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。
换相重叠角对逆变的影响：
c换相到a：VT3换流到VT1。
1
iVT
Id
2
wt
单相双半波电路的整流和逆变
a)
第一节 逆变的概念
产生有源逆变的条件： 1.外部条件： 有直流电动势源存在，直流电势源可以是直流电机的电 枢电势，也可以是蓄电池电势。其极性和晶闸管导通方
向一致，其直流电压值略大于变流器直流侧平均电压。
2.内部条件： 要求晶闸管的控制角a >π/2，使Ud为负值。以实现直流 电源的能量向交流电网的流转。 上述两个条件必须同时具备才能实现有源逆变。
一般通过分析变流器直流侧的电压和电流平均值来分析交流电网究竟是 输出功率还是输入功率。 交流电源与直流电源能量的流转按有功功率Pd=UdId分析： 整流状态：Ud＞0，Pd＞0：表示电网输出功率； 逆变状态：Ud＜0，Pd＜0：表示电网吸收功率。
第二节
晶闸管承受电压：
三相有源逆变电路
变流器中的晶闸管，无论在整流或是逆变状态，其关断时 承受的正向或反向电压峰值均应为线电压的峰值。
g —— 换相重叠角，随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。 q′——安全裕量角
主要针对脉冲不对称程度（一般可达5）。约取为10。
第一节 逆变的概念
逆变（ Invertion ）——把直流电转变成交流电，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——交流侧接在交流电网上，电网成为负载，在运行 中将直流电能变换为交流电能并回送到电网中去。 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——交流侧不与电网联接，而直接接到负载，在运行 中将直流电能变换为某一频率或可调频率的交流电能供给负载。将 在第8章介绍。
图(a)中：M电动运转，EG＞EM
EG E M Id R
整流状态
G 输出电能 EGId ，其中一部分为 R 所消耗的 Id2R ，其余部分则为电源 M
所吸收的EMId。 注意 : 输出电能的 G 的电势方向与电流方向一致，而吸收电能的 M 电势
方向与电流方向相反。
第一节 逆变的概念
回馈制动
第二节
输出电压ud波形：
如图(b)中黑实线所示：
三相有源逆变电路
当π /2﹤α ﹤π 时，输出电压瞬时值 ud在整个周 期内有正有负或者全部为负，负电压面积总是大 于正面积，输出电压的平均值Ud为负值，极性下 正上负。 此时电机端电势ED稍大于Ud ，主回路电流Id方向 依旧，但它从ED的正极流出，从ud的正极流入。
第一节 逆变的概念
二、直流发电机—电动机系统电能的流转
1.电路工作过程分析
G: 直流发电机 M:电动机
控制发电机电动势 的大小和极性， 可实现电动机 四象限的运转状态。
直流发电机—电动机之间电能的流转
a）两电动势同极性EG >EM b）两电动势同极性EM >EG c）两电动势反极性，形成短路
第一节 逆变的概念
1. 触发电路工作不可靠
触发电路不能适时、准确地供给各晶闸管触发脉冲，造成
脉冲丢失或延迟以及触发功率不够，均可导致换流失败。 一旦晶闸管换流失败，势必形成一只元件从承受反向电压 导通延续到承受正向电压导通，Ud反向后将与ED顺向串联， 出现逆变颠覆。
第三节
2.
逆变失败与最小逆变角的限制
晶闸管出现故障，在应该关断的时候丧失了关断能力，而
பைடு நூலகம்应该导通的时候却无法导通。也将导致电路的逆变失败。
第三节
3.
逆变失败与最小逆变角的限制
从逆变电路电流公式
ED U d Id R
可看出，电路在有源逆变状态下，如果交流电源突然断电
或者电源电压过低，上述公式中的 Ud 都将为零或减小，从
而使电流Id增大以至发生电路逆变失败。
第三节
★4.
逆变失败与最小逆变角的限制
单相双半波电路代替上述发电机给电动机供电
交流 电网 输出 电功 率
ud
a
u10
u20
u10 U d>EM
ud
u10
u20
u10
O id=iVT +iVT
1
wt
O id O b)
wt
U d< E M
电动 机输 出电 功率
id O
2
a
iVT
2
iVT
1
iVT
2
iVT
Id
id=iVT +iVT
1
2
1
iVT
wt
第一节 逆变的概念
综上所述，可得出以下结论：
(1) 两电动势源同极性相连，电流从高电势流向低电势，电流大小 取决于两个电势之差与回路总电阻的比值。若回路电阻很小，很小的
电势差也可形成较大的电流，使两电动势源之间发生较大能量的交换。
（EM≈EG ，Id的大小取决于负载） (2) 电流从电源的正极流出，该电源输出电能；而电流从电源的正
第三节
逆变失败与最小逆变角的限制
逆变失败（逆变颠覆）
电路在逆变状态运行时，若出现晶闸 管换流失败，则变流器输出电压与直 流电压将顺向串联，由于回路电阻很 小，将产生很大的短路电流，以至可 能将晶闸管和变压器烧毁。 上述事故称为逆变失败或逆变颠覆。
第三节
逆变失败与最小逆变角的限制
一、 逆变失败的原因
第四章
有源逆变电路
重点和要求
1.理解逆变的概念。 2.理解和掌握三相有源逆变电路的工作原理，数量关系； 逆变失败的原因和最小逆变角的限制。 3.了解其他相关内容。
第一节 逆 变 的 概 念
一、什么是逆变？为什么要逆变？
