电力电子技术3.3
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3.3 整流电路的有源逆变 1 逆变的概念与原理
(1) 什么是逆变？
逆变——把直流电转变成交流电，是整流的逆过程。
逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。
有源逆变电路——交流侧和电网联接的逆变电路。
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——整流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载上， 将直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载。
P
id Ld
T1
T3
R
u2
ud
电能 -
RMET2源自T4+为实现电动机回馈制动运行，要求
整流电路吸收能量回馈到电网，所以整 流电路直流侧输出电压平均值Ud也必须 反极性，即为负值，（导通角为大于90 度），且E> Ud ，此时电流方向不变，
Id=(E - Ud)/R
N ud
O
Ud t
E
id
iT2 iT4 iT1 iT3 iT2
发角大于90度范围内，输出电压也有正 有负，但平均值总是小于零，且 Ud E 。
所以电路中电流方向不变，但是从E的 正端流出，Ud的正端流入，电能从直流 侧送到交流电源侧。
整流时主要 承受反向电 压，逆变时 主要承受正 向电压，其 承受的最大 正反向电压 均为线电压 峰值即 6U 2
整流状态
中间状态
电路工作在整流状态：
在 0 / 2 的任一时刻触发晶 闸管导通，其整流输出电压平均 值都大于零，在Ud>E的条件下， 电枢回路电流Id=(Ud-E)/R>0，整 流电路输出电能供给电动机，电 动机作电动运行。
电能流向是由交流电网流向 直流电动机。
T1 u2 T2 ud
O
id iT1
O
t O
id
Id
id
iT1
iT2
iT3
iT1
O
t O
如图，在逆变工作状态下，E极性已反，触发角大于90度。
此时变流器输出直流电压平均值为负，且Ud E
ua
ua
如通u，a输01出5但0电有时，压E对的为T存1u在在d ωO使utTa1uu1时bc仍0，刻cab承此触受阶发正TTT段，123 u压d L虽id而储然导RL存d
Id
Ud EM R
注意：逆变时Ud和EM的极性都与整流状态时相反，均为负值。
每个晶闸管导通2/3，故流过晶闸管的电流有效值为：
IVT
Id 3
0.577 Id
从交流电源送到直流侧负载的有功功率为： Pd
R
I
2 d
EM Id
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
ua a
ub b
uc c
ud有正有负，但平均值总是为正， 且略大于E。所以电流从其正端流
出，E的正端流入，电动机作电动 运行，吸收能量，交流电源输出 ud
ua
ub
电能。
t1
O
T1 id
T2
O
Ld
T3
ud R +
ME -
uc
ud Ud
E
t O
=30o
ug
ug1
ug2
ug3
ug1
ug2 ug
2U 2
sin td (t )
3
2
sin
3
cos
1.17U2cos Ud0 cos
Ud0 cos( b ) Ud0 cosb 1.17U2 cosb
在逆变时， b
2
Ud 0
β从π/2减小时，Ud变为负值，并且随着β的减小， Ud
的绝对值逐渐增大，到β=0时， Ud绝对值最大。
t1 t2 t3
O
t
三相半波相控电路输出电压ud 及晶闸管 T1 两端的电压波形
在三相半波有源逆变状态下，晶闸管承受的电压波形与整 流状态下一样，也由三段组成，其中一段为其导通段，另两 段为其阻断状态，每段各占1/3。
三相半波有源逆变电路直流侧输出电压的平均值为
U d
1
2 / 3
2 63 6
直导通到正半周，使电源瞬时电压 与直流电动势顺向串联而造成短路。
ud
a b c
ua
ub
O
ug
ug3
ug1
O
T1
id
-
T2
T3 ud
+
Ld
R -
ME +
uc
ua
t1 t
E
ug2
ug3
ug1
t
ua
同样触发脉冲延迟也会导致换相失败。 ub
a b
o
若T2管触发脉冲由ωt1延迟到ωt2
uc
c
时刻才出现，此时虽然有触发脉冲，
O
P
id Ld
T3
R
ud
电能 +
ME
T4
-
N
Ud
E t
Id iT3 iT2 iT4 iT1 iT3
t
电路工作在逆变状态：
假设电动机做发电机运行（回馈制动），在直流发电机-电动机系统中， 电流流向不受限制，电能反向传送容易实现。
但在此电路中，由于晶闸管的单向导电性， 电路中的电流流向不能改变。要改变电能 传送方向，只能改变电动机输出电压极性， 所以图中E为上负下正。
流电源输送到交流电源。
在三相桥式电路中，每个周期内流经电源的线电流的导通角为4π/3， 是每个晶闸管导通角的2倍，所以变压器二次侧线电流的有效值为：
I 2
2IVT
2 3
I
d
0.816
Id
3.4 逆变失败与最小逆变角的限制
逆变失败（逆变颠覆）
逆变运行时，一旦发生换相失败，外接直流电源就会通过晶闸 管电路形成短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺 向串联，形成很大的短路电流。这种现象称为逆变失败。
