整流与有源逆变
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第八讲 整流与有源逆变(四)
8.1 整流电路的有源逆变工作状态 8.2 晶闸管直流电动机系统
8.1 整流电路的有源逆变工作状态
8.1.1 逆变的概念 8.1.2 三相桥整流电路的有源逆变工作状态 8.1.3 逆变失败与最小逆变角的限制
返回
8.1.1 逆变的概念
1. 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：电力机车下坡行驶，机车的位能转变为电能，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 有源逆变电路——交流侧和电网连结 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 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。既工作在整流状态 又工作在逆变状态，称为变流电路
8.1.1 逆变的概念
3. 逆变产生的条件
单相全波电路代替上述发电机
图2-45a M电动运行，全波电路工作在整流状态， 在0~ /2间，Ud为正值，并且Ud >EM，才能输出Id
交流电网输出电功率，电动机则输入电功率 图2-45b M回馈制动，由于晶闸管的单向导电性，Id方向不变，
Cej
Cej
（2-115）
8.2.1 工作于整流状态时
根据式（2-115）做出不
同时n与Id的关系，如图2-49 所示。图中的值一般为1V左 右，所以忽略。可见其机械 特性与由直流发电机供电时 的机械特性是相似的，是一 组平行的直线，其斜率由于 内阻不一定相同而稍有差异。
调节 角，即可调节电动机
欲改变电能的输送方向，只能改变EM极性。为了防止两电动 势顺向串联，Ud极性也必须反过来，即Ud应为负值，且|EM | > |Ud |，才能把电能从直流侧送到交流侧,实现逆变。 电能的流向与整流时相反,M输出电功率,电网吸收电功率
Ud可通过改变来进行调节，逆变状态时Ud为负值，逆变时在 /2~ 间
为对重叠角的范围有所了解，举例如下：某装置整流电压为 220V，整流电流800A，整流变压器容量为240kV。A，短路电
压比Uk%为5%的三相线路，其的值约15~20。
8.1.3 逆变失败与最小逆变角的限制
或参照整流时 的计算方法：
cos - cos
根据逆变工作时 =
(
-
) = Id XB 2U2 sin
wt1 wt2 wt3
O
wt
=
3
=
4
=
6
图2-46 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形
8.1.2 三相桥整流电路的有 源逆变工作状态
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 > /2时的控制角用- = 表示， 称为逆变角
而逆变角和控制角的计量方向相反，其大小自 =0的起始点向
id iVT3
iVT1
iVT2
iVT3
iVT1
O
wt
图2-47 交流侧电抗对逆变换相过程的影响
8.1.3 逆变失败与最小逆变角的限制
换相重叠角的影响：当 > 时，换相结束时， 晶闸管能承受反压而关断。如果 < 时（从图2-
47右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶 闸管（VT2）会关断，而应关断的晶闸管（VT1) 不能关断，最终导致逆变失败。
此时，整流电路直流电压的平衡方程为
Ud = EM RId U
（2-112）
式中，R
=
RB
RM
3X B
2
。
8.2.1 工作于整流状态时
1. 电流连续时电动机的机械特性
在电机学中，已知直流电动机的反电动势为
EM = Cejn
（2-113）
式中，Ce 为由电动机结构决定的电动势常数；j 为电动机磁场
的转速。
n
a1<a2<a3
(RB+RM+ a1
32XB)
Id Ce
a2
a3
O
Id
图2-49 三相半波电流连续时以电流 表示的电动机机械特性
同理，可列出三相桥式全控整流电路电动机负载时的 机械特性方
程为
n = 1.17U 2 cos - R Id U
Cej
Cej
（2-116）
8.2.1 工作于整流状态时
，并设
m
=
（2-110） ，上式
可改写成
cos = 1 -
IdXB
2U
2 sin
m
（2-111）
q′——安全裕量角。主要针对脉冲不对称程度（一般可达 5）。 q值′ 约取为10
8.2 晶闸管直流电动机系统
晶闸管直流电动机系统——晶闸管可控 整流装置带直流电动机负载组成的系统。是 电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流 装置的主要用途之一
8.1.1 逆变的概念
图2-44a M电动运转，EG>EM，电流Id从G流向M，M吸收 电功率
