第四章有源逆变
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第4章 有源逆变电路
图4-2 全波电路的整流和逆变
（a）α=45°；β=45°
因Ra阻值很小，其电压也很小，因此Ud≈E。电流Id从Ud 的正端流出，从电动机反电动势E的正端流人，故由交流电源经 变流器输出电功率，直流电动机吸收电功率并将其转换为轴上的 机械功率以提升重物。如在提升运行中突然使晶闸管的控制角α 减小，则Ud增大，瞬时引起电流Id增大，电动机产生的电磁转矩 也增大，因电动机轴上重物产生的阻转矩不变，所以电动机转速 升高，提升加快。随着转速的升高，电动机的反电动势E=Ceφn 也增大，使Id恢复到原来的数值，此时电动机稳定运行在较高转 速。反之α增大，电动机转速减小所以改变晶闸管的控制角.可 以很方便地对电动机进行无级调速，从而改变提升的速度。 • 当α增大到某值如α3值，如图4一3所示，如此时电动机转矩 M1恰好与负载转矩相等，则电动机稳定在n=0处a点。如图4一3中 曲线①，这相当干整流器供电给电阻和电感，仍运行在整流状态。 如α再增大到90°，如图4-3中曲线②，则电动机转矩小于负载 转矩，于是在重物作用下电动机反转，E改变方向，E使Id增加， 最后稳定在b点，此时电动机运行在能耗制动状态，向整流器输 出的平均功率为零。
图4-6 有源逆变环流失败波形
• 二、最小逆变角的确定及限制 • 根据上述各种逆变失败原因的分析，可以总结出这样一条规 律:为了保证逆变能正常工作，除了选用可靠的触发器不丢失脉 冲外，同时对触发脉冲的最小逆变角β min，必须要有严格的限 制。 • 〔一)最小逆变角β min的确定 • 要保证在电压换相点之前完成换相，触发脉冲必须有超前的 电角度，即最小逆变角β min 应根据下面的因素来考虑。
•
公式与整流时一样。由于逆变运行时α>90°，cosα计算不 太方便，于是引入逆变角β，令α=π-β，用电度表表示时为 α=180°-β，所以
第四章有源逆变讲解
• 在可逆拖动系统中，通常采用两套变流器 相互切换。
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4-7
有源逆变
5、逆变角 ➢为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆 变角 （或称引前触发角）表示相控角度。 ➢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 向左方计量。 ➢ 、 的关系： = － 或 ＋ =
有源逆变
第 4 章 有源逆变与相 控变流器特性
2021/4/13
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4-0
概述
有源逆变
• 什么是逆变？为什么要逆变？
➢ 逆变（invertion）——把直流电转变成交流电，整流的逆过 程。
❖ 实例：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送 到交流电网中去。
➢ 逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。
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4-11
本章内容
有源逆变
4.1 有源逆变电路的工作原理（概念）
4.2 三相有源逆变电路
4.3 有源逆变的应用 4.4 整流电路的谐波和功率因数 4.6 变流电路的功率因数及改善方法
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4-12
有源逆变
4. 2 三相有源逆变电路
❖ 有源逆变电路——交流侧和电网连结。（本章介绍）
－ 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级 调速以及高压直流输电等。
❖ 无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 （将在第6章介绍）
➢ 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其 电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状 态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。
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有源逆变
5、逆变角 ➢为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆 变角 （或称引前触发角）表示相控角度。 ➢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 向左方计量。 ➢ 、 的关系： = － 或 ＋ =
有源逆变
第 4 章 有源逆变与相 控变流器特性
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概述
有源逆变
• 什么是逆变？为什么要逆变？
➢ 逆变（invertion）——把直流电转变成交流电，整流的逆过 程。
❖ 实例：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送 到交流电网中去。
