有源逆变(远程)

1、第三章 有源逆变将直流电转变成交流电，这种对应 于整流的逆向过程，称“逆变”。有源逆变则指的是将直流电转换成交流电后，再将它反送回交流电网。这里的“源”即指交流电网。如晶闸管控制的电力机车，交流电经可控整流后，供电给直流电机。在正常运行时，从交流电网供给功率来拖动机车；当机车下坡时，直流电机将作为发电机运行，此时发出的直流电能用同一套晶闸管的控制转换成交流电反送回电网。 又如正在运行的电动机，要使它迅速停机，也可让电动机作为发电机运行产生制动，将电机动能转变成电能后反送回电网。有源逆变应用广泛，是研究直流可逆调速系统的基础，也是研究变速恒频电源必须具有的知识，还用于其他方面。晶闸管有源逆变和可

2、控整流电路，常常采用一套电路既作整流又作逆变，在一定条件下相互转化。因此必须注意，在什么条件下是整流，在什么条件下是逆变，在什么条件下可以相互转化。第一节 电能的流转两个直流电电源 和 相连的电路如图3-1（a）所示。现分析其电能如何流转。2E1E设 ，电流I从 流向 ，大小为 式中R为回路总电阻。电源 发出的功率为 ，电源 接收的功率为 ，电阻消耗的功率 。1E2EREEI211E2EIEP11IEP22RIIEEPR221)(21EE 图3-1（b）的情况是两个电源极性都反过来，同时 ，则有电流方向不变，但功率反送。12EE图3-1（c）则为两个电源反极性相连的情况，这时电流大小为 相当于

3、两个电源顺极性串联起来向电阻R供电。REEI21此时两电源都输出功率， ， ，电阻消耗的功 率 。 如果R仅是回路电阻，电流I将很大，此时实际上形成了两个电源的短路。IEP11IEP22IEEPR)(21由以上分析，可以得出几点结论：1.两各电源同极性相连，电流总是从电势高的电源流向电势低的电源，大小决定于两电势之差和回路电阻R。如R很小，虽然两电势之差不大，也可产生足够大的电流，使两电源间交换很大的功率。2.电流从电源正极性端流出者为发出功率，从正极性端流入者为吸收功率。3. 两电源反极性相连时则形成短路，工作中应严防发生。第二节 三相半波逆变电路图3-2示出了三相半波电路，它既 可作整流又

4、可作逆变。为了便于分析问题，1.设电路平波电感L足够大，可认为电流为一水平线。2.忽略电源漏抗，将直流电机电枢电阻和电感分别归算到主回路的电阻和电感中，此时直流电机可看作是无内阻抗的理想电压源。下面从整流状态分析起，具体说明电路工作在整流或逆变状态的条件，看整流和逆变如何转变。一 整流工作状态（ ）每半周期开始以控制角 每隔 依次触发晶闸管 ， ， 。20120aTbTcT输出电压波形示于图3-2（a），其平均值 为正。 dU电流 应有 方向由电路正极性流出，流入电机电势 的正极性。 电机吸收功率，作电动机运行，整流电路则为输出电能。dIDEREUIddd二 中间状态（ ）当增大控制角 ，则电

5、压 波形与横坐标包围的正面积减小，负面积加大，平均值 减小，电动机转速减小。 dudU2/直到 时，理想状态下，如果忽略电阻R，则输出电压 波形的正负面积相等，因而整流电路输 出平均电压为零，电动机反电势 为零，电路电流 为零，电机转速为零，即 电机将停转。 2/du0, 0, 0, 0niEUdDddiDE三 逆变工作状态从电路工作波形来分析 ，由于此时输出电压 波形负面积大于正面积，电路有可能输出负平均电压（图3-2（c）。 )2/(du要实现逆变工作状态应满足条件： 1. ，这是电路的内部条件；2. ，同时 反极性，这是外部条件。2/DEDEdU由于此时 大于 ，电流从电机的电势 正极流