图2-44b 回馈制动状态，M作发电运转，此时，EM>EG， 电流反向，从M流向G 故M输出电功率，G则吸收电功率，M轴上输入的机械能 转变为电能反送给G
图2-44c 两电动势顺向串联，向电阻R 供电，G和M均输 出功率，由于R 一般都很小，实际上形成短路，在工作 中必须严防这类事故发生
左方计量
三相桥式电路工作于有源逆变状态时波形如图2-46所示
有源逆变状态时各电量的计算：
Ud= -2.34U2cos = -1.35U2Lcos
输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即
（2-105）
Id
= U d - EM R
8.1.2 三相桥整流电路的有 源逆变工作状态
每个晶闸管导通2p /3，故流过晶闸管的电流有效值为（忽略
电流断续时电动机机 械特性的特点：
电动机的理想空载转 速抬高
机械特性变软，即负 载电流变化很小也可 引起很大的转速变化
随着a 的增加，进入断 续区的电流值加大
E
分界线
E0
a1 a2 a3
（2-108）
8.1.3 逆变失败与最小逆变角的限制
逆变失败（逆变颠覆）——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
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
无源逆变——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载， 将在第5章介绍
返回
8.1.1 逆变的概念
2. 直流发电机—电动机系统电能的流转
Id
G
M
EG R∑ EM
Id
G
M
EG R∑ EM
Id
EG
G
M
R∑ EM
a)
b)
c)
图2-44 直流发电机—电动机之间电能的流转
a）两电动势c同）极两性电E动G势>E反M极性b），两形电成动短势路同极性EM >EG
<=60o ，电动机的实际空载反电动势都是 当>60o 以后，空载反电动势为
2U 2
2U 2 cos( - 3)
8.2.1 工作于整流状态时
E
E0 ( 2U2)
断续区特性的近似直线
E0' (0.585U2)
Idm i n
O 断续区
连续区
Id
图2-50 电流断续时电动势的特性曲线
8.2.1 工作于整流状态时
8.1.1 逆变的概念
产生逆变的条 件有二：
（1）有直流电动 势，其极性和晶 闸管导通方向一 致，其值大于变 流器直流侧平均 电压
（2）晶闸管的控
制角 > /2，
使Ud为负值
1
VT1
L
0 u10
iVT1
u20VT2
2
iVT2
ud
id R
µç ÄÜ + M EM -
ud u10
u20
ib
ic
Ud E
wt
O
wt
图2-48 三相半波带电动机负载且加 平波电抗器时的电压电流波形
返回
8.2.1 工作于整流状态时
电 机动械机惯稳量态，时故，其虽转然速U和d反波电形动脉势动都较基大本，无但脉由动于。电此动时机整有流较电大压的 的 的平各均种值电由压电降动所机平的衡反 。电 整动 流势 电及 压电 的路 交中 流负 分载 量平 则均 全电部流降I落d所在引电起抗 器 其上中R。B由为Id变引压起器的的压等降效有电下阻列，四它部包分括：变变压压器器二的次电绕阻组压本降身RB的Id ， 电阻以及一次绕组电阻折算到二次侧的等效电阻；晶闸管本身 的管压降，它基本上是一恒值；电枢电阻压降IdRM ；由重叠角 引起的电压降3XBId /(2) 。
对该系统的研究包括两个方面：其一是 在带电动机负载时整流电路的工作情况，其 二是由整流电路供电时电动机的工作情况。 本节主要从第二个方面进行分析
返回
8.2 晶闸管直流电动机系统
8.2.1 工作于整流状态时 8.2.2 工作于有源逆变状态时 8.2.3 直流可逆电力拖动系统
8.2.1 工作于整流状态时
每对磁极下的磁通量，单位为（Wb）；n为电动机的转速，单位 为（r/min）。
可根据整流电路电压平衡方程式（2-112），作出不同控制角 时
EM与Id的关系
EM = 1.17U2 cos - R Id - U （2-114）
转速与电流的机械特性关系式为
n = 1.17U 2 cos - R Id U
不考虑电动机的电枢 电感时
只有晶闸管导通相的变 压器二次侧电压瞬时值 大于反电动势时才有电 流输出，此时负载电流 断续，对整流电路和电 动机的工作都不利，要 尽量避免Leabharlann Baidu
在电枢回路串联一平波 电抗器，保证整流电流 在较大范围内连续，如 图2-48
ud
ua
ub
uc
ud
idR O
id ic
ia
（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
返回
8.1.3 逆变失败与最小逆变角的限制
a b iVT1 c iVT2
iVT3
LB VT1
LB VT2 LB VT3
o
ud
ua
ub
uc
L ud
id M EM +
ua
ub
O
p
wt
2. 电流断续时电动机的机械特性(图2-50） 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。