➢ 逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。
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本章内容
有源逆变
4.1 有源逆变电路的工作原理（概念）
4.2 三相有源逆变电路
4.3 有源逆变的应用 4.4 整流电路的谐波和功率因数 4.6 变流电路的功率因数及改善方法
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有源逆变
4. 2 三相有源逆变电路
❖ 有源逆变电路——交流侧和电网连结。（本章介绍）
－ 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级 调速以及高压直流输电等。
❖ 无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 （将在第6章介绍）
➢ 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其 电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状 态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。
电力电子技术-第4章逆变电路讲解
（4）直流侧电感起到缓冲无功能量的作用。
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 个反并联二极管组成。 •在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 个反并联二极管组成。 •在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。
第四章 有源逆变电路
逆变状态和整流状态的区别：控制角 a 不同 0<a < /2 时，电路工作在整流状态
/2< a < 时，电路工作在逆变状态
第二节
三相有源逆变电路
2.逆变角的概念：
为实现逆变，需一反向的EM ，而Ud因a﹥π/2已自动变为负值，满足逆 变条件。因而可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等 各项问题。 把 a >π /2时的控制角用π - a =β 表示，β称为逆变角。 整流状态：α＜π/2， 相应的β＞π/2；
第三节
结论：
逆变失败与最小逆变角的限制
1.β不能等于零。
2.β不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。
第三节
逆变失败与最小逆变角的限制
二、 确定最小逆变角βmin的依据
有源逆变时允许采用的最小逆变角 应等于
min=d +g+q′
d ——晶闸管的关断时间tq折合的电角度
tq大的可达200~300ms，折算到电角度约4~5。
极流入，该电源吸收电能。电源输出或吸收功率的大小由电势与电流
的乘积来决定。 （ EG ﹥ EM,整流； EG ﹤ EM ：逆变 ） (3) 两个电源反极性相连，如果电路的总电阻很小，将形成电源间 的短路， 应当避免发生这种情况。
第一节 逆变的概念
三、 有源逆变产生的条件
改变EM的极性； Ud极性也必须相反。 怎样使Ud方向相反？
有源逆变电路的控制电路在设计时，应充分考虑变压器漏电 感对晶闸管换流的影响以及晶闸管由导通到关断存在着关断
时间的影响，否则会由于逆变角β 太小造成换流失败，导致
逆变颠覆的发生。 以共阴极三相半波电路为例， 分析由于β 太小而对逆变电 路产生的影响。
4.1 有源逆变的工作原理
EG＞EM
EG<EM
Id
EG EM RZ
Id
EM EG RZ
10
(2)电流从电动势的正极流出，该电动势输出电能； 而电流从电动势的正极流入，该电动势吸收电能。 电源输出或吸收功率的大小由电势与电流的乘积来 决定，若电势或者电流方向改变，则电能的传送方向也 随之改变。
P=IU
11
4.1.2 有源逆变的工作原理
(a )
EM 直流卷扬系统
(a) 提升重物；
(b) 放下重物
12
1．整流工作状态（0＜α＜π/2）
当控制角α 在0～π/2之间触发晶闸管时，变流装
置输出的直流平均电压为 Ud=0.9U2 cosα，因为此时α
小于π/2，故Ud为正值。波形如图。 此时，变流装置工作在整流工作状态。
Ld V1 V3 ＋ Ra ud V2 V4 ＋ ED － 重物 (a ) M n Id
如果逆变装置的交流侧接至交流负载，将直流电
变换为某一频率或可调频率的交流电供给负载，这样 的逆变则称为“无源逆变”或变频电路。
4
4.转换 关系。整流与逆变的根本区别就是能量传递方向不同。 下面电路分三种情况加以说明分析。
注意这三个电路的连接有什么不同！
0
t
逆变角为β的触发脉冲，可看成是控制角α=180o的脉冲前移 （左移）β角。
id 0
t
Ld V1 V3 －
Id
(b ) ud u 10 u 20 u 10 u 20
Ra ud － ED ＋ ＋ 重物 M n
0
ED
t
id
V2
V4
0 (c )
t
第四章：有源逆变
（2）保护措施：装快速熔断器或快速开关；
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4-25
有源逆变
4、确定最小逆变角 min 的依据
（1）最小逆变角 min = + +
: SCR的关断时间 tq 折合的电角度， 叫恢复阻断角， = tq
