汽车电力电子及电力驱动-6

1、有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-0 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-1 什么是逆变？为什么要逆变？什么是逆变？为什么要逆变？ 逆变（逆变（invertioninvertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过把直流电转变成交流电，整流的逆过 程。程。 v 实例：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送实例：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送 到交流电网中去。到交流电网中去。 逆变电路逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。把直流电逆变成交流电的电路。 v 有源逆变电路有源逆变电路交流侧和电网连结。交流侧和电网连结。 应用：直流可逆调速应

2、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。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。 v 无源逆变电路无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，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。既可工作在整其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整 流状态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。流状态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院

3、4-2 一、一、 1 1、直流发电机、直流发电机电动机系统电能的流转电动机系统电能的流转 图a M电动运转，EGEM，电流Id从G流向M，M吸收 电功率。 图b 回馈制动状态，M作发电运转，此时，EMEG， 电流反向，从M流向G。故M输出电功率，G则吸收电功 率，M轴上输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R 供电，G和M均输 出功率，由于R 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。 c) b)a) MGMGMG E G E M I d R E G E M I d R E G E M I d R 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-

4、3 2、变流电路变流电路 电动机系统电能的流转电动机系统电能的流转 用单相全波电路代替上述发电机用单相全波电路代替上述发电机 a) b) 图2-45 R + - 电能 M 1 0 2 u10 u20 ud id L VT1 VT2 u10udu20u10 O Ot t Id id UdEM EM 电能 M R + - 1 0 2 ud id L VT1 VT2 u10 ud u20u10 O Ot t Id id Ud E EM M，才能输出 ，才能输出I Id d。 交流交流 电网电网 输出输出 电功电功 率率 电动机输入电动机输入 电功率电功率 电电 动动 机机 输输 出出 电电 功功 率

5、率 交流电网输交流电网输 入电功率入电功率 图图b M回馈制动，由于晶闸管的单向导电性，回馈制动，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，方向不变，欲改变电能的输送方向， 只能改变只能改变EM极性。为了防止两电动势顺向串联，极性。为了防止两电动势顺向串联，Ud极性也必须反过来，即极性也必须反过来，即Ud应为应为 负值，且负值，且|EM | |Ud |，才能把电能从直流侧送到交流侧，才能把电能从直流侧送到交流侧,实现逆变。实现逆变。 U Ud d可通过改变可通过改变 来进行调节，逆变状态时来进行调节，逆变状态时U Ud d为负值，为负值， 逆变时逆变时 在在 /2 /2 之之

6、间。间。 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-4 3 3、实现有源、实现有源逆变的条件逆变的条件 从上述分析中，可以归纳出要实现有源逆变，从上述分析中，可以归纳出要实现有源逆变， 必须满足下列条件：必须满足下列条件： （1 1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一 致，其值大于变流器直流侧平均电压。致，其值大于变流器直流侧平均电压。 （2 2）晶闸管的控制角）晶闸管的控制角 /2/2，使使U Ud d为负值。为负值。 半控桥或输出端有续流二极管的电路，因其半控桥或输出端有续流二极管的电路，因其 整流电压整流电压u ud d不能出现负值，

7、也不允许直流侧出不能出现负值，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。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。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-5 4、改变电枢电势改变电枢电势 E 极性的方法极性的方法 （1）某些机械能随着工况的不同自动改变）某些机械能随着工况的不同自动改变E的的 极性极性 （如直流卷扬机）。（如直流卷扬机）。 （2）改变励磁电流方向。改变励磁电流方向。 （3）反接电枢回路。反接电枢回路。 在可逆拖动系统中，通常采用两套变流器在可逆拖动系统中，通常采用两套变流器 相互切换。

8、相互切换。 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-6 5、逆变角、逆变角 为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆 变角变角 （或称引前触发角）（或称引前触发角）表示相控角度。表示相控角度。 规定：规定： 角计算的起始点为控制角角计算的起始点为控制角 = 处，处， 计算方法为：自计算方法为：自 = （ = 0 ）的起始点）的起始点 向左方计量。向左方计量。 、 的关系：的关系： = 或或 = 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-7 二、二、单相桥式有源逆变电路单相桥式有源逆变电路 1、变流器工作于、变流器工作于整流状态（整流状态