1、逆变失败的原因
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。使交流电源电压和直流电动势顺向串联，形成 短路。
ua
ub
o
如图：当T1导通至ωt1时，正常情
uc
况下应触发T2，电流由a相换至b相。
如果此时T2的触发脉冲丢失，则T1
将一直承受正压而不会关断，将一
逆变状态
ud ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
t1
O
t
=
3
=
2
b=
2
=23
b=3
=56
b=6
uT1 uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac
ua
ub
uc
t1t2 t3
=150o
b = 30o
ME +
t Ud E
输出电压从a相换至ubOg 相，ug1 之后ug2 T3u导g3 通ug，1 如ug2 t
ug
O
ug3
ug1
ug2
ug3
ug2 t
此循环下去。
id
Id
id
Id
iT1
iT2
iT3
iT1
iT3
iT1
iT2
iT3
O
t O
O
+
a
ub b
uc c
T1 id
T2 Ld
T3
ud R -
能量触ω量，发t3时。和导触E到通一发为ω起T止t2使2，时，T因刻T1继1之的续uuOd后导b导，通通tuu1a角a，，U为uaTb直21承到2Eu0c受下度L释正一。放压相M在能而-UETEd2t
ud
O
导通，T1承受反压而关断=，30o ud ub
在三相整流电路中，带反电动势、阻感负载时，整流输出电压与控制
角之间存在着余弦函数的关系：U d U d 0 cos
在此式中，若α大于π/2 ，则Ud已自动变为负值，所以已满足逆变的一 个条件，若再有一个反向的EM，则完全满足逆变的条件。 所以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。
t1 t2 t3
O
t
b=
3
b=
4
b=
6
三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形
三相桥式电路有源逆变状态时各电量的计算：
输出直流电 压平均值
Ud 2.34U2 cos 2.34U2 cos b 1.35U2L cos b
输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即
对于可控整流电路，只要满足一定条件就可工作于有源逆变状态，此 时电路形式未变，只是电路工作条件转变。这种既工作在整流状态又 工作在逆变状态的整流电路，称为变流电路。
（2） 直流发电机—电动机系统能量的转换
➢由图于aId和M电EG动同运方转向，，E与GE>EM反M，方电向流，I故d从GG输流出向电M功，率Id，的M值吸为收电I功d 率E。GREM
所以两个电动势同极
性相接时，电流总是
从电动势高的流向低
的，因回路电阻小，
即使是很小的电动势
也能产生大的电流， 使两个电动势之间交换很大的功率。
（3） 逆变产生的条件
以单相全波电路代替上述发电机，给电动机供电。
电路中串入L是为了使电流连续且平衡
➢设 M 作 电 动 机 运 行 ， 全 波 电 路
应工作在整流状态， 在0~π/2
t
ua a
ub
b
Ld
O
uc
c
+ E -
T1 id T2 T3
ud
Ld
R ME +
ud Ud E
t O
ua
ub
uc
t1t2 t3
ug2 ug
t O
d
id
t O
=150o
b = 30o
ug3
ug1
ug2
iT3
iT1
iT2
t Ud E
ug3
ug2
t
Id
iT3 t
从输出电压的波形可以看出，在触
Id
EM Ud R
电路内电能的流向与整流时相反， 电动机输出功率，电网吸收电功率。
电动机轴上输入的机械功率越大，则逆变的功率也越大。为了防止过电流，
也应满足
EM ，UEdM的大小取决于电动机转速的高低，而Ud可通过改变
α来进行调节。
由于逆变时Ud为负值，故在逆变时α的范围为π/2～π间
以单相全控电路代替上述全波电路，给电动机供电时
间，直流侧输出Ud为正值，并且
Ud >EM，这样才能输出Id。其值
为： Id
Ud EM R
因RΣ很小，所以电路经常工
作在 U d EM
条件下，交流电网输出电功率， 电动机则输入电功率。
➢当M作发电回馈制动运行时， 由于晶闸管的单向导电性，Id 方向不变，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 |，这样 才能把电能从直流侧送到交流 侧,实现逆变。这时电流为
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。
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。
iT4
O
Id t
但电路中电能流向与整流时相反，电动机输出功率，为发 电工作状态，电网侧吸收电功率，实现了有源逆变。
从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件：
①要有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致， 其值应大于变流器直流侧平均电压。