: 换相重叠角（约为15~20 ）
: 安全裕量角（一般取10 ）
有源逆变
cos ()cos2xBId
6U2
• 其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和 有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计 算原则进行 。
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有源逆变
二、三相桥式全控有源逆变电路
1、变流器工作于逆变状态（ 2 ）
Ud 0 , E 0 Ud E
❖ 有源逆变电路——交流侧和电网连结。（本章介绍）
－ 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级 调速以及高压直流输电等。
❖ 无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 （将在第6章介绍）
➢ 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其 电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状 态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。
u20
u10
O
id
id = iV T1+ iV T2
iV T2
iV T1
iV T2
O
t Ud<EM
Id t
电 动 机 输
a)单相全波电路的整流和逆变b)
出
图2-45
电
间图图只值，a能，b逆UMd改且U为电变Md变|可E回正动时ME通馈M|值运>极制过|U，性行在动改d。|并，，，变为π由才且全/了于能2U来波防晶d把～止>进电闸电Eπ两管能行M路之，电的从调工间动才单直节势作。向能流顺，导侧在输向电送逆整出串性到变流联I，交d状，。状I流dU方态侧态d极向,时实，性不现U也变d逆为必，变在负须欲。0反改值～过变，来电π，能/2即的之U输d功率送应方为向负，
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有源逆变
4、确定最小逆变角 min 的依据
（1）最小逆变角 min = + +
: SCR的关断时间 tq 折合的电角度， 叫恢复阻断角， = tq
: 换相重叠角（约为15~20 ）
: 安全裕量角（一般取10 ）
有源逆变
cos ()cos2xBId
6U2
• 其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和 有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计 算原则进行 。
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二、三相桥式全控有源逆变电路
1、变流器工作于逆变状态（ 2 ）
Ud 0 , E 0 Ud E
❖ 有源逆变电路——交流侧和电网连结。（本章介绍）
－ 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级 调速以及高压直流输电等。
❖ 无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 （将在第6章介绍）
➢ 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其 电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状 态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。
u20
u10
O
id
id = iV T1+ iV T2
iV T2
iV T1
iV T2
O
t Ud<EM
Id t
电 动 机 输
a)单相全波电路的整流和逆变b)
出
图2-45
电
间图图只值，a能，b逆UMd改且U为电变Md变|可E回正动时ME通馈M|值运>极制过|U，性行在动改d。|并，，，变为π由才且全/了于能2U来波防晶d把～止>进电闸电Eπ两管能行M路之，电的从调工间动才单直节势作。向能流顺，导侧在输向电送逆整出串性到变流联I，交d状，。状I流dU方态侧态d极向,时实，性不现U也变d逆为必，变在负须欲。0反改值～过变，来电π，能/2即的之U输d功率送应方为向负，
有源逆变概念及工作原理
有源逆变一、单相有源逆变电路逆变电路的分类整流是把交流电变换成直流电供应负载，则，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<a<p /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U d＝0.9U2cosa，控制角的移相围为0～90 ° ，U d为正值，P点电位高于N点电位，并且U d应大于电动机的反电势E，才能使变流器输出电能供应电动机作电机运行。
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〔p /2<a<p 〕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应回电网，也就是说，整流电路直流侧电压平均值U d也必须反过来，即U d为负值，P点电位低于N点电位且电机电势E应大于U d。