电流连续时的理想空载反电动势（ =60,忽略 ）：
实际U当Id减小至某一定值Id min以后，电流变为断续，这 个E0’ 是不E存0在=的1.1，7U真2正co的s 6理0想 =空0载.58点5U远2大于此值：
8.1.1 逆变的概念
半控桥或有续流二极管的电路，因其整流 电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出 现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。 欲实现有源逆变，只能采用全控电路。
8.1.2 三相桥整流电路的有源逆 变工作状态
逆变和整流的区别：控制角 不同
0< < /2 时，电路工作在整流状态 /2< < 时，电路工作在逆变状态
返回
8.1.2 三相桥整流电路的有源 逆变工作状态
u2
ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
O
wt
=
3
=
4
=
6
ud uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc
8.1.3 逆变失败与最小逆变角的限制
2. 确定最小逆变角min的依据
逆变时允许采用的最小逆变角 应等于
min=d ++q′
（2-109）
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； ——换相重叠角，随直流平均电流
和换相电抗的增加而增大。
直流电流id的脉动）
IVT
=
Id 3
= 0.577 I d
（2-106）
从交流电源送到直流侧负载的有功功率为
Pd = R Id 2 EM Id
（2-107）
当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率 由直流电源输送到交流电源。 在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为
2 I 2 = 2IVT = 3 I d = 0.816I d
u10
Ud>EM
1 VT1
L
0
iVT1 ud
id R
VT2
µç ÄÜ
-
2
iVT2
M EM +
ud
u10
u20
u10
O
wt
id
id=iVT1+iVT2
iVT1
iVT2
iVT1 Id
O
wt
O
id
id=iVT1+iVT2
iVT2
iVT1
iVT2
O
wt Ud<EM
Id wt
a)
b)
ͼ 2-45
图2-45 单相全波电路的整流和逆变
8.1 整流电路的有源逆变工作状态 8.2 晶闸管直流电动机系统
8.1 整流电路的有源逆变工作状态
8.1.1 逆变的概念 8.1.2 三相桥整流电路的有源逆变工作状态 8.1.3 逆变失败与最小逆变角的限制
返回
8.1.1 逆变的概念
1. 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：电力机车下坡行驶，机车的位能转变为电能，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 有源逆变电路——交流侧和电网连结 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 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。既工作在整流状态 又工作在逆变状态，称为变流电路
8.1.1 逆变的概念
3. 逆变产生的条件
单相全波电路代替上述发电机
图2-45a M电动运行，全波电路工作在整流状态， 在0~ /2间，Ud为正值，并且Ud >EM，才能输出Id
交流电网输出电功率，电动机则输入电功率 图2-45b M回馈制动，由于晶闸管的单向导电性，Id方向不变，
Cej
Cej
（2-115）
8.2.1 工作于整流状态时
根据式（2-115）做出不
同时n与Id的关系，如图2-49 所示。图中的值一般为1V左 右，所以忽略。可见其机械 特性与由直流发电机供电时 的机械特性是相似的，是一 组平行的直线，其斜率由于 内阻不一定相同而稍有差异。
调节 角，即可调节电动机
欲改变电能的输送方向，只能改变EM极性。为了防止两电动 势顺向串联，Ud极性也必须反过来，即Ud应为负值，且|EM | > |Ud |，才能把电能从直流侧送到交流侧,实现逆变。 电能的流向与整流时相反,M输出电功率,电网吸收电功率
Ud可通过改变来进行调节，逆变状态时Ud为负值，逆变时在 /2~ 间
为对重叠角的范围有所了解，举例如下：某装置整流电压为 220V，整流电流800A，整流变压器容量为240kV。A，短路电
压比Uk%为5%的三相线路，其的值约15~20。
8.1.3 逆变失败与最小逆变角的限制
或参照整流时 的计算方法：
cos - cos
根据逆变工作时 =
(
-
) = Id XB 2U2 sin
wt1 wt2 wt3
O
wt
=
3
=
4
=
6
