第四章、有源逆变电路.

1、四、四、 有源逆变电路有源逆变电路4.1 逆变的概念逆变的概念1) 什么是逆变？什么是逆变？逆变（逆变（Invertion）把直流电转变成交流电，把直流电转变成交流电，整整流的逆过程流的逆过程。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。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：直流可逆调速系统、交流绕线转子异应用：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。步电动机串级调速以及高压直流输电等。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变流电路的交流侧不与电网联 接，接，而直接接到负而直接接到负 载，将在第

2、载，将在第8章介绍。章介绍。对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆对于可控整流电路，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，称为作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路变流电路。2) 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a）两电动势同极性）两电动势同极性EG EM b）两电动势同极性）两电动势同极性EM EG c）两电动势反极性，形成短路）两电动势反极性，形成短路电路过程分析。电路过程分析。两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向两个电动势同极

3、性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。直流电机的直流电机的发电反馈制动状态：发电反馈制动状态： 电源电压突减使电源电压突减使n n0 0 ，或位能性负载使，或位能性负载使nn，nnnn0 0，E EMMEEG G，电机发出功率，能量的传递方向逆转。直流电源吸收功率。电机发出功率，能量的传递方向逆转。直流电源吸收功率。 0nTLTnn位能性负载使 nn0R+MGEaIME_PGobacknABCTLT电源电压突减3) 逆变产生的条件逆变产生的条件单相全波电路代替上述发单相全波电路代替上述发电机电机电动

4、状态：电动状态：UdEM， 900，Id从从EM正端流入正端流入，R+dIME_P+_dUREUIMdd 3) 逆变产生的条件逆变产生的条件单相全波电路代替上述发电机单相全波电路代替上述发电机R+dIME_P+_dUDC电机的倒发电制动状态：电机的倒发电制动状态：由于由于SCR的单导性，的单导性，Id方向不变，应使方向不变，应使Ud与与EM同时都反极性，同时都反极性， =9001800，并且，并且， | Ud| /2，使Ud为负值。注意：注意：半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud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。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。产生逆

5、变的条件：产生逆变的条件：（两条件同时具备）（两条件同时具备）4.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路逆变和整流的区别逆变和整流的区别：控制角 不同 0 /2 时，电路工作在整流状态。 /2 /2时的控制角用 = b b表示，b b 称为逆变角逆变角。逆变角b b和控制角 的计量方向相反，其大小自b =0的起始点向左方计量。 ME+RLdI+dU三相全控桥电路三相全控桥电路三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2ud

6、wtOwtOb =4b =3b =6b =4b =3b =6wt1wt3wt2输出直流电流的平均值222.34cos1.35cosdLUUUbb 每个晶闸管导通2 /3，故流过晶闸管的电流有效值为：ddVTIII577. 03功率平衡关系：2MddddEIUIRI在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：ddVTIIII816.03222有源逆变状态时各电量的计算：有源逆变状态时各电量的计算：RUEIdMd4.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败逆变失败（逆变颠覆） 逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸

7、管电路电路短路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联顺向串联，形成很大，形成很大短路电流短路电流。触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相，冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相，使使UdUd变正，变正，顺向串联顺向串联。 晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。使使UdUd的正弦的正弦片段延续到正半周，正面积增大。片段延续到正半周，正面积增大。交流电源缺相或突然消失，

8、交流电源缺相或突然消失，SCRSCR仍可导通，交流侧仍可导通，交流侧失去对直失去对直流电动势流电动势E EMM的平衡作用的平衡作用， E EMM的上负下正，经的上负下正，经SCRSCR形成短路。形成短路。换相的裕量角不足，引起换相失败。换相的裕量角不足，引起换相失败。换流重叠角换流重叠角 的影响的影响。1) 逆变失败的原因逆变失败的原因换相重叠角的影响：换相重叠角的影响：当当b b 时，换相时，换相结束时，晶闸管结束时，晶闸管能承受反压而关能承受反压而关断。断。如果如果b b 时时，该通的晶闸管（，该通的晶闸管（VT2）会关断，而应关断的晶）会关断，而应关断的晶闸管（闸管（VT1)不能关断，最

