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电子电力技术教程


第3章 有源逆变电路

第3章 有源逆变电路
3.1 逆变的概念 3.2 三相半波逆变电路 3.3 三相桥式逆变电路 3.4 逆变失败原因分析及逆变角的限制

习题及思考题

第3章 有源逆变电路

3.1 逆 变 的 概 念
3.1.1 整流与逆变的关系?

>前面两章讨论的是把交流电能通过晶闸管变换为直流电能 并供给负载的可控整流电路。但生产实际中,往往还会出现需 要将直流电能变换为交流电能的情况。例如,应用晶闸管的电 力机车,当机车下坡运行时,机车上的直流电机将由于机械能 的作用作为直流发电机运行,此时就需要将直流电能变换为交 流电能回送电网,以实现电机制动。 又如, 运转中的直流电 机,要实现快速制动,较理想的办法是将该直流电机作为直流 发电机运行,并利用晶闸管将直流电能变换为交流电能回送电 网, 从而实现直流电机的发电机制动。

第3章 有源逆变电路

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。下面的有关分析将会说 明,整流装置在满足一定条件下可以作为逆变装置应用。即同 一套电路, 既可以工作在整流状态,也可以工作在逆变状态, 这样的电路统称为变流装置。 ? 变流装置如果工作在逆变状态,其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, 这样的逆变称为“有源逆变”。 ?

如果逆变状态下的变流装置,其交流侧接至交流负载,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, 这样的逆变则称为“无源逆变”或变频电路。

第3章 有源逆变电路 3.1.2 电源间能量的变换关系

R

I

R

I

R

I

E1

E2

E1

E2

E1

E2

(a)

(b)

(c)

图 3-1 两个电源间能量的传送? (a) 同极性连接E1>E2; (b) 同极性连接E2>E1; (c) 反极性连接

第3章 有源逆变电路 图3-1(a)表示直流电源E1 和E2 同极性相连。当E1 >E2 时,

回路中的电流为

E1 ? E2 I? R
式中R为回路的总电阻。此时电源E1输出电能E1I,其中一部分 为R所消耗的I2R,其余部分则为电源E2所吸收的E2I。 注意上述 情况中,输出电能的电源其电势方向与电流方向一致, 而吸收 电能的电源则二者方向相反。

第3章 有源逆变电路 在图3-1(b)中,两个电源的极性均与图3-1(a)中相反,但 还是属于两个电源同极性相连的形式。如果电源E2>E1,则电 流方向如图,回路中的电流I为?

E2 ? E1 I? R
此时,电源E2输出电能,电源E1吸收电能。 在图3-1(c)中,两 个电源反极性相连, 则电路中的电流I为?

此时电源E1和E2均输出电能,输出的电能全部消耗在电阻R上。 如果电阻值很小,则电路中的电流必然很大;若R=0,则形成

E1 ? E2 I? R

两个电源短路的情况。

第3章 有源逆变电路 综上所述, 可得出以下结论: ? (1) 两电源同极性相连,电流总是从高电势流向低电势电源, 其电流的大小取决于两个电势之差与回路总电阻的比值。如果

回路电阻很小, 则很小的电势差也足以形成较大的电流,两电
源之间发生较大能量的交换。 ? (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,若电势或者电流方向改变,则电

能的传送方向也随之改变。 ?
(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3章 有源逆变电路

3.1.3 有源逆变电路的工作原理

Ld V1 V3 +

Id V1 n M V2 重物 V4 V3 -

Ld

Id

Ra ud + ED -

Ra ud + - ED + 重物 (b) M n

V2

V4



(a)

图 3-2 直流卷扬系统? (a) 提升重物; (b) 放下重物

第3章 有源逆变电路 1.整流工作状态(0<α<π/2) 由第1章的学习已知,对于单相全控整流桥,当控制角α

在0~π/2之间的某个对应角度触发晶闸管时,上述变流电路输
出的直流平均电压为Ud=Udo cosα,因为此时α均小于π/2,故 Ud 为正值。在该电压作用下,直流电机转动,卷扬机将重物 提升起来,直流电机转动产生的反电势为ED,且ED略小于输 出直流平均电压Ud,此时电枢回路的电流为