6、出，电机输出功率为发电工作状态；电流流入电路 现在的正极性，然后到了交流电网，即交流电源吸收功率，实现了有源逆变。DEdUdUDE如图（3-2（c）， =150 作例 分析波形和电路工作过程。仍然 每隔120 依次触发管 ， ， 。aTbTcT1.在 时触发 ，虽然此时 =0，但在 作用下， 仍然承受正向电压而导通，此后电路输出负压 。但由于 ，因此 仍导通，且使电感L储能。aTaT1tauaTDEdDuE2.当 以后，由于 其绝对值大小开始大于电机电势 绝对值，因此电感L开始释放能量，仍能使晶闸管承受正向电压而继续维持导通，电流 方向不变。2taduu DEdi3. 时触发晶闸管 ，因为此

7、时 ，所以 导通，b相通， 管承受反压而关断。晶闸管在 换相时承受反向电压为两相电压 之差，即线电压，这点与整流时 一样。3tbTabuu bTaT3.逆变时电流的大小为 决定于电机转速， 可调节控制角 改变其大小。为了防止过大电流，可以调节 通过控制 来控制电流大小。RUEIdDdDEdUdU三相半波电路，在整流和逆变范围内，如电感L足够大而使电流 波形连续，则每个晶闸管导通120 。di故不管控制角 为何值，直流输 出电压 与 角的关系从输出电 压 波形不难求出 (3-1) 此时 。式（3-1）是 一条余弦曲线。 6562)()sin(2321tdtUdUcoscos17. 102dUUd

8、Udu2017. 1UUd对于其它电路，它们的输出电压 与控制角 的关系仍服从式（3-1），只是 与电源电压有效值 的比值不同，见图（3-3）。dU0dU2U直流电机电势的极性必须改变才 能完成有源逆变。 对于不可能有负压输出的电路， 如桥式半控电路或有续流二极管 的电路，均不可能实现有源逆变。四 晶闸管的电压波形图3-4中分别画出了控制角为 /3， /2，2 /3和5 /6时输出电压 的波形和晶闸管 两端的电压 波形。 duaTTau可见，在整流状态，晶闸管不导通时主要承受反向电压；而在逆变工作时，晶闸管未导通时主要承受正向电压。 晶闸管承受的最大正向或最大反向电压均为线电压峰值 。lU22

9、五 逆变角为了分析和计算方便，通常把逆变工作时的控制角用 表示，称“逆变角”。规定 时， = 0 ， 而 ， = 。逆变时， 在 之间，对应于 在 之间。2/02/全逆变时晶闸管也在自然换向点 换相，此时输出负压最大，然后向左，即以与控制角 计量相反的方向计量逆变角 大小。逆变状态输出电压平均值可写成 (3-2) 可见，当 =0时，输出电压平均值 达到负最大值。 cos0ddUUdU六 对触发电路的要求现在以 和 为例，来说明整流和逆变两种工作状态对触发脉冲的不同要求。工作波形见图3-5。60601. 对于整流状态，一套触发脉冲 电路可以同时供给三个晶闸 管 ， ， 。2. 对于逆变工作状态，

10、则只能依 次触发晶闸管 ， ， 。aTbTcTcTbTaT如 时，见图3-5(a)，应换相到b相，此时b相电压最高，可以保证顺利换向。现在a相c相电压均低，与之相连的晶闸管虽被供给触发脉冲，但不会导通。1t如 时，见图3-5（b），由a相换流到b相，此时只能触发 ，因为此时 ，再要像整流状态那样将触发脉冲同时供给三个晶闸管是不行的。aT2tcbuu u三相半波逆变电路，接线比较简单，所以元件也少，但容量和动态响应均较桥式线路为差。第三节 三相桥式逆变电路一 三相桥式逆变电路工作原理三相桥式整流电路，如果工作时满足实现有源逆变的两个条件，就称为三相桥式逆变电路。三相桥式电路工作时，晶闸管必须成对

11、导通。每个晶闸管导通角为2 /3，每隔 /3换流一次，元件仍按 顺序依次导通。bcabcaTTTTTT设晶闸管 和 已经导通， 1. 时触发 ，此时a相电压高于c相， 导通， 承受反压而关断，直流侧输出 ，且为负压cTbT3/1taTaTcTabu电流 从 正极性流出经 流入 b相，再由a相流出，经 回到 负极，电能从直流电源流向交流电源。2. 时触发 ，由于此时c相电压 低于b相电压，因此 导通而 关 断， 和 形成通路，直流侧输 出 ，且有 0。 2tcTcTbTaTcTacuacudIDEDEbTaT时触发 ，使 和 形成通路输出 。如此循环下去，实现了有源逆变。在一个周期内，输出电压脉