②晶闸管的控制角 >π/2 ，使Ud为负值。
两者必须同时具备才能实现有源逆变。 注意：
（2）三相桥式有源逆变电路
与整流工作过程一样，只是触发 角大于90度。
三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的
输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图所示。
u2
ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
O
t
b=
3
b=
4
b=
6
ud uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc
电能由G流向M，转变为M轴上输出的机械能。RΣ为回路总电阻，总为热耗。
➢图b为回馈制动状态，M作发电运转，此时，EM>EG，电流反向，从M流
向G。其值为 I d
EM EG 故M输出电功率，G则吸收电功率，M轴上输 R
入的机械能转变为电能反送给G。
➢图c 两电动势顺向串联，向电阻RΣ供电，G和M均输出 功率，由于RΣ 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。
但a相电压已大于b相电压，T2因承 受反压不可能导通，T1也不能关断， 从而形成短路。
ud
ua
ub
O
b
ug
ug3
ug1
O
T1
id
-
T2
T3 ud
+
Ld
R -
ME +
uc
ua
t2 t1
b＜
u u g2
g3
t
E ug1
t
晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通，造 成逆变失败。
逆变时交流电源缺相或突然消失，由于EM的存在， 晶闸管仍可导通，此时交流侧失去了交流电压，直 流电动势将通过晶闸管使电路短路。
为分析和计算方便，把 > /2时的控制角用 = b表示，b 称为
逆变角。 控制角是以自然换流点作为计量起点的，由此点向右方计量，而逆
变角b和控制角的计量方向相反，其大小自b =0的起始点向左方计
量。
（1）三相半波有源逆变电路
在整流工作状态下，即0< <
/2时，依次触发三个晶闸管，输 O 出电压和电流的波形如图，虽然
(1) 什么是逆变？
逆变——把直流电转变成交流电，是整流的逆过程。
逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。
有源逆变电路——交流侧和电网联接的逆变电路。
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——整流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载上， 将直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载。
P
id Ld
T1
T3
R
u2
ud
电能 -
RMET2源自T4+为实现电动机回馈制动运行，要求
整流电路吸收能量回馈到电网，所以整 流电路直流侧输出电压平均值Ud也必须 反极性，即为负值，（导通角为大于90 度），且E> Ud ，此时电流方向不变，
Id=(E - Ud)/R
N ud
O
Ud t
E
id
iT2 iT4 iT1 iT3 iT2
发角大于90度范围内，输出电压也有正 有负，但平均值总是小于零，且 Ud E 。
所以电路中电流方向不变，但是从E的 正端流出，Ud的正端流入，电能从直流 侧送到交流电源侧。
整流时主要 承受反向电 压，逆变时 主要承受正 向电压，其 承受的最大 正反向电压 均为线电压 峰值即 6U 2
整流状态
中间状态
电路工作在整流状态：
在 0 / 2 的任一时刻触发晶 闸管导通，其整流输出电压平均 值都大于零，在Ud>E的条件下， 电枢回路电流Id=(Ud-E)/R>0，整 流电路输出电能供给电动机，电 动机作电动运行。
电能流向是由交流电网流向 直流电动机。
T1 u2 T2 ud
O
id iT1
O
t O
id
Id
id
iT1
iT2
iT3
iT1
O
t O
如图，在逆变工作状态下，E极性已反，触发角大于90度。
此时变流器输出直流电压平均值为负，且Ud E
ua
ua
如通u，a输01出5但0电有时，压E对的为T存1u在在d ωO使utTa1uu1时bc仍0，刻cab承此触受阶发正TTT段，123 u压d L虽id而储然导RL存d
Id
Ud EM R
注意：逆变时Ud和EM的极性都与整流状态时相反，均为负值。
每个晶闸管导通2/3，故流过晶闸管的电流有效值为：
IVT
Id 3
0.577 Id
从交流电源送到直流侧负载的有功功率为： Pd
R
I
2 d
EM Id
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
ua a
ub b
uc c
ud有正有负，但平均值总是为正， 且略大于E。所以电流从其正端流
出，E的正端流入，电动机作电动 运行，吸收能量，交流电源输出 ud
ua
ub
电能。
t1
O
T1 id
T2
O
Ld
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ud R +
