第五章 DC-AC变换电路 有源部分

iVT
1
wt Ud<EM a
iVT
2
id=iVT +iVT
1
iVT
2
iVT
Id
2
1
iVT
O a)
wt
1
iVT
Id
2
O b) ¼ Í 2-45
wt
电力电子技术
d
VT2 电能 2 ud u10 u20 iVT
2
M EM +
u10
输出电压为：
Ud
O id
wt
Ud<EM
a
1
a
2U 2 sin wtd(wt ) 0.9U 2 cos a
a
O
U d 1.17U 2 cos
• 注意触发时刻的确定 • 各个波形的画法ud uVT1
• 实现有源逆变的条件：1 电 机电动势的方向与电流方向 一致，2 数值上大于Ud，3 且逆变角小于90度
wt E
Ud
iT1 O uab u VT
1
wt
u ac 120 o uac
O u ab
wt
1 L
+
+

1 0
VT1 iVT VT2
1
L ud ç Ü µ Ä id R M EM n +

+ M EM 2 电功率：电动机－＞交流电网 iVT 2 ç Ü µ Ä
并且|EM|>|Ud|，才能把电能从 u10 iVT id R 1 0 ud 直流侧送到交流侧，实现逆变 u VT2
20
2 ud u10 u20
1 0 VT2 2 ud u10 u20 iVT
2
EM=Ceφ n
VT1 iVT
1
L
ud
id
R
n
-
+
ç Ü µ Ä
M EM +
+
+
u10
电机输出电 功率
O
逆变状态
图5-2 单相全波电路的整流和逆变
wt Ud<EM
电力电子技术
整流状态分析
图5-2a ，全波电路工作在 整流状态，M电动运行

• 必须同时满足以上条件时，才能把直流功率逆变 为交流功率反送电网。 • 【思考】接续流二极管的电路，是否可以实现有 源逆变？
1 0 VT2 2 iVT VT1 iVT L
1
ud
id
R M EM +
2
电力电子技术
单相桥式变流电路
• 变流器工作于整流状态（ 0 a 2 ）
Ud 0 , Ud E E 0
把a > /2时的控制角用 a = 表示， 称为逆变角。 逆变角和控制角a的计量方向相反，其大小自 =0的 起始点向左方计量。
电力电子技术
1. 2 三相半波有源逆变电路
• 当右侧电路满足哪些条 件时，可以实现有源逆 变？ • 注意ud、E、id方向。 • 平均电压Ud大小
T u2 a b VT2 c ud ua ub uc VT1 ud VT3 + L E M M + id
O O
O id
wt Ud<EM a
iVT
2
id=iVT +iVT
1

逆变时a在π/2~ π间
1 2
iVT
iVT
iVT
Id
2
1
iVT
wt
1
iVT
Id
2
O b) 图5-2 b
wt
逆变过程：卷扬机下放重物. a)
¼ Í 2-45
电力电子技术
逆变产生的条件 ▲
1 外部条件 VT1 iVT L 1 0 VT2 2 ud Ud>EM O id u10 u20 iVT
+
+ 电力电子技术
c）为两电源反极性连接，此时电流大小为
I ＝（ E2 ＋E1 ）/ R
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：PR＝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。
+ -
+
电力电子技术
+ -
+ -
+
-
+
当R很小时，可在两个电源间交换很大的能量
• 由晶闸管VT1两端的电压波形可以看出，在整流 状态，晶闸管阻断时主要承受反向电压，而在逆 变状态，晶闸管阻断时主要承受正向电压。
电力电子技术
图5-3 三相半波电路的逆变波形
电力电子技术
1.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态
不同逆变角时的输出电压波形
u2 ua ub uc ua ub uc ua ub uc ua ub O
a
iVT
2
id=iVT +iVT
1
2
iVT
1
iVT
Id
2
O b)
wt
因为控制角a 大于90° Ud < 0
2-45
180o a ，称为逆变角 •为了计算方便，我们令
•则
U d 0.9U 2 cos a 0.9U 2 cos 180 0.9U 2 cos
o
电力电子技术
u2 a b VT2 c VT3 ud R id L VT1
ud Ud
wt
a=0
u2 ua ub uc ua
•影响：输出电压平均值 下降。
O
wt
电力电子技术
1.3 逆变失败与最小逆变角的限制
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。 晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。 交流电源缺相或断电，导致Ud=0，EM短路。 换相的裕量角不足，引起换相失败。
电源E2 吸收功率 P2＝E2I 电阻R上消耗的功率 PR＝P1－P2＝ I2 R PR为两电源功率之差。
电力电子技术
b) 两电源同极性相连，极性与(a)图相反
E2＞E1
电流从E2正极流出，流入E1正极，大小为 I ＝（ E2 －E1 ）/ R 在此时电源E2输出功率，E1吸收功率，电阻R仍 然消耗两电源功率之差，即PR＝P2－P1＝ I2 R 。
逆变的特点：能量流动方向发生了变化，由直 流侧流向交流侧。
电力电子技术
•
根据逆变输出交流电能去向分类：
1. 有源逆变 ——交流侧和电网连结，将直流 电功率返送回电网。
• 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，高压直流输电等
2. 无源逆变 ——以用电器为负载，交流侧接 负载；将直流电变为某一频率或可调频率的 交流电供给负载
1 0 u10 u20 VT2 VT1 iVT
1
L ud ç Ü µ Ä iVT
2
id
R + M EM Ud>EM
a 在0~π/2 间,Ud为正值
且Ud >EM，才能输出Id Ud –EM=Id*R 交流电网 －＞ 电动机
ud
2
n
a
u10
u20
u10
电功率： 例如：卷扬机提升重物 a改变，可以调速。
U d EM R
每个晶闸管导通2/3，故流过晶闸管的电流有效值为： 从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：
2 Pd R I d E M I d 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：
I
2
3 逆变失败与最小逆变角的限制
电力电子技术
要求及重点
• 理解和掌握： – 有源逆变电路的工作原理 • 了解：有源逆变的应用
• 重点：有源逆变的条件
电力电子技术
1 逆变的概念
1) 什么是逆变？ 逆变（Invertion） —把直流电转变成交流电，整流的逆过程
如：电车下坡行驶，机车的位能转变为电 能，反送到交流电网中去
• 变频器，交流电动机的变频调速
•
不间断电源、感应加热电源等。
电力电子技术
2) 两电源间的能量传递
a) E1 E2 时 b) E2 E1 时 c) 电源反极性 相连
逆变产生的条件
逆变失败
电力电子技术
a)
当E1＞E2时
电流大小 I ＝（E1－E2）/ R
方向 E1－>E2
+ -
+ -
电源E1 输出功率 P1＝E1I