9、（ 0 2 ） Ud 0 , E 0，Ud E，M工作于电动状态工作于电动状态 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-8 2、变流器工作于、变流器工作于逆变状态（逆变状态（ 2 ） 电动机工作于发电状态，由于电动机工作于发电状态，由于Id方向不能改变，方向不能改变， 因而要求：因而要求： E 0 （反极性），（反极性），Ud 0 （反极（反极 性）性）且且 Ud E 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-9 3、单相桥式电路逆变电压的计算、单相桥式电路逆变电压的计算 变流器直流侧电压计算公式变流器直流侧电压计算公式 考虑换相重叠角考虑换相重叠角 其它的电量，如负载电

10、流平均值、晶闸管电流平均值其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值 和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路 的计算原则进行的计算原则进行 。 cosU9 . 0 cos0.9UU 2 2d d B I x 2 cosU9 . 0U 2d 2 2 2 coscos( U Ix ) dB 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-10 4.14.1 有源逆变电路的工作原理（概念）有源逆变电路的工作原理（概念） 4.34.3 有源逆变的应用有源逆变的应用 4.44.4 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数 4.64.6

11、 变流电路的功率因数及改善方法变流电路的功率因数及改善方法 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-11 一、一、 三相半波有源逆变电路三相半波有源逆变电路 1、变流器工作于、变流器工作于整流状态（整流状态（ 0 2 ） Ud 0 , E 0， Ud E， M工作于电动状态工作于电动状态 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-12 2、变流器工作于、变流器工作于逆变状态（逆变状态（ 2 ） 电动机工作于发电状态，由于电动机工作于发电状态，由于Id方向不能改变，因而要求：方向不能改变，因而要求： Ud 0 （反极性）（反极性） , E 0 （反极性）（反极性） Ud E

12、 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-13 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-14 3、三相半波电路逆变电压的计算、三相半波电路逆变电压的计算 变流器直流侧电压计算公式变流器直流侧电压计算公式 考虑换相重叠角考虑换相重叠角 其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和 有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计 算原则进行算原则进行 。 cosU17. 1 cos U1.17U 2 2d d B I x 2 3 cosU17. 1U 2d 2 6 2 co

13、scos( U Ix ) dB 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-15 1、变流器工作于、变流器工作于逆变状态（逆变状态（ 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-16 2、三相桥式电路逆变电压的计算、三相桥式电路逆变电压的计算 变流器直流侧电压计算公式变流器直流侧电压计算公式 考虑换相重叠角考虑换相重叠角 其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值 和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路 的计算原则进行的计算原则进行 。

14、 cosU34. 2 cos2.34UU 2 2d d B I x 3 cosU34. 2U 2d 2 6 2 coscos( U Ix ) dB 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-17 1、定义：、定义： 逆变运行时，一旦发生换相失败，使整流逆变运行时，一旦发生换相失败，使整流 电路由逆变工作状态进入整流工作状态，电路由逆变工作状态进入整流工作状态， Ud又重新又重新变成正值变成正值，使输出平均电压和直，使输出平均电压和直 流电势变成流电势变成顺向串联顺向串联，外接的直流电源通，外接的直流电源通 过过SCR电路形成短路，这种情况称为电路形成短路，这种情况称为逆变逆变 失败失

15、败，或称为，或称为逆变颠覆逆变颠覆。 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-18 （1）触发脉冲丢失）触发脉冲丢失 T2的触发脉的触发脉 冲冲Ug2丢失丢失 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-19 （2）触发脉冲延迟）触发脉冲延迟 T2的触发脉的触发脉 冲冲Ug2延迟延迟 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-20 （3）晶闸管发生故障）晶闸管发生故障（指晶闸管失去阻断能力（指晶闸管失去阻断能力 或失去导通能力）或失去导通能力） T3失去阻断失去阻断 能力能力 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-21 （4）换相的裕量角不足）换相的