12、动六次，因而波形中最低次谐波为六倍基频，电压的纹波因数较三相半波为小。3tbTbTcTbcu二 电参数计算逆变电路的参数计算与整流相似。设电路内电流连续，其输出负平均电压 为 （3-3） 或 （3-4） dUcos34. 22UUdcos35. 12ldUU直流电流平均值为 （3-5） 其中 变压器次级绕组电阻； 电路直流侧包括电机电枢电阻在内的总电阻。输出电压 和电机电势 的极性和整流时相反。式（3-5）中 和 均为负值。REUIDddDBRRRBRDRdUdUDEDE输出电流有效值I，应等于 （3-6） 式中 纹波电流有效值； 第n次谐波电流有效值。222,nRRdIIIIIRInI当把I

13、理解为等效直流电流大小时，不难得到流过每个晶闸管的有效电流 和平均值电流 分别为 （3-7） （3-8）TITavITavI3)(213202ItdIIT3/I交流电源送到直流侧的有功功率为： 逆变时， 为负值，则一般 也 为负值，表示功率从直流电源送到 交流电源。dDdIEIRP2DEdP从线路和工作波形可知，三相桥式电路电流每周期内流通时间为 ，为每个晶闸管导通角 的两倍。因此变压器次级线电流有效值为 （3-9）3/43/2TII22I32三相电源的视在功率 功率因数仍为IUSl22SPd/cos第第 二十五二十五 讲讲主讲教师：王念春主讲教师：王念春例 三相桥式电路中， ，工作于逆变状态

14、， ， ，设电流连续。计算：输出电流平均值输出电流有效值晶闸管电流有效值交流电源端功率因数,8 . 0 RVUl2302VED2906/,5mHL解：6/cos23035. 1cos35. 12ldUUV269AREUIDdd3 .268 . 0269290) 1 (由图2-25可得 则六次谐波电流有效值可得 17. 0226lUC2/12322/12226)1055026(8 . 023017. 0)6(17. 0LRUIlA13. 4（2）六次谐波电流有效值已明显小于 ，故忽略六次以上高次谐波分量，由式（3-6）可求出电流有效值 （3）晶闸管电流有效值dIAI6 .2613. 43 .26

15、22AIIT4 .1533 .263（4） 负号表示功率送给交流电源，电路工作于逆变状态。 故 dDdIEIRP23 .26)290()6 .26(8 . 02W31006. 7VAIUSl321065. 86 .2623022816. 01065. 81006. 7cos33第四节 逆变失败和控制角的限制在整流电路中，如触发不可靠造成丢失脉冲，其后果可能是某相无电压输出或全无输出，造成停止供电。而在逆变电路中，如触发不可靠，将使换相失败，形成交流与直流两电源的顺极性串联，造成短路而使逆变失败，称“逆变颠覆”。一.逆变失败以三相半波为例，图3-7（a）表示当丢失触发脉冲时的工作波形。在 时，应

16、有触发脉冲触发晶闸管 使 a 相导通 ，设此时触发脉冲丢失， 将继续导通，直到后来输出电源电压正半周期时，形成与电势 的顺极性串联，即短路。bT1taTDE图3-7（b）是触发脉冲延迟出现的情况。在 时应有触发脉冲触发 使b相导通，由于触发电路故障，结果到 时才触发 ，此时 ，a相电压已变得高于b相电压，结果b相的 将承受反压而不能导通，而 将继续导通，a相继续输出直到出现正半波时，形成与 顺极性串联的短路。1t2taTbTbT0bTDE二.最小逆变角逆变时允许的最小逆变角 为 其中 换相重叠角； 晶闸管关断时间折合成 的电角度； 安全裕量角。minminmin在正常运行时，应有 可以估算 大小。)/sin(21cos2minmUXIBdmin第第 二十六二十六 讲讲主讲教师：王念春主讲教师：王念春必须考虑裕量角 ，因为有些因素不可能那么理想，如触发脉冲给出的时间不可能很准确等。对于中小功率直流拖动系统， 可取 ， 则可取 。10min3530在晶闸管的可逆直流拖动系统中，对 也限定有 ，一般取 。minminmin例题在三相半波可控整流电路中