2 I VT
2 3
I
d
0.816 I d
电力电子技术
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。
+ + 电力电子技术
整流电路 缺相或脉冲丢失
【例】三相半波可控整 流电路，大电感负载， 如a相触发脉冲丢失，试 画出控制角为0°时的输 出电压波形。
电力电子技术
一、三相半波有源逆变电路
• 1、三相半波逆变波形（图5-3波形）
– α＜π/2的范围内，Ud波形的正面积大于负面积，则Ud ＞0，工作在整流状态，Id从Ud的正端流出，电网输出 功率。 – α=π/2时，Ud的正面积等于负面积，处于临界状态。 – α＞π/2的范围内，Ud波形的正面积小于负面积，则Ud ＜0，工作在逆变状态，Id从Ud的负端流出，电网输入 功率。
3
=
4
=
6
图5-4 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形
电力电子技术
1.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态
有源逆变状态时各电量的计算： U d 2.34U 2 cos 1.35U 2 L cos
输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即 I d
IVT Id 3 0.577 I d
2
VT1 iVT
1
L ud ç Ü µ Ä id R M EM +

a
id R 必须要有一个能够提供能 1 0 ud u20 VT2 量的直流电源 + u10 M EM 2 极性与直流电流方向一致 iVT ç Ü µ Ä
d
u10
电压值要大于Ud值 u20 u10
2
-
u10
内部条件
O
d
变流电路控制角 a 必须在 wt π/2~π之间，使直流端电压 iU VT +iVT d=i 的极性与整流时相反。 2 d 1
iVT
2
a
u10
u20
u10 Ud>EM
图5-2 b
u10
电力电子技术
逆变状态分析—电压波形角度

Id u10 iVT id 送方向，只能改变EM极性R 1 0 u
u20 VT2
d
L 1 方向不变，欲改变电能的输
VT1
1 0
VT1 iVT VT2
1
源自文库
L ud ç Ü µ Ä id R M EM n +
电力电子技术
1.1 逆变的概念
3) 逆变产生的条件
晶闸管变流装置的输出电压 －> E1 直流电机的反电动势 －> E2 变流装置与直流电机之间进行能量交换
1 0 u10 u20 VT2 2 ud iVT u20
2
VT1 iVT
1
L u+
d
1 id R + M EM Ud>EM
VT1 iVT VT2

+ ç Ü µ Ä 改变EM极性，只需改变n的方 M EM 2 iVT 向(E=Ceφn)，且|EM | > |Ud- | 2 ud
2 ud u10 u20
iVT
2

Ua 可通过改变a来进行调节 U >E d
d
u10
u20
u10
u10
M
当a>π/2时，Ud为负值；此时 wt 晶闸管在EM 的作用下，仍能 i 够导通d=iVT1+iVT2 id
wt = =
u cb u ab u ac u bc u ba u ca
3
4
=
u cb u ab u ac u bc u ba u ca
6 u cb u ab u ac u bc
u d u ab u ac u bc u ba u ca
w t1 w t2 w t3
O
wt
=
《电力电子技术》
第五章 DC-AC变换电路
电力电子技术
表 0-1 电力变换的种类
输出 输入 交流 直流
直流 整流 Rectifier
直流斩波 Chopper
交流
变频、变相、变压
逆变 Inverter
电力电子技术
2
第一节 有源逆变的基本原理
1 逆变的概念及工作原理 2 三相整流电路的有源逆变工作状态
+ -
+
一般是不允许这种情况发生的。
电力电子技术
电源间能量的流转关系：
1. 电流从电源正极端流出，则该电源输出功率 电流从电源正极端流入，则该电源吸收功率 2. 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. 两个电源反极性连接时，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。
O id=iVT +iVT
1
wt
id O
2
iVT
1
iVT
2
iVT
Id
1
wt
a)
图5-2a
¼ Í 2-4 电力电子技术
逆变状态分析—电路能量转换角度

晶闸管单向导电－> Id方向不变 欲改变电能的输送方向，需要 改变EM极性（n方向） 为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 VT1
电力电子技术
单相桥式变流电路
• 变流器工作于逆变状态（ 2 a ）
Ud 0 , E 0 Ud E
电力电子技术
逆变和整流的区别：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。
逆变时有关波形与参数的计算，与整流时类似
1
L ud ç Ü µ Ä
+0
n
ud
+id
R M EM +
ç µ Ü - Ä
u10
2 u20
iVT
-
2
a
u10
交流电网输 出电功率
u10
u10
整流状态
O
O
图5-2 单相全波电路的整流和逆变
wt
wt Ud<E 电力电子技术 M
1.1 逆变的概念
3) 逆变产生的条件
晶闸管变流装置的输出电压 －> E1 直流电机的反电动势 －> E2 变流装置与直流电机之间进行能量交换