U d ? ED Id ? R

第3章 有源逆变电路 2. 中间状态(α=π/2) 当卷扬机将重物提升到要求高度时,自然就需在某个位 置停住,这时只要将控制角α调到等于π/2的位置,变流器输 出电压波形中,其正、负面积相等,电压平均值Ud为零, 电

动机停转(实际上采用电磁抱闸断电制动),反电势ED也同
时为零。此时,虽然Ud为零,但仍有微小的直流电流存在, 有关波形如图3-3(b)所示。注意,此时电路处于动态平衡状态, 与电路切断、电动机停转具有本质的不同。

第3章 有源逆变电路 3. 有源逆变工作状态(π/2<α<π) 上述卷扬系统中,当重物放下时,由于重力对重物的作用, 必将牵动电机使之向与重物上升相反的方向转动,电机产生 的反电势ED的极性也将随之反相。如果变流器仍工作在α?<

π/2 的整流状态,从上面曾分析过的电源能量流转关系不难看
出,此时将发生电源间类似短路的情况。为此,只能让变流 器工作在α>π/2的状态,因为当α>π/2时,其输出直流平均电

压Ud为负,出现类似图3-1(b)中两电源极性同时反向的情况,
此时如果能满足ED>Ud,则回路中的电流为

ED ? U d Id ? R

第3章 有源逆变电路 电流的方向是从电势ED的正极流出,从电压Ud的正极流 入,电流方向未变。显然,这时电动机为发电状态运行,

对外输出电能,变流器则吸收上述能量并馈送回交流电网
去,此时的电路进入到有源逆变工作状态。 ? 上述三种变流器的工作状态可以用图3-3所示波形表示。 图中反映出随着控制角α的变化,电路分别从整流到中间状 态, 然后进入有源逆变的过程。

第3章 有源逆变电路

ud 0

u1 0

u2 0

u1 0

u2 0 ED

?t ? ?? ??

id 0 (a) ud u1 0 u2 0 u1 0 u2 0

?t

0

?t ?

id 0

?t
(b) u1 0 u2 0 u1 0 u2 0

图 3-3 直流卷扬机系统 的电压电流波形? (a) 整流; (b) 中间状态; (c) 有源逆变

ud

0

ED

?t

id

?

?? ??

0 (c)

?t

第3章 有源逆变电路 现在应深入分析的问题是,上述电路在α>π/2时是否能 够工作?如何理解此时输出直流平均电压Ud为负值的含义?

上述晶闸管供电的卷扬系统中,当重物下降,电动机反
转并进入发电状态运行时,电机电势ED实际上成了使晶闸管 正向导通的电源。当α>π/2时,只要满足Ed>|u2|,晶闸管就 可以导通工作,在此期间,电压ud大部分时间均为负值, 其 平均电压Ud自然为负,电流则依靠电机电势ED及电感Ld两端

感应电势的共同作用加以维持。正因为上述工作特点,才出
现了电机输出能量,变流器吸收并通过变压器向电网回馈能 量的情况。

第3章 有源逆变电路 1) 外部条件? 务必要有一个极性与晶闸管导通方向一致的直流电势 源。 这种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。它是使电能从变流器的直流侧回馈交流电 网的源泉,其数值应稍大于变流器直流侧输出的直流平均 电压。

第3章 有源逆变电路 2) 内部条件? 要求变流器中晶闸管的控制角α>π/2, 这样才能使变流器 直流侧输出一个负的平均电压,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。 ?
必须指出,对于半控桥或者带有续流二极管的可控整流

电路, 因为它们在任何情况下均不可能输出负电压,也不允
许直流侧出现反极性的直流电势,所以不能实现有源逆变。

第3章 有源逆变电路 有源逆变条件的获得,必须视具体情况进行分析。例如 上述直流电机拖动卷扬机系统,电机电势ED的极性可随重物

的“提升”与“下降”自行改变并满足逆变的要求。对于电
力机车,上、下坡道行驶时,因车轮转向不变,故在下坡发 电制动时,其电机电势ED的极性不能自行改变,为此必须采 取相应措施, 例如可利用极性切换开关来改变电机电势ED的 极性, 否则系统将不能进入有源逆变状态运行。