16、裕量角不足 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-22 （5）交流电源发生异常现象，如）交流电源发生异常现象，如 交流电源突然断电交流电源突然断电 交流电源电压太低交流电源电压太低 交流电源缺相交流电源缺相 不论什么原因，逆变失败的后果都是造成电流不论什么原因，逆变失败的后果都是造成电流 急剧上升！急剧上升！ 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-23 （1）预防措施）预防措施 采用可靠的触发电路；采用可靠的触发电路； 选用可靠的选用可靠的SCR，防止误导通；防止误导通； 逆变角逆变角 不能太小，必须限制在某一允许不能太小，必须限制在某一允许 的最小角度内。的最小角

17、度内。 （2）保护措施保护措施：装装快速熔断器或快速开关；快速熔断器或快速开关； 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-24 （1）最小逆变角）最小逆变角 min = + + : SCR的关断时间的关断时间 tq 折合的电角度，折合的电角度， 叫恢复阻断角，叫恢复阻断角， = tq : 换相重叠角（约为换相重叠角（约为15 20 ） : 安全裕量角（一般取安全裕量角（一般取10 ） tq约为约为200300 s，折算成电角度，折算成电角度约约4 5 最小最小角一般可取角一般可取30 35 。 角越大，逆变越可靠，但功率因数越低！角越大，逆变越可靠，但功率因数越低！ 有源逆变 20

18、21-8-1 云南机电职业技术学院4-25 三相全控桥式整流电路接阻感反电势负载。已知整流变三相全控桥式整流电路接阻感反电势负载。已知整流变 压器副边线电压压器副边线电压 UAB=220V，交流侧电感，交流侧电感LB=0.5mH， R=2，E= -290V， =150，=100 ，Ld足够大，足够大， 求直流端电压、电流和交流电源的功率因数求直流端电压、电流和交流电源的功率因数KP。 解：交流侧电抗为解：交流侧电抗为 输出直流平均电压为输出直流平均电压为 输出电压又可表示为输出电压又可表示为 所以所以 )(157. 0105 . 0100 3 BB Lx d B AB ddd I x U UU

19、U 2 6 150cos35. 1 cos 0 ERIU dd )(5 .259290226.15 )(26.15 15. 02 2 .257290 2 6 150cos35. 1 ) 2 6 (150cos35. 1 VERIU A x R UE I x RIUE dd B AB d B dAB 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-26 负载侧的功率为负载侧的功率为 负载功率为负值，表明负载侧实际是供出电能回馈到电负载功率为负值，表明负载侧实际是供出电能回馈到电 网的。网的。 Pd又可解为又可解为 所以交流电源的功率因数为所以交流电源的功率因数为 )(396026.155 .

20、259WIUP ddd )(396026.155 .259 26.15)29. 22 .257()cos( 0 W IUUIUP dddddd 83. 0 77.4744 3960 22026.15 3 2 3 3960 S P K d P 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-27 三相半波整流电路如图例三相半波整流电路如图例4.2所示，已知电动机处于稳定所示，已知电动机处于稳定 的发电制动状态，滤波电抗的发电制动状态，滤波电抗Xd足够大，输出电流连续足够大，输出电流连续 而平直，电枢回路总电阻而平直，电枢回路总电阻Ra0.5 ，电机端压，电机端压Ua 220V，变压器副边相电

21、压，变压器副边相电压U2220V，交流侧换流电抗，交流侧换流电抗 XB0.21 。试完成下列要求：。试完成下列要求： 1阐明图中整流器输出电压阐明图中整流器输出电压U Ud d和电和电 动机端电压动机端电压U Ua a的极性；的极性； 2 2阐明变流器控制角的调节范围；阐明变流器控制角的调节范围； 3 3如何调节电动机的制动强度？如何调节电动机的制动强度？ 4 4当制动电流当制动电流I Ia a103A103A时，系统向时，系统向 交流电网回馈的功率有多大？此时变交流电网回馈的功率有多大？此时变 流器的逆变角为多少？流器的逆变角为多少？ 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-28