图2-46 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形
8.1.2 三相桥整流电路的有 源逆变工作状态
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 > /2时的控制角用- = 表示， 称为逆变角
而逆变角和控制角的计量方向相反，其大小自 =0的起始点向
id iVT3
iVT1
iVT2
iVT3
iVT1
O
wt
图2-47 交流侧电抗对逆变换相过程的影响
8.1.3 逆变失败与最小逆变角的限制
换相重叠角的影响：当 > 时，换相结束时， 晶闸管能承受反压而关断。如果 < 时（从图2-
47右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶 闸管（VT2）会关断，而应关断的晶闸管（VT1) 不能关断，最终导致逆变失败。
此时，整流电路直流电压的平衡方程为
Ud = EM RId U
（2-112）
式中，R
=
RB
RM
3X B
2
。
8.2.1 工作于整流状态时
1. 电流连续时电动机的机械特性
在电机学中，已知直流电动机的反电动势为
EM = Cejn
（2-113）
式中，Ce 为由电动机结构决定的电动势常数；j 为电动机磁场
的转速。
n
a1<a2<a3
(RB+RM+ a1
32XB)
Id Ce
a2
a3
O
Id
图2-49 三相半波电流连续时以电流 表示的电动机机械特性
同理，可列出三相桥式全控整流电路电动机负载时的 机械特性方
程为
n = 1.17U 2 cos - R Id U
Cej
Cej
（2-116）
8.2.1 工作于整流状态时
，并设
m
=
（2-110） ，上式
可改写成
cos = 1 -
IdXB
2U
2 sin
m
（2-111）
q′——安全裕量角。主要针对脉冲不对称程度（一般可达 5）。 q值′ 约取为10
8.2 晶闸管直流电动机系统
晶闸管直流电动机系统——晶闸管可控 整流装置带直流电动机负载组成的系统。是 电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流 装置的主要用途之一
8.1.1 逆变的概念
图2-44a M电动运转，EG>EM，电流Id从G流向M，M吸收 电功率
图2-44b 回馈制动状态，M作发电运转，此时，EM>EG， 电流反向，从M流向G 故M输出电功率，G则吸收电功率，M轴上输入的机械能 转变为电能反送给G
图2-44c 两电动势顺向串联，向电阻R 供电，G和M均输 出功率，由于R 一般都很小，实际上形成短路，在工作 中必须严防这类事故发生
左方计量
三相桥式电路工作于有源逆变状态时波形如图2-46所示
有源逆变状态时各电量的计算：
Ud= -2.34U2cos = -1.35U2Lcos
输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即
（2-105）
Id
= U d - EM R
8.1.2 三相桥整流电路的有 源逆变工作状态
每个晶闸管导通2p /3，故流过晶闸管的电流有效值为（忽略
电流断续时电动机机 械特性的特点：
电动机的理想空载转 速抬高
机械特性变软，即负 载电流变化很小也可 引起很大的转速变化
随着a 的增加，进入断 续区的电流值加大
E
分界线
E0
a1 a2 a3
（2-108）
8.1.3 逆变失败与最小逆变角的限制
逆变失败（逆变颠覆）——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
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
无源逆变——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载， 将在第5章介绍
返回
8.1.1 逆变的概念
2. 直流发电机—电动机系统电能的流转
Id
G
M
EG R∑ EM
Id
G
M
EG R∑ EM
Id
EG
G
M
R∑ EM
a)
b)
c)
图2-44 直流发电机—电动机之间电能的流转
a）两电动势c同）极两性电E动G势>E反M极性b），两形电成动短势路同极性EM >EG
<=60o ，电动机的实际空载反电动势都是 当>60o 以后，空载反电动势为
2U 2
2U 2 cos( - 3)
8.2.1 工作于整流状态时
E
E0 ( 2U2)
断续区特性的近似直线
E0' (0.585U2)
Idm i n
O 断续区
连续区
Id
图2-50 电流断续时电动势的特性曲线
8.2.1 工作于整流状态时
8.1.1 逆变的概念
产生逆变的条 件有二：
（1）有直流电动 势，其极性和晶 闸管导通方向一 致，其值大于变 流器直流侧平均 电压
（2）晶闸管的控
制角 > /2，
使Ud为负值
1
VT1
L
0 u10
iVT1
u20VT2
2
iVT2
ud
id R
µç ÄÜ + M EM -
ud u10