第3章 有源逆变电路

3.2 三相半波逆变电路
T a b c V1 V2 V3 + ud id ud - uc ua + ED M - ud ua ub id uc L R T a b c V1 V2 V3 - ud + ua - ED M + L R

? u a

ub

0

?t

0

?t ?
i V3

id i V1 0 (a) i V2 i V3 i V1

id

?
i V1 i V2 (b) i V3

?t

0

? t1

?t

图 3-4 三相半波共阴极逆变电路及有关波形? (a) 整流工作状态; (b) 逆变工作状态

第3章 有源逆变电路 3.2.1 电路的整流工作状态(0<α<π/2) 图3-4(a)所示电路中,α=30°时依次触发晶闸管,其输出

电压波形如图黑实线所示。因负载回路中接有足够大的平波
电感,故电流连续。对于α=30°的情况,输出电压瞬时值均 为正,其平均电压自然为正值。对于在0<α<π/2范围内的其 它移相角,即使输出电压的瞬时值ud有正也有负,但正面积总 是大于负面积,输出电压的平均值Ud 也总为正,其极性如图

为上正下负,而且Ud略大于ED。此时电流Id从Ud的正端流出,
从ED的正端流入,能量的流转关系为交流电网输出能量, 电 机吸收能量以电动状态运行。

第3章 有源逆变电路 3.2.2 电路的逆变工作状态(π/2<α<π) 假设此时电动机端电势已反向,即下正上负,设逆变电路移 相角α=150°,依次触发相应的晶闸管,如图在ωt1时刻触发a相 晶闸管V1,虽然此时ua=0,但晶闸管V1因承受ED 的作用,仍可

满足导电条件而工作,并相应输出ua相电压。V1被触发导通后,
虽然ua已为负值, 因 ED的存在,且| ED |>|ua|,V1仍然承受正向 电压而导通, 即使不满足| ED |>| ua |,由于平波电感的存在, 释放电能,L的感应电势也仍可使V1承受正向电压继续导通。因 电感L足够大,故主回路电流连续,V1 导电120°后由于V2 的被 触发而截止,V2被触发导通后,由于此时ub>ua,故V1承受反压 关断,完成V1 与V2 之间的换流,这时电路输出电压为ub ,如此 循环往复。

第3章 有源逆变电路

电路输出电压的波形如图3-4(b)中黑实线所示。当α在π/2~ π范围内变化时,其输出电压的瞬时值ud在整个周期内也是有正 有负或者全部为负, 但是负电压面积将总是大于正面积,故输 出电压的平均值Ud为负值。其极性如图为下正上负。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,这时电机向外输出能量,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。因晶 闸管V1 、V2 、V3 的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。一般均采用直流侧的电压和电流平均值来分 析变流器所连接的交流电网究竟是输出功率还是输入功率。这 样,变流器中交流电源与直流电源能量的流转就可以按有功功 率Pd=UdId来分析,整流状态时,Ud>0,Pd>0则表示电网输出 功率; 逆变状态时,Ud <0, Pd <0则表示电网吸收功率。

第3章 有源逆变电路 在整流状态中,变流器内的晶闸管在阻断时主要承受反向 电压, 而在逆变状态工作中,晶闸管阻断时主要承受正向电

压。变流器中的晶闸管,无论在整流或是逆变状态,其阻断时
承受的正向或反向电压峰值均应为线电压的峰值,在选择晶闸 管额定参数时应予注意。 ??