9、终导致逆变失败。不能关断，最终导致逆变失败。 udOOidwtwtubucuaubucpbb iVT1iVTiVT3iVTiVT3222) 确定确定最小逆变最小逆变角角b bmin的依据的依据逆变时允许采用的最小逆变逆变时允许采用的最小逆变角角b b 应等于应等于b bmin=d d + +q qd d 晶闸管的关断时间晶闸管的关断时间tq折合的电角度折合的电角度 换相重叠角q q安全裕量角tq大的可达200300ms，折算到电角度约45。随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。主要针对主要针对脉冲不对称程度（一般可达脉冲不对称程度（一般可达5 ），），值约

10、值约取为取为10 。 换相重叠角的确定：换相重叠角的确定：1) 查阅有关手册查阅有关手册 （举例如下）（举例如下）整流电压整流电压整流电流整流电流变压器容量变压器容量短路电压比短路电压比Uk% 220V800A240kV。A5%15 20 2) 参照参照整流时整流时 的计算方法的计算方法0coscos()dBdmI XU根据逆变工作时根据逆变工作时 ，并设，并设 ，上式可改写成，上式可改写成bb0cos1dBdmI XU这样，这样， b bmin一般取一般取30 35 。4.4 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统晶闸管可控整流装晶闸管可控整流装置带

11、直流电动机负载组成的系统。置带直流电动机负载组成的系统。是电力拖动系统中主要的一种。是电力拖动系统中主要的一种。是可控整流装置的主要用途之一是可控整流装置的主要用途之一。 对该系统的研究包括两个方面：对该系统的研究包括两个方面：其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。整流电路工作于整流电路工作于整流状态整流状态和和逆变状态逆变状态时电动机时电动机的工作情况存在较大区别。的工作情况存在较大区别。 4.4 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统 如果忽略电动机的电枢电感，直

12、流侧也不串入如果忽略电动机的电枢电感，直流侧也不串入平波电感，则平波电感，则只有当晶闸管导通相的交流电压瞬时只有当晶闸管导通相的交流电压瞬时值大于反电动势时才有电流输出值大于反电动势时才有电流输出。此时负载电流是。此时负载电流是断续的，这对整流电路和电动机负载的工作都是不断续的，这对整流电路和电动机负载的工作都是不利的，实际应用中要尽量避免出现利的，实际应用中要尽量避免出现负载电流断续负载电流断续的的工作情况。工作情况。整流波形4.4.1 整流状态时的工作情况整流状态时的工作情况 通常在电枢回路串联通常在电枢回路串联平波电抗器平波电抗器，减缓负载，减缓负载电流的脉动，保证整流电流在较大范围内连

13、续。电流的脉动，保证整流电流在较大范围内连续。DC回路3） 带反电动势负载时的工作情况带反电动势负载时的工作情况idOEudwtIdOwtqd212sinUEdGoback三相半波整流带电动机负载，且加平波电抗器时，三相半波整流带电动机负载，且加平波电抗器时， 整流电路的整流电路的直流电压平衡方程直流电压平衡方程为为 R = ，将，将 视为视为换相压降的等换相压降的等效直流电阻效直流电阻。RB为为变压器的等效电阻变压器的等效电阻，它包括，它包括变压器二次绕组本身的电阻以及一次绕组电阻变压器二次绕组本身的电阻以及一次绕组电阻折算到二次侧的等效电阻；折算到二次侧的等效电阻； RM为为电枢内阻电枢内

14、阻； U为为晶闸管本身的晶闸管本身的管压降管压降，它基本上是一恒值。，它基本上是一恒值。UIREUdMd23BMBXRR23BXDC回路 dUdIRLME图4-9 整流状态下的直流侧等效回路Goback整流波形 电动机系统有两种工作状态：电动机系统有两种工作状态：负载电流较大时的负载电流较大时的电电流连续流连续工作状态；电流较小时的工作状态；电流较小时的电流断续电流断续工作状态。工作状态。1. 电流连续时电动机的机械特性电流连续时电动机的机械特性 三相半波整流电路，三相半波整流电路，反电动势特性方程反电动势特性方程为为 转速与电流的机械特性转速与电流的机械特性关系式为关系式为 晶闸管导通压降一