此时电路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。
电力电子变流重点技术课后答案
第四章有源逆变电路习题与思考题解4-1．逆变电路必须具有什么条件才干进行逆变工作？解：逆变电路必须同步具有下述两个条件才干产生有源逆变：1 变流电路直流侧应具有能提供逆变能量旳直流电源电势E d，其极性应与晶闸管旳导电电流方向一致。
2. 变流电路输出旳直流平均电压U d旳极性必须为负（相对于整流时定义旳极性），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？与否所有旳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°旳状况。
单相桥式（二极管）整流电路是AC／DC 变换电路，是单纯旳整流电路，相称于单相全控桥式变流电路工作于整流状态，控制角α=0°时旳状况。
不是所有旳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，带续流二极管旳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、移相角超过范畴、甚至突发电源缺相或断相等状况时，均有也许发生换相失败，将使变流器输出旳直流电压U d进入正半周范畴，U d旳极性由负变正，与直流侧直流电源电势E d形成顺向串联，导致短路事故（因逆变电路旳内阻R很小）。
这种状况称为逆变失败。
或称为逆变颠覆。
4-4．为什么要限制逆变角旳最小值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，因此，必须限制逆变角旳最小值βmin。
最小逆变角βmin旳选用要考虑三个因素，即换相重叠角γ；晶闸管关断时间t off 相应旳电角度δ；安全裕量角θ0。
故有βmin ≥γ+δ+θ04-5．在图4-2（c ）中，当α>90°时,为什么必须E d >U d 才干正常逆变工作，E d 与U d 间旳差值由何因素决定。
电力电子技术——有源逆变电路
当=60，Id=0时，设对应的反电动势为 E0 ，
其值为
E0 Ud 1.17U2 cos60 0.585U2
非线性特性
图4-10 电流断续时电动势的特性曲线
Goback
❖实际上，当Id减小至某一定值Idmin以后，电流变 为断续，真正的理想空载点远大于此值，因为
此时晶闸管触发导通时的相电压瞬时值为 2U2 。
❖考虑直流等效回路，左侧电源为脉动直流电压
ud波形，最大瞬时值为 2U 2 ，并且由于整流器
件的单向导电性，回路电流Id的方向是固定的，
只有当反电动势EM等于脉动直流电压ud的最大
峰值时，电流才能完全等于零，否则，只要EM
比ud的最大峰值略小一点，就总是存在断断续
续的电流脉冲。因此 2U2 才是实际的理想空载
no Ke
Goback
2. 电流断续时电动机的机械特性 • 由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动
机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减 小，致使电流不再连续，此时电动机的机械特 性也就呈现出非线性。
• 电流断续时电动机机械特性的第一个特点: 当 电流断续时，电动机的理想空载转速抬高。
❖由三相半波电路电流连续时反电动势表达式，
变化很小也可引起很大的转速变化。
❖ 设整流控制角一定，由于轻载时电流断续，各晶闸管 的导通角 120 ，此时ud波形将发生一定的变化，水 平直线E以下的部分作用时间将比电流连续时缩短，负 面积减小，平均面积Ud比电流连续时的计算值升高， 在电流连续的条件下得出的Ud计算公式不再适用。
整流波形
图4-11 考虑电流断续时不同时反电动势的特性曲线
➢整流输出电压ud是脉动的，可分为两部分：直 流分量Ud，和交流分量。交流电流分量的大小 主要取决于直流侧的回路电感，特别是平波电
其值为
E0 Ud 1.17U2 cos60 0.585U2
非线性特性
图4-10 电流断续时电动势的特性曲线
Goback
❖实际上，当Id减小至某一定值Idmin以后，电流变 为断续，真正的理想空载点远大于此值，因为
此时晶闸管触发导通时的相电压瞬时值为 2U2 。
❖考虑直流等效回路，左侧电源为脉动直流电压
ud波形，最大瞬时值为 2U 2 ，并且由于整流器
件的单向导电性，回路电流Id的方向是固定的，
只有当反电动势EM等于脉动直流电压ud的最大
峰值时，电流才能完全等于零，否则，只要EM
比ud的最大峰值略小一点，就总是存在断断续
续的电流脉冲。因此 2U2 才是实际的理想空载
no Ke
Goback
2. 电流断续时电动机的机械特性 • 由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动
机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减 小，致使电流不再连续，此时电动机的机械特 性也就呈现出非线性。
• 电流断续时电动机机械特性的第一个特点: 当 电流断续时，电动机的理想空载转速抬高。
❖由三相半波电路电流连续时反电动势表达式，
变化很小也可引起很大的转速变化。
❖ 设整流控制角一定，由于轻载时电流断续，各晶闸管 的导通角 120 ，此时ud波形将发生一定的变化，水 平直线E以下的部分作用时间将比电流连续时缩短，负 面积减小，平均面积Ud比电流连续时的计算值升高， 在电流连续的条件下得出的Ud计算公式不再适用。
整流波形
图4-11 考虑电流断续时不同时反电动势的特性曲线