为分析和计算方便,通常把逆变工作时的控制角改用β表
示,令β=π-α,称为逆变角。规定α=π时作为计算β的起点,和α

的计量方向相反,β的计量方向是由右向左。变流器整流工作
时,α<π/2, 相应的β>π/2, 而在逆变工作时, α>π/2而β< π/2。

第3章 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 d ? ?U do cos ? (三相半波时U do ? 1.17U 2? )
β从π/2逐渐减小时,其输出电压平均值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。 这样,对触发脉冲就提出了格外严格的要求,其脉冲必须严格 按照规定的顺序发出,而且要保证触发可靠,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。

第3章 有源逆变电路

3.3 三相桥式逆变电路
3.3.1 逆变工作原理及波形分析
L T V1 a V3 b c V4 V6 V2 + id V5 - R ud

(a)

- ED + M

(a) 电路 图 3-5 三相桥式有源逆变电路及有关波形? (a) 电路; (b) 输入电压; (c) 输出电压

第3章 有源逆变电路
u2

? =60°
ua

ub

uc

ua

(b)

0

?t ?
u ab u ac u b c u b a u ca u cb u ab

ud

(c)

0

?t

图 3-5 三相桥式有源逆变电路及有关波形? (a) 电路; (b) 输入电压; (c) 输出电压

第3章 有源逆变电路

3.3.1 逆变工作原理及波形分析?
三相桥式逆变电路结构如图3-5(a)所示。如果变流器输出 电压Ud与直流电机电势ED的极性如图所示(均为上负下正), 当电势ED略大于平均电压Ud时,回路中产生的电流Id为

ED ? U d Id ? R
电流Id 的流向是从ED 的正极流出而从Ud 的正极流入,即电 机向外输出能量,以发电状态运行;变流器则吸收能量并以交 流形式回馈到交流电网,此时电路即为有源逆变工作状态。

第3章 有源逆变电路 电势ED的极性由电机的运行状态决定,而变流器输出电 压Ud的极性则取决于触发脉冲的控制角。欲得到上述有源逆 变的运行状态,显然电机应以发电状态运行,而变流器晶闸 管的触发控制角α应大于π/2,或者逆变角β小于π/2。有源逆 变工作状态下,电路中输出电压的波形如图3-5(c)实线所示。 此时,晶闸管导通的大部分区域均为交流电的负电压, 晶闸 管在此期间由于ED的作用仍承受极性为正的相电压,所以输

出的平均电压就为负值。

第3章 有源逆变电路 三相桥式逆变电路一个周期中的输出电压由6个形状相 同的波头组成,其形状随β的不同而不同。 该电路要求6个 脉冲,两脉冲之间的间隔为π/3, 分别按照1, 2, 3, …, 6的顺序依次发出,其脉冲宽度应大于π/3或者采用“双窄脉

冲”输出。 ?
上述电路中, 晶闸管阻断期间主要承受正向电压, 而

且最大值为线电压的峰值。

第3章 有源逆变电路

3.3.2 电路中基本电量的计算?
由于三相桥式逆变电路相当于两组三相半波逆变电路的 串联, 故该电路输出平均电压应为三相半波逆变电路输出平 均电压的两倍, 即?

U d ? ?2 ? 1.17U 2? cos ? ? ?2.34U 2? cos ?
式中U2φ为交流侧变压器副边相电压有效值。 输出电流平均值为?

ED ? U d Id ? R

R ? RB ? RD

式中,RB为变压器绕组的等效电阻;RD为变流器直流侧总电阻。

第3章 有源逆变电路 输出电流的有效值为
2 2 I ? Id ? ? I N

式中IN为第N次谐波电流有效值。N的取值由波形的谐波分析展
开式确定。

晶闸管流过电流的平均值为

IVV
晶闸管流过电流的有效值为?

1 ? Id 3

1 IV ? I 3

第3章 有源逆变电路

3.4 逆变失败原因分析及逆变角的限制

电路在逆变状态运行时,如果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并相互加强, 由于回路 电阻很小,必将产生很大的短路电流,以至可能将晶闸管和

变压器烧毁,上述事故称之为逆变失败或叫做逆变颠覆。

第3章 有源逆变电路 造成逆变失败的原因很多, 大致可归纳为以下四个方 面。? 1. 触发电路工作不可靠? 因为触发电路不能适时、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3章 有源逆变电路