15、般为晶闸管导通压降一般为1V左右，可以忽略，从而做左右，可以忽略，从而做出不同出不同 时时n与与Id的关系。其机械特性与由直流发电的关系。其机械特性与由直流发电机供电时的机械特性是相似的，是一组平行的直线。机供电时的机械特性是相似的，是一组平行的直线。 UIRUEdMcos17. 12edeCUIRCUncos17. 12nKnCEeeM DC回路线性特性三相全控桥整流电路电动机负载时的机械特性三相全控桥整流电路电动机负载时的机械特性方程：方程： 可画出可画出以电流表示的电动机机械特性以电流表示的电动机机械特性。一般表达式：一般表达式： EM n，Id T，对应于不同对应于不同 角，也可得角，

16、也可得nT机机械特性曲线。械特性曲线。在在 角一定的情况下，角一定的情况下，Ud一定，随着负载的加一定，随着负载的加重，转速重，转速n下跌，下跌，反电势反电势EM降低降低， Id增大，进增大，进入稳态，因而导致对应的稳态转速入稳态，因而导致对应的稳态转速n也下跌。也下跌。 deeICRCUncos34. 22RIUEddM)(线性特性DC回路 KenoGoback2.电流断续时电动机的机械特性电流断续时电动机的机械特性 由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动机的负载减小时，平波电抗器中的机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减电感储能减小小，致使电流不

17、再连续，此时电动机的机械特，致使电流不再连续，此时电动机的机械特性也就性也就呈现出非线性呈现出非线性。 电流断续时电动机机械特性的第一个特点电流断续时电动机机械特性的第一个特点: 当当电流断续时，电动机的理想空载转速抬高。电流断续时，电动机的理想空载转速抬高。 v 由三相半波电路电流连续时反电动势表达式，当由三相半波电路电流连续时反电动势表达式，当 =60 ，Id=0时，设对应的反电动势为时，设对应的反电动势为 ， 其值为其值为 0E220585. 060cos17. 1UUUEd非线性特性非线性特性 图4-10 电流断续时电动势的特性曲线Gobackv实际上，当实际上，当Id减小至某一定值减

18、小至某一定值Idmin以后，电流变为以后，电流变为断续，真正的理想空载点远大于此值，因为此时晶断续，真正的理想空载点远大于此值，因为此时晶闸管触发导通时的闸管触发导通时的相电压瞬时值相电压瞬时值为为 。v考虑考虑直流等效回路直流等效回路，左侧电源为脉动直流电压，左侧电源为脉动直流电压ud波波形，形，最大瞬时值最大瞬时值为为 ，并且由于整流器件的单向，并且由于整流器件的单向导电性，回路电流导电性，回路电流Id的方向是固定的，的方向是固定的，只有当反电只有当反电动势动势EM等于脉动直流电压等于脉动直流电压ud的最大峰值时，电流才的最大峰值时，电流才能完全等于零能完全等于零，否则，只要，否则，只要E

19、M比比ud的最大峰值略小的最大峰值略小一点，就总是存在断断续续的电流脉冲。因此一点，就总是存在断断续续的电流脉冲。因此 才是才是实际的理想空载点实际的理想空载点。 22U22U22UDC回路整流波形非线性特性 Gobackv 只要只要 ，u ud d的最大峰值总是的最大峰值总是 ，所以电动机的实际，所以电动机的实际空载反电动势都是空载反电动势都是 。v 当当 以后，以后，u ud d的脉动峰值减小，实际空载反电动势也将的脉动峰值减小，实际空载反电动势也将减小减小 。 机械特性的第二个特点：在电流断续区内电动机的机机械特性的第二个特点：在电流断续区内电动机的机械特性变软，具有非线性特性，即负载电

20、流（或转矩）械特性变软，具有非线性特性，即负载电流（或转矩）变化很小也可引起很大的转速变化。变化很小也可引起很大的转速变化。v 设整流控制角设整流控制角a a一定，由于轻载时电流断续，各晶闸管的导通一定，由于轻载时电流断续，各晶闸管的导通角角 ，u ud d波形将发生变化，直线波形将发生变化，直线E E以下的部分作用时间缩以下的部分作用时间缩短，短，负面积减小负面积减小，平均面积，平均面积U Ud d比电流连续时的计算值升高，比电流连续时的计算值升高，在在电流连续的条件下得出的电流连续的条件下得出的U Ud d计算公式不再适用计算公式不再适用。在负载所要求。在负载所要求的平均电流的平均电流I