➢整流输出电压ud是脉动的，可分为两部分：直 流分量Ud，和交流分量。交流电流分量的大小 主要取决于直流侧的回路电感，特别是平波电
电力电子技术第4章 晶闸管有源逆变电路
38
一、晶闸管变流装置的功率因数及其改善 晶闸管变流装置的功率因数定义为交流侧有功 功率与视在功率之比。现以单相桥式晶闸管变流器 为例说明之。为分析方便，假设负载为大电感而且 输出电流平直，忽略变压器漏抗对电路的影响。当 变流器在整流状态工作时，电路交流侧的电压 u1 及电流 i1 的有关波形如图 4.10（a）所示。
36
逆变变压器次级电压 U2l的大小要和异步电机 转子电压互相配合，当两组桥路连接型式相同时， 最大转子整流电压应与最大逆变电压相，即可得 逆变变压器的次级线电压为
37
第六节
变流装置的功率因数及对电网的影响
变流装置的功率因数是其功能指标中较重要的 一项。分析影响装置功率因数的原因，并采取相应 措施使之提高，是电力电子技术重要内容之一。
49
4.7 某晶闸管可逆供电装置，主电路为三相半 波，变压器次级相电压有效值为 230 V，R=0.3 Ω ，电动机从 220 V、20 A 稳定的电动状态下进行 发电机再生制动，要求制动初始强度为 40 A，试 求初始逆变角β应多大？
50
6
三、有源逆变电路的工作原理 便于分析有源逆变电路的工作原理，现以单相 全控桥晶闸管整流电路对直流电动机供电的系统为 例加以说明。具体电路如图 4.2所示。图中，直流 电动机带动设备为卷扬机。
7
图 4.2 KP-D 直流卷扬系统
8
1.整流工作状态（0 <α <π／2） 在该电压作用下，直流电机转动，卷扬机将重 物提升起来，直流电机转动产生的反电势为 ED， 且 ED 略小于输出直流平均电压 Ud，此时电枢回 路的电流为
21
输出电流的有效值为 晶闸管流过电流平均值为 晶闸管流过电流有效值为
22
有源逆变电路教材
第四章 有源逆变电路内容提要与目的要求1．了解逆变的概念，掌握逆变的条件。
2．掌握三相半波、三相全控桥式逆变电路的工作原理和波形分析。
3．掌握U d =f(β)的关系及有关参数计算。
4．掌握逆变失败的原因和最小逆变角βmin 限制。
5．了解有源逆变应用（有环流反并联可逆系统、无环流反并联可逆系统）。
第一节 逆变的概念一、整流与逆变1．整流 把交流电变成直流电的过程称为整流。
2．逆变 把直流电变成其他频率交流电的过程称为逆变。
3．逆变分类 有源逆变和无源逆变1）有源逆变 把直流电逆变成交流电反送电网，称为有源逆变。
2）无源逆变 把直流电逆变成交流电供给负载，称为无源逆变。
在实际应用中，有源逆变主要用于直流电动机的可逆调速，绕线式异步电动机的串级调速，高压直流输电等。
蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要无源逆变电路，无源逆变电路的应用非常广泛。
二、G-M 发电机电动机机组的能量转换功率的传递两个直流电源E 1和E 2可有三种相连的电路形式，如图3-1所示。
a) 两电源同极性相接 b) 两电源同极性另一接法 c) 两电源反极性相接图3-1 两直流电源间的功率传递图3-1a 两电源同极性相接，设E 1 ＞E 2 ，电流I 从E 1流向E 2 ，大小为RE E I 21-= (3-1) 式中R 为回路总电阻。
电源E 1发出的功率P 1=E 1I ，电源E 2吸取的功率P 2= E 2I ，电阻消耗的功率P R =（E 1－E 2）I = I 2R 。
图3-1b 是将两电源极性反过来，同时E 2 ＞E 1 ，则电流方向不变，但功率反送。
图3-1c 则为两电源反极性相连，这时电流大小为RE E I 21+= (3-2)相当于两个电源顺极性相接向电阻R供电，此时两电源都输出功率，P1=E1I，P2=E2I；电阻上消耗的功率P R =（E1+E2）I。
如果电阻R仅为回路电阻，数值很小，则会形成很大的电流I，实际上相当于两个电源间短路。
有源逆变概念及工作原理课件
案例二：风电逆变器
总结词
将风能转换为直流电
详细描述
风电逆变器是将风力发电机产生的交流电转换为直流电的装置。在风力发电系统中，发电机产生的交 流电需要通过整流器转换为直流电，再通过有源逆变器将直流电转换为高质量的交流电供给负载或电 网。
案例三：有源滤波器
总结词
滤除谐波，提高电能质量
详细描述
有源滤波器是一种用于滤除谐波、提高电能质量的装置。它通过有源逆变技术产生与谐 波大小相等、方向相反的电流，从而抵消谐波电流，提高电源的电能质量。有源滤波器 广泛应用于各种电力系统和工业领域，用于改善供电质量、减少设备故障和延长设备使
02
有源逆变的工作原理
整流与逆变的区别
整流
将交流电转换为直流电的过程，通常使用二极管或晶闸管实现。
逆变
将直流电转换为交流电的过程，通程和用途上存在显著差异。整流主要用于将交流电转换为直流电 ，而逆变则用于将直流电转换为交流电。
有源逆变的电路结构
维持
控制电路持续监测负载的需求，并 相应地调节晶体管（或场效应管） 的状态，以保持负载的稳定供电。
03
有源逆变的应用
在可再生能源系统中的应用
01
02
03
光伏并网逆变器
将太阳能电池板产生的直 流电逆变为交流电，并入 电网，实现并网发电。
风力发电逆变器
将风力发电机产生的直流 电逆变为交流电，并入电 网，实现并网发电。
分布式电源系统
通过有源逆变技术将多个分布式电源连接到电网中，实现能 源的分散式管理和高效利用。
04
有源逆变技术的挑战与前景
当前面临的技术挑战
高效能转换
有源逆变技术需要实现高效率的电能 转换，以满足日益增长的能源需求。
《有源逆变》课件