u20
ib
ic
Ud E
wt
O
wt
图2-48 三相半波带电动机负载且加 平波电抗器时的电压电流波形
返回
8.2.1 工作于整流状态时
电 机动械机惯稳量态，时故，其虽转然速U和d反波电形动脉势动都较基大本，无但脉由动于。电此动时机整有流较电大压的 的 的平各均种值电由压电降动所机平的衡反 。电 整动 流势 电及 压电 的路 交中 流负 分载 量平 则均 全电部流降I落d所在引电起抗 器 其上中R。B由为Id变引压起器的的压等降效有电下阻列，四它部包分括：变变压压器器二的次电绕阻组压本降身RB的Id ， 电阻以及一次绕组电阻折算到二次侧的等效电阻；晶闸管本身 的管压降，它基本上是一恒值；电枢电阻压降IdRM ；由重叠角 引起的电压降3XBId /(2) 。
对该系统的研究包括两个方面：其一是 在带电动机负载时整流电路的工作情况，其 二是由整流电路供电时电动机的工作情况。 本节主要从第二个方面进行分析
返回
8.2 晶闸管直流电动机系统
8.2.1 工作于整流状态时 8.2.2 工作于有源逆变状态时 8.2.3 直流可逆电力拖动系统
8.2.1 工作于整流状态时
每对磁极下的磁通量，单位为（Wb）；n为电动机的转速，单位 为（r/min）。
可根据整流电路电压平衡方程式（2-112），作出不同控制角 时
EM与Id的关系
EM = 1.17U2 cos - R Id - U （2-114）
转速与电流的机械特性关系式为
n = 1.17U 2 cos - R Id U
不考虑电动机的电枢 电感时
只有晶闸管导通相的变 压器二次侧电压瞬时值 大于反电动势时才有电 流输出，此时负载电流 断续，对整流电路和电 动机的工作都不利，要 尽量避免Leabharlann Baidu
在电枢回路串联一平波 电抗器，保证整流电流 在较大范围内连续，如 图2-48
ud
ua
ub
uc
ud
idR O
id ic
ia
（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
返回
8.1.3 逆变失败与最小逆变角的限制
a b iVT1 c iVT2
iVT3
LB VT1
LB VT2 LB VT3
o
ud
ua
ub
uc
L ud
id M EM +
ua
ub
O
p
wt
2. 电流断续时电动机的机械特性(图2-50） 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。
电流连续时的理想空载反电动势（ =60,忽略 ）：
实际U当Id减小至某一定值Id min以后，电流变为断续，这 个E0’ 是不E存0在=的1.1，7U真2正co的s 6理0想 =空0载.58点5U远2大于此值：
8.1.1 逆变的概念
半控桥或有续流二极管的电路，因其整流 电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出 现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。 欲实现有源逆变，只能采用全控电路。
8.1.2 三相桥整流电路的有源逆 变工作状态
逆变和整流的区别：控制角 不同
0< < /2 时，电路工作在整流状态 /2< < 时，电路工作在逆变状态
返回
8.1.2 三相桥整流电路的有源 逆变工作状态
u2
ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
O
wt
=
3
=
4
=
6
ud uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc
8.1.3 逆变失败与最小逆变角的限制
2. 确定最小逆变角min的依据
逆变时允许采用的最小逆变角 应等于
min=d ++q′
（2-109）
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； ——换相重叠角，随直流平均电流
和换相电抗的增加而增大。
直流电流id的脉动）
IVT
=
Id 3
= 0.577 I d
（2-106）
从交流电源送到直流侧负载的有功功率为
Pd = R Id 2 EM Id
（2-107）
当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率 由直流电源输送到交流电源。 在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为
2 I 2 = 2IVT = 3 I d = 0.816I d
u10
Ud>EM
1 VT1
L
0
iVT1 ud
id R
VT2
µç ÄÜ
-
2
iVT2
M EM +
ud
u10
u20
u10
O
wt
id
id=iVT1+iVT2
iVT1
iVT2
iVT1 Id
O
wt
O
id
id=iVT1+iVT2
iVT2
iVT1
iVT2
O
wt Ud<EM
Id wt
a)
b)
ͼ 2-45
图2-45 单相全波电路的整流和逆变