21、Id d一定的情况下，反电势一定的情况下，反电势E EMM也将比连续时升高。负也将比连续时升高。负载越轻，电流越小，电流断续就越明显，因而上述情况越加严载越轻，电流越小，电流断续就越明显，因而上述情况越加严重，特性越软。重，特性越软。 6022U22U 60120q特性曲线整流波形特性曲线 图4-11 考虑电流断续时不同 时反电动势的特性曲线（1 2 3 460）Gobackl电流断续区范围大小的影响因素：电流断续区范围大小的影响因素：v 电流断续区的范围取决于平波电感电流断续区的范围取决于平波电感L L的大小，的大小，L L越大，断续区的越大，断续区的范围就越小。范围就越小。整流输出电压整流

22、输出电压u ud d是脉动的，可分为两部分：是脉动的，可分为两部分：直流分量直流分量U Ud d，和和交流分量交流分量。交流电流分量的大小主要取决于直流侧的回路电。交流电流分量的大小主要取决于直流侧的回路电感，特别是平波电感感，特别是平波电感L L的大小。的大小。电感越大，电流中交流分量电感越大，电流中交流分量就越小就越小。整流电压的交流分量虽然较大，但电流中的交流分量与直流整流电压的交流分量虽然较大，但电流中的交流分量与直流分量分量I Id d相比一般是很小的。由于直流分量相比一般是很小的。由于直流分量I Id d的大小由负载轻的大小由负载轻重来决定，当负载减小时，相应电流的交流分量的影响就

23、越重来决定，当负载减小时，相应电流的交流分量的影响就越显著。当负载小到一定数值致使整流电流中显著。当负载小到一定数值致使整流电流中交流分量的峰值交流分量的峰值大于平均电流大于平均电流I Id d时时，由于整流元件的单向导电性，将出现电，由于整流元件的单向导电性，将出现电流断续现象。因此为了使流断续现象。因此为了使I Id d较小时，电流仍能连续，就应该较小时，电流仍能连续，就应该减小电流的交流分量，增大平波电感减小电流的交流分量，增大平波电感L L可达到这一目的。可达到这一目的。特性曲线整流波形v机械特性的第三个特点：随着机械特性的第三个特点：随着a 的增加，进入断的增加，进入断续区的电流值加

24、大。续区的电流值加大。 在在a90 ua1 ，则晶闸管将因承受，则晶闸管将因承受正向电压而导通，直流侧一定会产生电流，这正向电压而导通，直流侧一定会产生电流，这样制动转矩将大于主动转矩，使电机减速，反样制动转矩将大于主动转矩，使电机减速，反电势电势EM减小，直到减小，直到EM=E2时，满足时，满足E2= ua1 ，id完全等于零，达到转矩平衡。完全等于零，达到转矩平衡。理想空载时对应的理想空载时对应的EM = ua1 =E2，相应的转，相应的转速速n0比比EM=E1时小得多（指绝对值），从而使时小得多（指绝对值），从而使机械特性曲线机械特性曲线在电流断续区上翘很多在电流断续区上翘很多。 同样道

25、理，同样道理，当当b b=30 时时，对应的对应的ua=0，即，即ud脉脉动的最小值为零，动的最小值为零，故故n0=0。在在b b30 时时n0为正值。为正值。特性曲线触发波形 图4-14 有源逆变状态下不同b角大小对理想空载转速的影响aubucu1tw1b2b2E1Etw2uua1Goback 电流断续区机械特性变软电流断续区机械特性变软 （非线性）的原因（非线性）的原因 （第（第2个特点）个特点）设逆变角设逆变角b b一定，由于电流断续，各晶闸管的一定，由于电流断续，各晶闸管的导通角导通角 ，此时，此时ud波形中负面积减小波形中负面积减小，平均面积平均面积Ud比电流连续时的计算值也减小，在

26、比电流连续时的计算值也减小，在电流连续的条件下得出的电流连续的条件下得出的Ud计算公式同样不再计算公式同样不再适用。适用。在负载所要求的平均电流在负载所要求的平均电流Id一定的情况下，反一定的情况下，反电势电势EM的幅值也将比连续时降低。的幅值也将比连续时降低。负载电流越负载电流越小，电流断续就越明显小，电流断续就越明显，因而特性越软。，因而特性越软。Id稍稍有变化就会导致转速的很大变化。有变化就会导致转速的很大变化。120q特性曲线触发波形 电流断续区随电流断续区随b b角的增大而展宽（第角的增大而展宽（第3个特点）个特点） 在在b b90 的范围内，的范围内，b b越越大，大，ud波形的起