1. 相对于整流而言，逆变是它的逆过程，一般习惯于称整 流为顺变，则逆变的含义就十分明显了。 同一套电路， 既可以工作在整流状态，也可以工作在逆 变状态，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。 这样的 电路统称为变流装置。
整流时：Ud= Ud0cos a;
逆变时： Ud= -Ud0cos β 。
第二节
一、三相半波逆变电路
1.电路结构
T a b c V1 V2 V3 ＋ ud id ud － uc ua ＋ ED － M L
三相有源逆变电路
T
a b
V1 V2 V3 － ud － ED M ＋ L R
R
c
id ud ua ub uc
整流状态:晶闸管关断时主要承受反向电压； 逆变状态：晶闸管关断时主要承受正向电压。
第二节
三相有源逆变电路
逆变时，其输出电压平均值的计算公式可改写成：
U U o s d d oc
β 从π /2逐渐减小时，输出电压平均值Ud
的绝对值逐渐增大，其符号为负值。
逆变电路中，晶闸管之间的换流完全由触 发脉冲控制，其换流趋势总是从高电压向 更低的阳极电压过渡。这对触发脉冲提出 了格外严格的要求，其脉冲必须严格按照 规定顺序发出，且要保证触发可靠，否则 极容易造成因晶闸管之间的换流失败而导 致的逆变颠覆。
出电压的瞬时值ud有正有负，但正面积总是
大于负面积，输出电压平均值Ud总为正，极 性上正下负，且Ud略大于ED。 电流Id从Ud的正端流出，从ED的正端流入; 能量的流转关系:交流电网输出能量，电机吸收能量以电动状态运行。
第二节
三相有源逆变电路
2）电路的逆变工作状态（π/2＜α＜π）
若此时电动机端电势已反向，下正上负，控制角α =150°，依次触发晶闸管。 ◇ωt1时刻触发a相晶闸管VT1(c→a)： 虽此时ua=0，但因有ED存在，VT1承受ED 仍可 触发导通，并输出ua。VT1被触发导通后， 虽然 ua为负值，因 ED存在且| ED |＞|ua|，VT1仍受正 压而导通。 即使不满足| ED |＞| ua |，平波电感(L→∝)的 存在使主回路电流连续。仍可使VT1承受正压 继续导通。 VT1导电120°后，触发VT2导通，由于此时 ub＞ua，VT1反压关断，完成换相，电路输出 电压为ub。 如此循环往复。
必须指出：
半控桥或有续流二极管的电路，因其不允许直流侧出现负 极性的电动势,整流电压ud也不能出现负值，故不能实现 有源逆变。（欲实现有源逆变，只能采用全控电路）
第二节
1.基本通式：
三相有源逆变电路
波形连续的情况下,整流输出电压与控制角之间存在关系：
U U o sa d d 0c
0 .9 U m 2 ,单 相 双 半 波 ， 单 相 桥 2 m U U s i n 1 .1 7 U m 3 ,三 相 半 波 d 0 2 2 2 m .3 4 U （ .3 5 U ） m 6 ,三 相 桥 21 2 L 2
＋ ua
a u a
ub
0
wt
0
wt a
iV3
id iV1 0 (a) iV2 iV3 iV1
id

iV1 iV2 (b) iV3
wt
0
w t1
wt
(a) 整流工作状态； (b) 逆变工作状态
第二节
三相有源逆变电路
2.工作原理 1）整流工作状态（0＜α＜π/2）
图(a)所示:α =30°时依次触发晶闸管，其 输出电压波形如图黑实线所示。因负载接 有大电感，故电流连续。 对于0＜α＜π/2范围内其它移相角，即使输
能量的流转关系:电机向外输出能量，以发电机状态运行，交流电网吸收能量，电路 以有源逆变状态运行。
第二节
三相有源逆变电路
交流电源与直流电源能量的流转:
晶闸管VT1、VT2、VT3交替导通工作完全与交流电网变化同步，从而可 以保证能够把直流电能变换为与交流电网电源同频率的交流电回馈电网。
能量流转分析方法:
逆变状态：α＞π/2， 而β＜π/2。
第二节
三相有源逆变电路
关于逆变角的几点说明：
1）引入β概念，可使逆变时的Ud公式变为：
U U o s 突出负号 d d 0c
★2）逆变角β和控制角a的计量方向相反，其大小自β=0的起始点 向左方计量。 a的计量方向：自然换相点起，向右计量； β的计量方向：自然换相点 + π起，向左计量。 3） 引入β 后，有：
图(b)中：若由于某种原因，EM＞EG， M发电运转，电流反向
E M EG Id R
逆变状态
M 输出电能，G 吸收电能,M的机械能转变为电能反送给G。
第一节 逆变的概念
图(c)中:G、M反极性相连
E M EG Id R
短路
G和M均输出电能，输出的电能全部消耗在电阻 R上。若电阻值 很小，电路中的电流必然很大；若R=0，则形成G、M短路。
当 >g ， ud 从m（β=0）点向左β角度 触发VT1，换流开始， iT3↘，iT1↗。换流结束时， O ua>uc, VT1 导通，VT3受 反压关断。 id
O ua ub uc ua ub
m
n
wt <g wt
a
i VT
2
g >g
3
g
i VT
2
i VT
i VT
1
i VT
3
当 <g ， 从n（β=0）点向左β角度时刻触发VT1,换流开始，iT3↘，iT1↗。 由于β＜γ，到达n点（β=0），iT3未降至零，VT3并未关断，过n点后VT3阳极电 压高于VT1阳极电压继续导通，而VT1受反压重新关断。 VT3继续导通的结果使变流器从逆变过渡到整流状态，电机电势与变流器输出 电压顺向串联，造成逆变失败。