22、 解：解： 1. 由于电机处于稳定的再生制动状态，电动机向交由于电机处于稳定的再生制动状态，电动机向交 流电网回馈电能流电网回馈电能 ，且晶闸管不能逆向导通电流，据此，且晶闸管不能逆向导通电流，据此 可以确定整流器输出电压可以确定整流器输出电压Ud和电动机端电压和电动机端电压Ua的极性的极性 为下为下“+”上上“-”。 2. 逆变工作时控制角的理论范围是逆变工作时控制角的理论范围是 ，为，为 防止逆变颠覆，控制角防止逆变颠覆，控制角 有最大值的限制，即逆变有最大值的限制，即逆变 角有最小值角有最小值 限制。限制。 受换流电流、交流侧换相电抗受换流电流、交流侧换相电抗 及元件关断时间的影响，应具

23、体情况具体分析。根据及元件关断时间的影响，应具体情况具体分析。根据 一些典型系统的运行经验，一些典型系统的运行经验， 大约在大约在350左右。因此逆左右。因此逆 变工作时控制角的范围大致是变工作时控制角的范围大致是 。 3. 通过调节通过调节 角来调节制动强度，当角来调节制动强度，当 较大时，变流较大时，变流 器输出逆变电压较小，制动电流大，制动力就强，反器输出逆变电压较小，制动电流大，制动力就强，反 之亦然。之亦然。 18090 max min min min 。 15090 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-29 解：解：4 VRIUU aaad 5 .1685 . 01

24、03220 kWIUP add 36.171035 .168 VI x UU a B d 5 .168 2 3 cos17. 1 2 Ba xIU, 2 1 .52 负号说明电网吸收电功率负号说明电网吸收电功率 代入代入 得得 ： 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-30 4.14.1 有源逆变电路的工作原理有源逆变电路的工作原理 4.24.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路 4.44.4 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数 4.64.6 变流电路的功率因数及改善方法变流电路的功率因数及改善方法 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-31 高压直流

25、输电高压直流输电 两组晶闸管变流器的交流侧分别与两组晶闸管变流器的交流侧分别与 两个交流系统两个交流系统u u1 1、u u2 2连接，变流器连接，变流器 的直流侧相互关联。的直流侧相互关联。 通过分别控制两个变流器的工作状态，通过分别控制两个变流器的工作状态， 就可控制功率的流向。就可控制功率的流向。 在送电端，变流器工作于整流工况，在送电端，变流器工作于整流工况， 在受电端变流器工作于逆变工况。在受电端变流器工作于逆变工况。 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-32 绕线式异步电动机晶绕线式异步电动机晶 闸管串级调速系统闸管串级调速系统 转子在不同的转速下感应出转差频转子在

26、不同的转速下感应出转差频 率的电压，经一组不控的三相桥式率的电压，经一组不控的三相桥式 变流器变成直流电压，变流器变成直流电压， 此电压再经一组全控桥式变流器实此电压再经一组全控桥式变流器实 现有源逆变，把电能（转差功率）现有源逆变，把电能（转差功率） 馈送回电网中去，馈送回电网中去， 改变逆变角的大小，即可改变馈送回改变逆变角的大小，即可改变馈送回 电网电能的多少，从而达到改变电机电网电能的多少，从而达到改变电机 转速的目的。转速的目的。 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-33 直流可逆电力拖动直流可逆电力拖动 系统系统 第一象限，变流器第一象限，变流器的控制角的控制角 1

