21 β与α得关系 由以上分析可知：对于同一套变流装置，当（）时工作于整流状态；当（）时工作于逆变状态；当是，输出电压的平均值，电流Id为零，负载与电源之间无能量交换。 有源逆变是整流的逆变过程。不同的条件下，两种过程可以用同一套变流电路来实现，能量的传递方向相反。 可控整流电路和有源逆变是同一个电路、同一种工作方式的两个不同工作状态。变流电路不管工作在整流状态还是逆变状态，触发电路的移相触发方式、触发顺序、晶闸管的换流方式、晶闸管的导通角、不同晶闸管之间的相位差、构成输出电压以及晶闸管两端电压的波头数及波头名称、输出电压平均值及构成电路的各个器件的电流计算公式都相同，只是控制角的工作区间不同，随着控制角的变化，电路的各个参数的具体数值及波形的形状随之变化。习惯上，变流器工作在整流状态，用α表示晶闸管的控制角，在逆变状态时用β表示逆变角，这只是为使用方便而规定的，并非说明整流与有源逆变有什么性质上的区别，用α来表示0~π的移向范围也是完全可以的。