ME -
uc
ud Ud
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t O
=30o
ug
ug1
ug2
ug3
ug1
ug2 ug
2U 2
sin td (t )
3
2
sin
3
cos
1.17U2cos Ud0 cos
Ud0 cos( b ) Ud0 cosb 1.17U2 cosb
在逆变时， b
2
Ud 0
β从π/2减小时，Ud变为负值，并且随着β的减小， Ud
的绝对值逐渐增大，到β=0时， Ud绝对值最大。
t1 t2 t3
O
t
三相半波相控电路输出电压ud 及晶闸管 T1 两端的电压波形
在三相半波有源逆变状态下，晶闸管承受的电压波形与整 流状态下一样，也由三段组成，其中一段为其导通段，另两 段为其阻断状态，每段各占1/3。
三相半波有源逆变电路直流侧输出电压的平均值为
U d
1
2 / 3
2 63 6
直导通到正半周，使电源瞬时电压 与直流电动势顺向串联而造成短路。
ud
a b c
ua
ub
O
ug
ug3
ug1
O
T1
id
-
T2
T3 ud
+
Ld
R -
ME +
uc
ua
t1 t
E
ug2
ug3
ug1
t
ua
同样触发脉冲延迟也会导致换相失败。 ub
a b
o
若T2管触发脉冲由ωt1延迟到ωt2
uc
c
时刻才出现，此时虽然有触发脉冲，
O
P
id Ld
T3
R
ud
电能 +
ME
T4
-
N
Ud
E t
Id iT3 iT2 iT4 iT1 iT3
t
电路工作在逆变状态：
假设电动机做发电机运行（回馈制动），在直流发电机-电动机系统中， 电流流向不受限制，电能反向传送容易实现。
但在此电路中，由于晶闸管的单向导电性， 电路中的电流流向不能改变。要改变电能 传送方向，只能改变电动机输出电压极性， 所以图中E为上负下正。
流电源输送到交流电源。
在三相桥式电路中，每个周期内流经电源的线电流的导通角为4π/3， 是每个晶闸管导通角的2倍，所以变压器二次侧线电流的有效值为：
I 2
2IVT
2 3
I
d
0.816
Id
3.4 逆变失败与最小逆变角的限制
逆变失败（逆变颠覆）
逆变运行时，一旦发生换相失败，外接直流电源就会通过晶闸 管电路形成短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺 向串联，形成很大的短路电流。这种现象称为逆变失败。
1、逆变失败的原因
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。使交流电源电压和直流电动势顺向串联，形成 短路。
ua
ub
o
如图：当T1导通至ωt1时，正常情
uc
况下应触发T2，电流由a相换至b相。
如果此时T2的触发脉冲丢失，则T1
将一直承受正压而不会关断，将一
逆变状态
ud ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
uc
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t1
O
t
=
3
=
2
b=
2
=23
b=3
=56
b=6
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ua
ub
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t1t2 t3
=150o
b = 30o
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t Ud E
输出电压从a相换至ubOg 相，ug1 之后ug2 T3u导g3 通ug，1 如ug2 t
ug
O
ug3
ug1
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此循环下去。
id
Id
id
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iT1
iT2
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能量触ω量，发t3时。和导触E到通一发为ω起T止t2使2，时，T因刻T1继1之的续uuOd后导b导，通通tuu1a角a，，U为uaTb直21承到2Eu0c受下度L释正一。放压相M在能而-UETEd2t
ud
O
导通，T1承受反压而关断=，30o ud ub
在三相整流电路中，带反电动势、阻感负载时，整流输出电压与控制
角之间存在着余弦函数的关系：U d U d 0 cos
在此式中，若α大于π/2 ，则Ud已自动变为负值，所以已满足逆变的一 个条件，若再有一个反向的EM，则完全满足逆变的条件。 所以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。
t1 t2 t3
O
t
b=
3
b=
4
b=
6
三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形
三相桥式电路有源逆变状态时各电量的计算：
输出直流电 压平均值
Ud 2.34U2 cos 2.34U2 cos b 1.35U2L cos b