27、900，Ud1E，整流状态，整流状态， 电机正转电动运行；电机正转电动运行； 第二象限，变流器第二象限，变流器的控制角的控制角 900，Ud E，有源逆变状态，有源逆变状态， 电机正转发电制动机运行；电机正转发电制动机运行； 第三象限，变流器第三象限，变流器的控制角的控制角 900， Ud E，整流状态，电，整流状态，电 机反转电动运行；机反转电动运行； 第四象限，变流器第四象限，变流器的控制角的控制角 1 900，Ud1E，有源逆变状态，有源逆变状态， 电机反转发电制动运行。电机反转发电制动运行。 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-34 4.14.1 有源逆变电路的工作原理

28、（概念）有源逆变电路的工作原理（概念） 4.24.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路 4.34.3 有源逆变的应用有源逆变的应用 4.64.6 变流电路的功率因数及改善方法变流电路的功率因数及改善方法 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-35 任何周期性波形都可以分解为任何周期性波形都可以分解为直流分量直流分量、正弦正弦 波基波分量波基波分量和一系列频率为基波整数倍的和一系列频率为基波整数倍的谐波谐波 分量分量。 整流电路的谐波包括：整流电路的谐波包括： 变流器变流器直流侧直流侧谐波谐波 交流交流电源侧电源侧谐波谐波 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-36

29、在（在（ m m） 傅立叶级数分析傅立叶级数分析 ud 以以2 m为周期为周期 tUudcos2 2 mkn ndd tnbUucos ) 2 cos() 2 (coscos m n tn m tntn 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-37 因此因此 在整流输出电压中，谐波级次在整流输出电压中，谐波级次 n 一定是脉波数一定是脉波数 m 的整数倍。的整数倍。 根据根据傅立叶级数分析傅立叶级数分析 结果结果 mkn m mn ttdntU m b coscos2 / 1 2 mkn dd tn n k Uu cos 1 cos2 1 2 0 有源逆变 2021-8-1 云南机

30、电职业技术学院4-38 两相半波电路（两相半波电路（m=2） 三相半波电路三相半波电路（m=3） . 75 6cos2 53 4cos2 31 2cos2 1 2 sin 2 2 2 ttt Uud . 108 9cos2 75 6cos2 42 3cos2 1 3 sin 3 2 2 ttt Uud 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-39 三相桥式电路三相桥式电路（m=6） 脉波数（相数）的增加使谐波中最低次谐波的脉波数（相数）的增加使谐波中最低次谐波的 频率增加，同时其幅值迅速减少。频率增加，同时其幅值迅速减少。 增加整流器的脉波数增加整流器的脉波数 m ，对减少直流侧谐

31、波、对减少直流侧谐波、 改善输出波形质量有重要的作用。改善输出波形质量有重要的作用。 . 1917 18cos2 1311 12cos2 75 6cos2 1 6 sin 6 2 2 ttt Uud 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-40 空载直流电压的空载直流电压的 n 次谐波的有效值次谐波的有效值 整流器输出直流电压中的谐波分量，将随延整流器输出直流电压中的谐波分量，将随延 迟角迟角 的增大而显著上升。的增大而显著上升。 222 0 2 )( sincos 1 2 nU n U dnd 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-41 对于理想的对于理想的 m 脉

32、波整流器，则在交流侧只有下脉波整流器，则在交流侧只有下 列级次的谐波电流：列级次的谐波电流： = mk 1 每个谐波电流分量的幅值为基波电流的每个谐波电流分量的幅值为基波电流的 1 / ， 即谐波电流分量的大小与其频率成反比。即谐波电流分量的大小与其频率成反比。 实际应用中，当需要比较精确的检测变流器交实际应用中，当需要比较精确的检测变流器交 流侧谐波电流时，必需同时考虑到脉波数流侧谐波电流时，必需同时考虑到脉波数 m、 延迟角延迟角 和重迭角和重迭角 三个参数的影响。三个参数的影响。 有源逆变 2021-8-1 云南机电职业技术学院4-42 4.14.1 有源逆变电路的工作原理（概念）有源逆变电路的工作原理（概念） 4.24.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路 4.34.3 有源逆变的应用有源逆变的应用 4.44.4 整流电路的谐波和功率因