有源逆变的发展趋势
1
高功率
有源逆变技术将不断向更高功率领域发展，支持更大规模的能量转换和控制。
2
高频率
有源逆变将趋向高频率工作，提高效率和响应速度，满足更多应用需求。
3
智能化
有源逆变将借助智能控制和通信技术，实现更智能化的能量转换和系统管理。
有源逆变技术的突破与创新
1 新型器件
新一代有源逆变将采用更高性能、可靠性和集成度的器件，提升系统的效率和稳定性。
快速响应速度
有源逆变的响应速度非常快， 能够迅速变换输出电压和频率， 适应快速变化的负载需求。
有源逆变的缺点
1 复杂的控制系统
有源逆变需要复杂的控制系统进行调节和保护，增加了设计难度和成本。
2 对电力开关的要求高
有源逆变对选用的电力开关器件要求高，需要具备快速开关能力、低损耗等特性。
3 电磁干扰
有源逆变在工作时会产生电磁干扰，对周围设备和电网造成一定影响。
《有源逆变》PPT课件
欢迎大家来到本次关于有源逆变的PPT课件！在本课件中，我们将深入探讨有 源逆变的定义、基本结构、工作原理以及在各个领域的应用。
什么是有源逆变？
定义
有源逆变是一种将直流电能转换为交流电能的技术，通过控制电力器件的导通与关断，以实 现对输出电压、频率和波形的调节。
基本结构
有源逆变由直流电源、电力开关、滤波器和控制电路组成，其中电力开关可由晶闸管、 MOSFET等器件构成。
3 输出能力
有源逆变能够快速响应负 载需求变化，提供更强的 输出能力，而传统逆变的 输出能力受到较大限制。
有源逆变的优点
高可靠性
有源逆变采用先进的控制和保 护技术，具备较高的可靠性， 可在恶劣环境和负载条件下正 常工作。
电气工程自动控制原理电气工程自动控制原理第4章有源逆变电路和PWM整流电路
1. 逆变失败的原因 （1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管
分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常 换相；
（2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通； （3）交流电源缺相或突然消失； （4）换相的裕量角不足，引起换相失败。
4.1.3 逆变失败的原因与最小逆变角的限制
Id=（Ud-E)/R
（4-6）
Id为正值
（注意带入公式时E为负值）
➢ 考虑变压器漏抗时：
Ud
2.34 U2
cos
3XBId
每个晶闸管导通2 π /3，故流过晶闸管的电流有效值为（忽
略直流电流id的脉动）
IVT
Id 3
0.577 Id
（4-3）
从交流电源送到直流侧负载的有功功率为:
Pd=RId+EMId
2、单相PWM整流器模型及原理分析
实现PWM整流器的四象限运行，关键在于 网侧电流的控制：一方面可以通过控制 PWM 整 流器交流侧电压来间接控制其网侧电流；另一方 面也可通过网侧电流的闭环控制来直接控制 PWM整流器的网侧电流。
4.2.2 单相PWM整流器的拓扑结构与控制
电压型 PWM 整流器的拓扑结构：直流侧采用电容进行储能。
3
=
4
=
6
图4-4 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形
2.三相全控桥式整流电路
三相桥式电路工作于有源逆变状态时波形如图4-4所示 有源逆变状态时各电量的计算：
Ud= 2.34U2cos α = -2.34U2cos β （4-5）
•
Ud为负值
输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即：
三相半波电路工作于有源逆变状态时波形如图4-3所示 有源逆变状态时各电量的计算：
分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常 换相；
（2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通； （3）交流电源缺相或突然消失； （4）换相的裕量角不足，引起换相失败。
4.1.3 逆变失败的原因与最小逆变角的限制
Id=（Ud-E)/R
（4-6）
Id为正值
（注意带入公式时E为负值）
➢ 考虑变压器漏抗时：
Ud
2.34 U2
cos
3XBId
每个晶闸管导通2 π /3，故流过晶闸管的电流有效值为（忽
略直流电流id的脉动）
IVT
Id 3
0.577 Id
（4-3）
从交流电源送到直流侧负载的有功功率为:
Pd=RId+EMId
2、单相PWM整流器模型及原理分析
实现PWM整流器的四象限运行，关键在于 网侧电流的控制：一方面可以通过控制 PWM 整 流器交流侧电压来间接控制其网侧电流；另一方 面也可通过网侧电流的闭环控制来直接控制 PWM整流器的网侧电流。
4.2.2 单相PWM整流器的拓扑结构与控制
电压型 PWM 整流器的拓扑结构：直流侧采用电容进行储能。
3
=
4
=
6
图4-4 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形
2.三相全控桥式整流电路
三相桥式电路工作于有源逆变状态时波形如图4-4所示 有源逆变状态时各电量的计算：
Ud= 2.34U2cos α = -2.34U2cos β （4-5）
•
Ud为负值
输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即：
三相半波电路工作于有源逆变状态时波形如图4-3所示 有源逆变状态时各电量的计算：
4有源逆变电路
4）换相时间不足（即逆变角β过小）。