输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即
对于可控整流电路，只要满足一定条件就可工作于有源逆变状态，此 时电路形式未变，只是电路工作条件转变。这种既工作在整流状态又 工作在逆变状态的整流电路，称为变流电路。
（2） 直流发电机—电动机系统能量的转换
➢由图于aId和M电EG动同运方转向，，E与GE>EM反M，方电向流，I故d从GG输流出向电M功，率Id，的M值吸为收电I功d 率E。GREM
所以两个电动势同极
性相接时，电流总是
从电动势高的流向低
的，因回路电阻小，
即使是很小的电动势
也能产生大的电流， 使两个电动势之间交换很大的功率。
（3） 逆变产生的条件
以单相全波电路代替上述发电机，给电动机供电。
电路中串入L是为了使电流连续且平衡
➢设 M 作 电 动 机 运 行 ， 全 波 电 路
应工作在整流状态， 在0~π/2
t
ua a
ub
b
Ld
O
uc
c
+ E -
T1 id T2 T3
ud
Ld
R ME +
ud Ud E
t O
ua
ub
uc
t1t2 t3
ug2 ug
t O
d
id
t O
=150o
b = 30o
ug3
ug1
ug2
iT3
iT1
iT2
t Ud E
ug3
ug2
t
Id
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从输出电压的波形可以看出，在触
Id
EM Ud R
电路内电能的流向与整流时相反， 电动机输出功率，电网吸收电功率。
电动机轴上输入的机械功率越大，则逆变的功率也越大。为了防止过电流，
也应满足
EM ，UEdM的大小取决于电动机转速的高低，而Ud可通过改变
α来进行调节。
由于逆变时Ud为负值，故在逆变时α的范围为π/2～π间
以单相全控电路代替上述全波电路，给电动机供电时
间，直流侧输出Ud为正值，并且
Ud >EM，这样才能输出Id。其值
为： Id
Ud EM R
因RΣ很小，所以电路经常工
作在 U d EM
条件下，交流电网输出电功率， 电动机则输入电功率。
➢当M作发电回馈制动运行时， 由于晶闸管的单向导电性，Id 方向不变，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 |，这样 才能把电能从直流侧送到交流 侧,实现逆变。这时电流为
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。
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。
iT4
O
Id t
但电路中电能流向与整流时相反，电动机输出功率，为发 电工作状态，电网侧吸收电功率，实现了有源逆变。
从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件：
①要有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致， 其值应大于变流器直流侧平均电压。
②晶闸管的控制角 >π/2 ，使Ud为负值。
两者必须同时具备才能实现有源逆变。 注意：
（2）三相桥式有源逆变电路
与整流工作过程一样，只是触发 角大于90度。
三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的
输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图所示。
u2
ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
O
t
b=
3
b=
4
b=
6
ud uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc
电能由G流向M，转变为M轴上输出的机械能。RΣ为回路总电阻，总为热耗。
➢图b为回馈制动状态，M作发电运转，此时，EM>EG，电流反向，从M流
向G。其值为 I d
EM EG 故M输出电功率，G则吸收电功率，M轴上输 R
入的机械能转变为电能反送给G。
➢图c 两电动势顺向串联，向电阻RΣ供电，G和M均输出 功率，由于RΣ 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。
但a相电压已大于b相电压，T2因承 受反压不可能导通，T1也不能关断， 从而形成短路。
ud
ua
ub
O
b
ug
ug3
ug1
O
T1
id
-
T2
T3 ud
+
Ld
R -
ME +
uc
ua
t2 t1
b＜
u u g2
g3
t
E ug1
t
晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通，造 成逆变失败。
逆变时交流电源缺相或突然消失，由于EM的存在， 晶闸管仍可导通，此时交流侧失去了交流电压，直 流电动势将通过晶闸管使电路短路。
为分析和计算方便，把 > /2时的控制角用 = b表示，b 称为
逆变角。 控制角是以自然换流点作为计量起点的，由此点向右方计量，而逆
变角b和控制角的计量方向相反，其大小自b =0的起始点向左方计
量。
（1）三相半波有源逆变电路
在整流工作状态下，即0< <
/2时，依次触发三个晶闸管，输 O 出电压和电流的波形如图，虽然