2. 晶闸管出现故障? 如果晶闸管参数选择不当,例如额定电压选择裕量不 足, 或者晶闸管存在质量问题,都会使晶闸管在应该阻断 的时候丧失了阻断能力,而应该导通的时候却无法导通。 读者不难从有关波形图上分析发现,晶闸管出现故障也将 导致电路的逆变失败。

第3章 有源逆变电路 3. 交流电源出现异常? 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3章 有源逆变电路 4. 电路换相时间不足? 有源逆变电路的控制电路在设计时,应充分考虑到变压 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,否则将由于逆变角β太小造成换流失败,

从而导致逆变颠覆的发生。现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,电路结构及有关 波形如图3-6所示。

第3章 有源逆变电路 设电路变压器漏电感引起的电流重叠角为γ,原来的逆变 角为β1,触发a相对应的V1导通后,将逆变角β1改为β,且β<γ,

如图所示。这时正好V2和V3进行换流,二者的换流是从ωt2为
起点向左β角度的ωt1时刻触发V3管开始的,此时, V2的电流 逐 渐 下 降 , V3 的 电 流 逐 渐 上 升 , 由 于 β < γ , 到 达 ωt2 时 刻

(β=0),晶闸管V2中的电流尚未降至零,故V2此时并未关断,
以后V2承受的阳极电压高于V3承受的阳极电压, 所以它将继 续导通,V3 则由于承受反压而关断。V2 继续导通的结果是使 电路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。

第3章 有源逆变电路 在设计逆变电路时,应考虑到最小β角的限制,用βmin 角 除受上述重叠角γ的影响外,还应考虑到元件关断时间tq (对

应的电角度为δ)以及一定的安全裕量角θα,从而取?
βmin=γ+δ+θα??

一般取βmin为30°~35°,以保证逆变时正常换流。 一般
在触发电路中均设有最小逆变角保护,触发脉冲移相时, 确

保逆变角β不小于βmin。

第3章 有源逆变电路

ud T La Lb Lc a b c V1 V2 V3 ud id ED M id L 0

ua

ub

uc

ua

? t2 ? t1 ? ?
ia 0 ib ic

? t3 ? ?
(? <? )

?t

?1

(? 1>? )

?t
(b)

(a)

图 3-6 变压器漏抗对逆变的影响? (a) 电路; (b) 输出电流、 电压波形

第3章 有源逆变电路

习题及思考题
1. 区别下列概念: ?
(1) 整流与待整流; (2) 逆变与待逆变; (3) 有源

逆变与无源逆变。?
2. 为什么有源逆变工作时,变流器直流侧会出现负的直流

电压, 而如果变流器带电阻负载或电阻串接大电感负载时却
不能在直流侧出现负的直流电压?

第3章 有源逆变电路 3. 在图3-7中,两个电机一个工作在整流电动机状态, 另 一个工作在逆变发电机状态。 ??

(1) 标出Ud、ED及id的方向; ?
(2) 说明ED与Ud的大小关系; ?

(3) 当α与β的最小值均为30°时, 控制角α的移相范围
为多少?

第3章 有源逆变电路

Ld

Ld

M

M

整流状态

逆变状态

图 3-7 题3图

第3章 有源逆变电路 4. 试画出三相半波共阳极接法、β=60°时的ud 与uT3 (V3 管两端的电压)的波形。 ?

5. 单相全控桥式整流电路带大电感负载时,若已知U2=220
V,负载电阻Rd=10 Ω,求α=60°时电源供给的有功功率、 视 在功率以及功率因数为多少? 6. 有电路如图3-8所示,其中U2=220 V,ED=-120 V,电枢 回路总电阻R=1 Ω。 说明当逆变角β=60°时电路能否进行有源 逆变?计算此时电机的制动电流 ,并画出输出电压波形 。 (设电流连续)

第3章 有源逆变电路

Ld u2 ED + - M

图 3-8 题6图

第3章 有源逆变电路

7. 已知三相全控晶闸管电路中U2=230 V,ED=-290 V,
电枢回路总电阻R=0.8 Ω,若电路工作于逆变状态,而且电流 连续。如允许Idmin=30 A,求βmax并按此选择晶闸管的电流及电 压额定值。


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