27、伏脉动幅度波形的起伏脉动幅度（交流分量）（交流分量）越越大大，因而断续区加宽。图中，因而断续区加宽。图中b b2比比b b1大，大，对应的对应的ud波形的起伏脉动幅度也较大。波形的起伏脉动幅度也较大。 第第、象限中的特性和第象限中的特性和第、象限中的特性是分象限中的特性是分别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以相反，故分别标以正组和反组变流器正组和反组变流器。 电动机的运行工作点由第电动机的运行工作点由第象限的特性，转到第象限的特性，转到第象象限的特性时，表明电动机由限的特性时，表明电动机由电动运行电动运行转入转入发电制动运

28、发电制动运行行。相应的变流器由。相应的变流器由正组整流正组整流转为转为反组逆变反组逆变，使电动，使电动机轴上储存的机械能逆变为交流电能反送回电网。机轴上储存的机械能逆变为交流电能反送回电网。 电动机在四个象限中的机械特性，对分析电动机在四个象限中的机械特性，对分析直流可逆拖直流可逆拖动系统动系统是十分有用的。是十分有用的。触发波形特性曲线正反组结构 GobackR+dIME_P+_dUDC电机的倒发电制动状态：电机的倒发电制动状态：由于由于SCR的单导性，的单导性，Id方向不变，应使方向不变，应使Ud与与EM同时都反极性，同时都反极性， =9001800，并且，并且， | Ud| /2，使Ud

29、为负值。注意：注意：半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud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。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。产生逆变的条件：产生逆变的条件：（两条件同时具备）（两条件同时具备）4.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路逆变和整流的区别逆变和整流的区别：控制角 不同 0 /2 时，电路工作在整流状态。 /2 /2时的控制角用 = b b表示，b b 称为逆变角逆变角。逆变角b b和控制角 的计量方向相反，其大小自b =0的起始点向左方计量。 ME+RLdI+dU三相全控桥电路三相全控桥电路三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形uab

30、uacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb =4b =3b =6b =4b =3b =6wt1wt3wt2输出直流电流的平均值bbcos35. 1cos34. 222UUUd每个晶闸管导通2 /3，故流过晶闸管的电流有效值为：ddVTIII577. 03从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：dMddIEIRP2在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：ddVTIIII816.03222有源逆变状态时各电量的计算：有源逆变状态时各电量的计算：RUE

31、IdMd4.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败逆变失败（逆变颠覆） 逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路电路短路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联顺向串联，形成很大，形成很大短路电流短路电流。触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相，冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相，使使UdUd变正，变正，顺向串联顺向串联。

32、晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。使使UdUd的正弦的正弦片段延续到正半周，正面积增大。片段延续到正半周，正面积增大。交流电源缺相或突然消失，交流电源缺相或突然消失，SCRSCR仍可导通，交流侧仍可导通，交流侧失去对直失去对直流电动势流电动势E EMM的平衡作用的平衡作用， E EMM的上负下正，经的上负下正，经SCRSCR形成短路。形成短路。换相的裕量角不足，引起换相失败。换相的裕量角不足，引起换相失败。换流重叠角换流重叠角 的影响的影响。1) 逆变失败的原因逆变失败的原因换相重叠角的影响：换相重叠角的影响：当当b b 时，换相时，换相结束时

33、，晶闸管结束时，晶闸管能承受反压而关能承受反压而关断。断。如果如果b b 时时，该通的晶闸管（，该通的晶闸管（VT2）会关断，而应关断的晶）会关断，而应关断的晶闸管（闸管（VT1)不能关断，最终导致逆变失败。不能关断，最终导致逆变失败。 udOOidwtwtuaubucuaubpbb iVT1iVTiVT3iVTiVT3222) 确定确定最小逆变最小逆变角角b bmin的依据的依据逆变时允许采用的最小逆变逆变时允许采用的最小逆变角角b b 应等于应等于b bmin=d d + +q qd d 晶闸管的关断时间晶闸管的关断时间tq折合的电角度折合的电角度 换相重叠角q q安全裕量角tq大的可达200300ms，折算到电角度约45。