有源逆变电路

3.5 有源逆变电路
一、 逆变的概念
逆变：把直流电变成交流电的过程。
UPS
逆变
逆变分类
有源逆变
直流电
交流电

电网
逆变类型
无源逆变
DC — AC
AC — DC — A C
直流电

交流电
负载
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。
变压器漏感对整流电路影响的一些结论:
出现换相重叠角g ，整流输出电压平均值Ud降低。 整流电路的工作状态增多。 晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通。 有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。 换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可 能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。
Id 6U 2 [cos cos( g )] 2X B 2X BId cos cos( g ) 6U 2
6
g 随其它参数变化的规律： （1） Id越大则g 越大； （2） XB越大g 越大； （3） 当 ≤90时， 越小g 越大。
3.6 变压器漏感对整流电路的影响
dik dik ua ub ud ua LB ub LB dt dt 2
换相压降——与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值 降低的多少。
dik 1 g 56 3 g 56 U d ( u u ) d ( w t ) [ u ( u L )]d(wt ) 5 5 b d b b B 2 / 3 6 2 6 dt
思考题
◆ 单相桥式全控整流电路和单相桥式半控整流电路有什么不同。 ◆在加续流二极管前后，单相桥式全控整流电路中晶闸管两端的 电压波形如何?
3.8 知识拓展---整流电路谐波分析
谐波分析目的

40多年来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、
交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，由此带来的谐波（harmonics）和无 功（reactive power）问题也日益严重，引起了越来越广泛的关注。 许多电力电子装置要消耗无功功率，如相控整流电路中，为了改善电动机负载的
Id X B 2U 2
2I d X B 2U 2
2X B I d 6U 2

m
注：①单相全控桥电路中，环流ik是从-Id变为Id。本表所 列通用公式不适用； ②三相桥等效为相电压等于 的6脉波整流电路， 3U3 2U 2 故其m=6，相电压按 3U 2 3U 2 代入。
3.6 变压器漏感对整流电路的影响
E Ud I R
Ud :受能 E : 施能
R：耗能
2. 有源逆变产生的条件



Q掷向1：α Ⅰ＜ 90°，整流工 作。 UdⅠ上正下负，电动机作电 动运行，反电势E上正下负。 Q快速掷向2：若α Ⅱ＜ 90°， UdⅡ下正上负，反电势E上正下负， 两电源顺极性相连，相当于短路 事故 。 Q掷向2：应使α Ⅱ＞ 90°， UdⅡ 极性为上正下负，且使︱Ud ︱＜︱E︱ 。此时电动机供给能 量，运行在发电状态，晶闸管装 置吸收能量送回电网。
ud

uα
ub
uc
O id ic O iα ib ic iα Id
wt
g
wt
图3-29 考虑变压器漏感时的 三相半波可控整流电路及波形
3.6 变压器漏感对整流电路的影响
换相重叠角——换相过程持续的时间，用电角度g表示。 换相过程中，整流电压 ud 为同时导通的两个晶闸管所对 应的两个相电压的平均值。
换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。
3.7 任务实施——可控整流电路测试
1.单相半波可控整流电路测试
2.单相桥式半控整流电路测试
3.单相桥式全控整流电路测试及有源逆变电路测试 4.三相半波可控整流电路测试
5.三相半波有源逆变电路测试
6.三相桥式半控整流电路测试
3.7 任务实施——可控整流电路测试

工作条件，通常要串接平波电抗器，使装置的功率因数降低，并产生谐波。由于
公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害， 世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的 规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把电
网谐波电压控制在允许范围内，使接在电网中的电气设备能免受谐波干扰。
为防止逆变失败，应限制最小逆变角
3.5 晶闸管的有源逆变工作状态
3.最小逆变角β确定的方法
最小逆变角β的大小要考虑以下因素： (1) 换相重叠角γ（ 15°～25°） (2) 晶闸管关断时间 tq 所对应的电角度δ：约 4°～ 6° (3) 安全裕量角θ′：一般取θ′为10°左右

综上所述，最小逆变角为：
思考题
◆ 单相桥式半控整流电路在什么情况下会发生失控现象? ◆在加续流二极管前后，单相桥式半控整流电路中晶闸 管两端的电压波形如何?
3. 单相桥式全控整流电路
★ 采用THPDD实训台、双踪示波器、万用表、数字表等进行实训。 ★ 单相交流电源采用220V，触发电路采用TCA785集成触发。 ★ 绘制单相桥式全控整流电路原理图。 ★ 连接实际接线图。 ★ TCA785触发电路原理的学习与调试。 ★ 调节电位器RP1 、RP2观察触发角变化并记录。 ★ 用示波器观察单相桥式全控整流电路负载两端电压的波形随触发角变化的情况。 ★ 单相桥式全控整流电路带电阻性负载时Ud/U2= f(α )特性的测定。 ★ 单相桥式全控整流电路带阻感负载时续流二极管作用的观察。 ★ 总结测试结论。
由上式得：
dik 6U 2 5 sin( wt ) dwt 2X B 6
进而得出：
ik
wt
5 6