（见β<γ时的逆变失败波形图）
22
4.3逆变失败的原因及防止对策
三、防止逆变失败的措施
（1）正确选择晶闸管的参数，保证其安全可靠工作。 （2）保证正常供电。 （3）采取必要的可靠的保护措施。 （4）限制最小逆变角。
23
4.3逆变失败的原因及防止对策
四、最小逆变角βmin的限制
u2
α=60º
uA uB uC
（以α= 60º 为例）
Ud E
wt
TR
A VT1 B VT2 C VT3 N L Id
O
w t1
+
Ud
uｇ
１
O
+ M E _ R
2
3
１
2
3
wt
_
iT1
V3
V1
V2
V3
V1
V2
1. 工作原理
1）α<90°，工作在整流状态
O
wt
当Ud >E时，电流Id为：
Id = Ud - E R
逆变时允许采用的最小逆变角b min应等于
bmin=d +g +θ ′
δ——晶闸管的关断时间tq折合的电角度
tq大的可达200~300ms，折算到电角度约4~5。
γ—— 换相重叠角
一般15 º ~20º 。
θ′——安全裕量角
主要针对脉冲不对称程度（可达5）。一般为10左右。 故，工程实践中一般取 bmin= 30 º ~35º
O
w t1
β=60º
Ud E
C VT3 N
+Ud
uｇ
3
O
第4章有源逆变电路和PWM整流电路
整流输出电压/电流的计算：
•
3 B I d 3 B I d U d 1.17U 2 cos a 1.17U 2 cos a 2 2
（4-3）
Id=（Ud-E)/R
（4-4）
------Ud为负值 Id为正值（注意代入公式时E为负值）
2.三相全控桥式整流电路
u2 ua ub uc ua ub uc ua ub uc ua ub
2、单相PWM整流器模型及原理分析
PWM整流器的模型电路由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组 成。其中，交流回路包括交流电动势e以及网侧电感L等；直流回路包括负 载电阻RL及负载电动势eL等；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组 成。 不计功率开关管桥路的损耗时，由交、直流侧的功率平衡关系得：
O
wt = = 4
ucb uab uac ub c ub a uca
3
= 6
ucb uab uac ub c ub a uca ucb uab uac ub c
ud uab uac ub c ub a uca
w t1 w t2 w t3
O
wt
=
3
= 4
= 6
3. 逆变产生的条件
1 0 u10 u20 VT2 2 ud iVT u20
2
VT1 iVT
1
L ud ç Ä µ Ü id R + M EM ud Ud>EM u10
1 0
VT1 iVT VT2
1
L ud ç Ä µ Ü iVT
2
id
R M EM +
2 u20
a
u10
u10
u10
O id=iVT +iVT
电力电子技术第4章有源逆变电路
逆 变 的 概 念
根据输出交流电能的去向，逆变器电路可分为有源逆变 和无源逆变两大类。 如果将逆变器的交流侧接到交流电网上，把直流电逆 变为同频率的交流电反送到电网上，称为有源逆变。它用 于直流电动机的调速、绕线型异步电动机的串级调速、电 力机车的下坡行驶、电梯和卷扬机的重物下放时、高压直 流输电和太阳能发电等方面。 如果逆变器的交流侧不与交流电网连接，而是直接接到负 载，即把直流电逆变为某一固定频率或可调频率的交流电 供给负载，则称为无源逆变。它在交流电动机的变频调速、 感应炉加热、不间断电源、开关电源等方面应用十分广泛， 是电力电子技术应用的一个重要方向。
4.1
4.1.1
有源逆变电路
认识整流与逆变的关系
电路结构：
同一电力元件主电路和控制电路既可用作整流又 能用于逆变。不同的仅是控制角所在区间不一样。 所以称此类电路为变流电路或变流器。 有源逆变电路和整流电路一样，种类很多，如果 按相数来分，可分为单相、三相和多相整流电路；
4.1
4.1.1
有源逆变电路
认识整流与逆变的关系
整流时能量是交流电网发出经过电路转换成 能量 直流电供给负载，如图4.1(a)所示。而逆变时 传递： 能量是直流电源（此电源或为电机或为直流 电池）经过电路转换成交流电返回给电网或 者给负载，如图4.1(b)所示。
4.1
有源逆变电路
4.1.2 有源逆变电路的工作过程 以卷扬机械为例，由单相全波整流电路供电给直流电 动机为动力，分析提升和下放重物两种工作情况。 1.提升重物时，变流器工作于整流状态 (0°≤α ≤ 90° )
4.1
有源逆变电路
4.1.2 有源逆变电路的工作过程 2.下放重物时，变流器工作于逆变状态(0°≤α ≤ 90°)
相关主题
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I E2 E1 R
I E1 E2 R
电源间能量的流转关系（续）
• 电流从电源的正极流出者，该电源为输出 功率；
• 电流从电源的负极流出者，该电源为输入 功率。
• 两个电源反极性相连时，如果电路总电阻 很小，会形成电源间短路故障。
三、单相桥式有源逆变电路
• 变流器工作于整流状态（ 0 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E
本章内容
4.1 有源逆变电路的工作原理 4.2 三相有源逆变电路 4.3 有源逆变的应用 4.4 整流电路的功率因数及其改善的方法
要求及重点
• 理解和掌握单相、三相有源逆变电路的工作原 理，有源逆变的应用和整流电路的功率因数及 其改善的方法。