6U 2 6U 2 5 5 sin( wt )d(wt ) [cos cos(wt )] 2X B 6 2X B 6
3.6 变压器漏感对整流电路的影响
由上述推导过程，已经求得： wt 6U 2 6U 2 5 5 ik 5 sin( wt )d(wt ) [cos cos(wt )] 6 2X B 6 6 2X B 5 当 wt g 时，ik I d，于是
二、有源逆变工作原理 1. 能量关系
Ud
M
可用两个电源相连来反映问题
二、有源逆变工作原理
1. 能量关系
I + _ R I + _ + _ R _ _ R I _ + +
Ud
整流
E
Ud
短路
E
Ud
E
有源逆变
+
Ud E I R
Ud: 施能 E: 受能
Ud E I R
R：耗能
反极性相连， 相当于两个电 源串联短路， 应避免
3.6 变压器漏感抗对整流电路的影响
考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感 可用一个集中的电感LB表示。 现以三相半波为例，然后将其结论推广。 VT1换相至VT2的过程：
因α 、b两相均有漏感，故iα 、 ib均不能突变。于是VT1和VT2 同时导通，相当于将α 、b两 相短路，在两相组成的回路中 产生环流ik。 ik=ib是逐渐增大的， 而iα =Id-ik是逐渐减小的。 当ik增大到等于Id时，iα =0， VT1关断,换流过程结束。
3 2

g
5 6
5 6
di 3 LB k d(wt ) dt 2

Id
0
wLBdik
3 X BId 2
3.6 变压器漏感对整流电路的影响
换相重叠角g的计算
dik (ub ua ) 2 LB dt 6U 2 sin( wt 2 LB 5 ) 6
三、有源逆变应用电路
1. 单相有源逆变电路（以单相全控桥接电动机负载为例）
整 流
逆 变
2. 三相有源逆变电路（三相半波接电动机负载）
Ud = -1.17U2cosβ
Id E U R
图3-26 三相半波有源逆变电路原理
3.5 晶闸管的有源逆变工作状态
图3-27 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时
★ 连接实际接线图。
★ TCA785触发电路原理的学习与调试。 ★调节电位器RP1 、RP2观察触发角变化并记录。
★ 用示波器观察单相桥式半控整流电路负载两端电压的波形随触发角变化
的情况。 ★ 单相桥式半控整流电路带电阻性负载时Ud/U2= f(α )特性的测定。 ★ 单相桥式半控整流电路带阻感负载时续流二极管作用的观察。 ★ 总结测试结论。
★ 总结测试结论。
思考题
(1)单结晶体管触发电路的振荡频率与电路中电容C1 的数 值有什么关系? (2)单相半波可控整流电路接电感性负载时会出现什么现象? 如何解决?
2. 单相桥式半控整流电路
★ 采用THPDD实训台、双踪示波器、万用表、数字表等进行实训。 ★ 单相交流电源采用220V，触发电路采用TCA785集成触发。 ★ 绘制单相桥式半控整流电路原理图。
图3-25 单相桥式电路的 整流和逆变原理

逆变角β =180 °—α
Ⅱ
2、有源逆变产生的条件
实现有源逆变的条件可归纳如下：
1) 变流装置的直流侧必须外接有电压极性与晶闸管导 通方向一致的直流电源E，且E的数值要大于Ud
2) 变流器必须工作在β＜ 90°（α＞ 90°)区间，使 Ud＜ 0，才能将直流功率逆变为交流功率返送电网 3)为了保证变流装置回路中的电流连续，逆变电路中 一定要串接大电抗 注意： 半控桥或有续流二极管的电路，不能实现有源逆变。欲实 现有源逆变，只能采用全控电路。
变压器漏抗对各种整流电路的影响
各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算
电路形式
单相 全波
XB
单相全 控桥
2X B
U d

Id

Id
三相 半波 3X B Id 2
2X B I d 6U 2
三相全 控桥
3X B
m脉波 整流电路
mX B ① Id 2
Id X B 2U 2 sin
②

Id
cos cos( g )
min δ γ θ 30 ~ 35
' 0
0
换相重叠角的影响：
当 >g 时，换相结束时，晶 闸管能承受反压而关断。
ud uα ub uc uα ub
O
p
wt <g wt

id O i VT
2
g >g
3
g
i VT
2
i VT
i VT
1
i VT
3
图3-28 交流侧电抗对逆变换相过程的影响 如果 <g 时（从图3-28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。

因此，在电力电子装置接入电网前，必须做谐波分析，弄清楚谐波分布和注入电 网的谐波值，以便制定谐波治理方案（如设计滤波器等），使电力电子装置能满 足标准所规定的允许值。
1. 单相半波可控整流电路
★ 采用THPDD实训台、双踪示波器、万用表、数字表等进行实训。 ★ 单相交流电源采用220V，触发电路采用单结晶体管触发。 ★ 绘制单相半波可控整流电路原理图。 ★ 连接实际接线图。 ★ 单结晶体管触发电路的调试。 ★ 单结晶体管触发电路各点电压波形的观察并记录。 ★ 用示波器观察可控半波整流电路负载两端电压的波形随触发角变化的情况。 ★ 单相半波整流电路带电阻性负载时Ud/U2= f(α )特性的测定。 ★ 单相半波整流电路带电阻电感性负载时续流二极管作用的观察。
不同逆变角的电压波形
3.5 晶闸管的有源逆变工作状态
四、逆变失败与最小逆变角限制 1.逆变失败

变流器工作在有源逆变状态时，若出现输出电 压平均值与直流电源E顺极性串联，必然形成很 大的短路电流流过晶闸管和负载，造成事故。 这种现象称为逆变失败，或称为逆变颠覆。
3.5 晶闸管的有源逆变工作状态
2.造成逆变失败的原因： (1) 触发电路工作不可靠。不能适时、准确地给各晶闸 管分配触发脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等。 (2) 晶闸管发生故障。器件失去阻断能力，或器件不能 导通。 (3) 交流电源异常。在逆变工作时，电源发生缺相或突 然消失而造成逆变失败。 (4) 换相裕量角不足，引起换相失败。应考虑变压器漏 抗引起的换相重叠角、晶闸管关断时间等因素的影响。