• 重点：波形分析法，有源逆变的条件和有源逆 变失败的原因。
ME
+
ud u2
0
Ud ωt
E
id iT2 iT4 iT1 iT3
iT2 iT4 iT1 iT3
单相桥式有源逆变电路（续）
• 输出电压平均值：
Ud0.9U2cos
• 考虑换相重叠角后的Ud :
Ud0.9U2cos42xBId
IdUdREERUd
四、实现有源逆变的条件
• 有一个直流电源，极性为上 “ ” 下 “ + ”；
ug ug3
ug1
ug2
ME 0
++
ωt Ud E
ωt
三相半波有源逆变电路（续）
ud
α=π/3 整流状态 α=π/2 c
ua
ub
uc
α=5π/6 逆变状态
ua
ub
uc
0
ua
ub
ωt
α=π/3
α=π/2 β=π/2
β α=5π/6 β=π/6
uT1
(a)
uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba
ud
ua
0
ub
uc
ωt 1
ua ωt
(a)
ug
ug3 ug1
ug2
ug3
0
ωt
ud
ua
0
(b)
β
ug
ug3
0
ub
uc
ωt 1ωt 2
ωt
ug1
ug2 ug3
ωt
逆变失败的原因（续）
• 晶闸管发生故障（见左图） • 换相的裕量角不足（见右图） • 交流电源发生异常现象
ud
0 (c)
ug 0
ua
ub
uc
P
Id
+
ud
α
u2
T1
T2
Ld
0
E Ud ωt
u2
R
ud +
T4
T3
ME
-
-
N
id
iT1 iT3 iT2 iT4
iT2 iT4 iT1 iT3
单相桥式有源逆变电路（续）
• 变流器工作于逆变状态（ 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E
T1 u2
T4
P
Id
-
T2
Ld
T3
+
N
R
ud -
• 最小逆变角 min = + +
: SCR的关断时间 tq 折合的电角度， 叫恢复阻断角， = tq
Ud 0 , E 0 Ud E
-
A xB T1 a T3
T5
Ld
B
b
R
C
c ud -
T4
T6
T2
ME
++
ud
ucb uab uac ubc uba uca ucb uab
R
(b) 0
θ
ωt
R'
γβ
ug
ug3 ug5
ug1
ug3
(c)
0
ωt
iT
(d)
iT3
iT5
iT1
iT3
0
ωt
4. 2. 3 逆 变 失 败及最小逆变角的限制
• 改变励磁电流方向。 • 反接电枢回路。 • 在可逆拖动系统中，通常采用两套变流器
相互切换。
4. 2 三相有源逆变电路
4. 2. 1 三相半波有源逆变电路 • 变流器工作于整流状态（ 0 2 ）
Ud 0 , E 0， Ud E
a
T1
ua
ud α ua
ub
uc
o
b
T2
id
ub
+
0
π
ωt 1
ug3
ug1 ug2
ωt
ug3 ωt
ud
ua
ub
uc
0 (d)
ug 0
ωt
P
γ
ug3
ug1
ug2 ug3
ωt
避免逆变失败的措施
• 采用可靠的触发电路； • 选用可靠的SCR，防止误导通； • 加快速熔断器或快速开关； • 逆变角 不能太小，必须限制在某一允许
的最小角度内。
确定最小逆变角 min 的依据
• 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SCR电路形成短路，这种情况称为逆变 失败，或称为逆变颠覆。
逆变失败的原因
• 触发电路工作不可靠 – 触发脉冲丢失（见左图） – 触发脉冲延迟（见右图）
• 变流器的 2 ，即 Ud 0
• Ud E E 约等于 Ud • 半控电路或具有续流二极管的电路，不能实
现有源逆变，因为： – 不能输出负电压 – E的极性不能为上 “ ” 下 “ + ”；
五、改变电枢电势 E 极性的方法
• 某些机械能随着工况的不同自动改变E的 极性（如直流卷扬机）。
0
ωt
α=π/3
α=β=π/2
(b)
α=5π/6 β=π/6
逆变角 的计算
• 为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆变 角 （或称引前触发角）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 方计量。
• 、 的关系： = － 或 ＋ =
c
T3
Ld
2π E Ud ωt
uc
ud R
+
ug ug1
α=30° ug2 ug3
ME
--
0
ωt
三相半波有源逆变电路（续）
• 变流器工作于逆变状态（ 2 ）
Ud 0 , E 0 Ud E
a
T1
ud
ua ub uc
ua
o
b ub
T2
id
-
0
ωt 1ωt 2
c
T3
Ld
uc
ud R
-
α=150°β β=30°
4. 1 有源逆变电路工作原理
一、逆变电路的分类
• 根据逆变输出交流电能去向分类： – 有源逆变 • 以电网为负载 • 变流装置（变流器） – 无源逆变 • 以用电器为负载 • 变频器
二、电源间能量的流转关系
(a) E1 E2 时 (b) E2 E1 时
(c) 电源反 极性相连
I E1 E2 R
三相半波电路逆变电压的计算
• 变流器直流侧电压计算
ud
公式
0
ωt
Ud 1.17U2cos 1.17U2cos
• 考虑换相重叠角
β γ β=π/6
ud /Ud0
空载
1
U d1.1U 72co s3 2xBId
满载 0
π/2 π ΔUd
α
-1
{
最小β限制
4. 2. 2 三相桥式全控有源逆变电路
• 变流器工作于逆变状态（ 2 ）