电力电子学电课4有源逆变

1、Beijing Jiaotong University (BJTU)电力电子技术Power Electronics Technology Spring 2006电电 气气 工工 程程 学学 院院 陈陈 洛洛 忠忠Beijing Jiaotong University (BJTU)第四章第四章 有源逆变有源逆变Beijing Jiaotong University (BJTU) 逆变（逆变（invertioninvertion）：把直流转变成交流）：把直流转变成交流如：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送如：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

2、 逆变电路：把直流逆变成交流的电路逆变电路：把直流逆变成交流的电路有源逆变电路有源逆变电路：电路的交流侧和电网连接，将直流逆变成与：电路的交流侧和电网连接，将直流逆变成与电网同频率的交流反送到电网电网同频率的交流反送到电网（本章介绍）（本章介绍）无源逆变电路无源逆变电路：变流电路的交流侧不与电网连接，而直接接：变流电路的交流侧不与电网连接，而直接接到负载，将直流逆变成固定频率或可调频率的交流供给负载到负载，将直流逆变成固定频率或可调频率的交流供给负载（将在第（将在第6 6章介绍）章介绍） 对于对于全控全控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电

3、路结构未变，只是工作条件转变电路结构未变，只是工作条件转变Beijing Jiaotong University (BJTU)要要 求求 及及 重重 点点 理解和掌握单相、三相有源逆变电路的工作原理解和掌握单相、三相有源逆变电路的工作原理，有源逆变的应用和整流电路的功率因数及理，有源逆变的应用和整流电路的功率因数及其改善的方法其改善的方法 重点：波形分析法，有源逆变的条件和有源逆重点：波形分析法，有源逆变的条件和有源逆变失败的原因变失败的原因Beijing Jiaotong University (BJTU)本章内容本章内容4.24.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路4.34.3 变流电路的

4、功率因数变流电路的功率因数Beijing Jiaotong University (BJTU)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)MGMGMGEGEMIdREGEMIdREGEMIdRBeijing Jiaoto

5、ng University (BJTU)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2-45R+-电能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUd 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

6、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，实现逆变。，才能把电能从直流侧送到交流侧，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 之之间。间。Beijing Jiaotong University (BJTU)3 3、实现有源、实现有源逆

7、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。（外致，其值大于变流器直流侧平均电压。（外 部条件）部条件） （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。（内为负值。（内 部条件）部条件）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，故不能实现有源逆不能出现负值，故不能实现有源逆变。

8、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Beijing Jiaotong University (BJTU)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相互切换Beijing Jiaotong University (BJTU)5、逆变角、逆变角 为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆

9、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：计算方法：自自 = （ = 0 ）的起始点向左方）的起始点向左方 计量计量 、 的关系：的关系： = 或或 = Beijing Jiaotong University (BJTU)有源逆变电路概述有源逆变电路概述一、逆变电路的分类一、逆变电路的分类根据逆变输出交流电能去向分类：根据逆变输出交流电能去向分类：有源逆变有源逆变 以电网为负载以电网为负载 变流装置（变流器）变流装置（变流器）无源逆变无源逆变 以用电器

10、为负载以用电器为负载 变频器变频器Beijing Jiaotong University (BJTU)二、电源间能量的流转关系二、电源间能量的流转关系(a) E1 E2 时时 (b) E2 E1 时时 (c) 电源反极性相连电源反极性相连 REEI21REEI12REEI21Beijing Jiaotong University (BJTU) 电流从电源的正极流出者，该电源为输出功率电流从电源的正极流出者，该电源为输出功率 电流从电源的负极流出者，该电源为输入功率电流从电源的负极流出者，该电源为输入功率 两个电源反极性相连时，如果电路总电阻很小，两个电源反极性相连时，如果电路总电阻很小，会形成

11、电源间短路故障会形成电源间短路故障Beijing Jiaotong University (BJTU)单相桥式有源逆变电路单相桥式有源逆变电路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Beijing Jiaotong University (BJTU)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： E 0 （反极性），（反极性），Ud 0 （反极性）（反极性）且且 Ud E Beijing Jiaotong

12、University (BJTU)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 . 0cos0.9UU22ddBIx2cosU9 . 0U2d222coscos(UIx)dBBeijing Jiaotong University (BJTU)实现有源逆变的条件实现有源逆变的条件 有一

13、个直流电源，极性为有一个直流电源，极性为上上 “ ” 下下 “ + ” 变流器的变流器的 2 ，即，即 Ud 0 Ud E E 约等于约等于 Ud 半控电路或具有续流二极管的电路，半控电路或具有续流二极管的电路，不能不能实实现有源逆变，因为：现有源逆变，因为： 不能输出负电压不能输出负电压 E的的极性不能为上极性不能为上 “ ” 下下 “ + ”Beijing Jiaotong University (BJTU)改变电枢电势改变电枢电势 E 极性的方法极性的方法 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（如直流卷扬机）极性（如直流卷扬机） 改变励磁电流方向改

14、变励磁电流方向 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 相互切换相互切换Beijing Jiaotong University (BJTU)4.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路一、三相半波有源逆变电路一、三相半波有源逆变电路 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Beijing Jiaotong University (BJTU) 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

15、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 Beijing Jiaotong University (BJTU)Beijing Jiaotong University (BJTU)逆变角逆变角 的计算的计算 为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆变为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆变角角 （或称引前触发角）（或称引前触发角）表示表示 规定：规定： 角计算的角计算的起始点起始点为控制角为控制角 = 处，处，计算方法为自计算方法为自 = （ = 0 ）的起始点）的起始点向左向左方方计量计量 、 的关系：的关系： = 或

16、或 = Beijing Jiaotong University (BJTU)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cosU17. 1cos U1.17U22ddBIx23cosU17. 1U2d262coscos(UIx)dBBeijing Jiaotong University (BJTU)其它的电量，如负载电流平均值、晶闸其它的电量，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算原则计算等，均可按照整流电路的计算原则进行进行

17、Beijing Jiaotong University (BJTU)二、三相桥式全控有源逆变电路二、三相桥式全控有源逆变电路 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 Beijing Jiaotong University (BJTU)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

18、的计算原则进行的计算原则进行 cosU34. 2cos2.34UU22ddBIx3cosU34. 2U2d262coscos(UIx)dBBeijing Jiaotong University (BJTU)逆逆 变变 失失 败及最小逆变角的限制败及最小逆变角的限制定义：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

19、为电路形成短路，这种情况称为逆变逆变失败失败，或称为，或称为逆变颠覆逆变颠覆Beijing Jiaotong University (BJTU)逆变失败的原因逆变失败的原因（1）触发脉冲丢失）触发脉冲丢失T2的触发脉冲的触发脉冲ug2丢失丢失以三相半波可控电路为例以三相半波可控电路为例Beijing Jiaotong University (BJTU)（2）触发脉冲延迟）触发脉冲延迟T2的触发脉冲的触发脉冲ug2延迟延迟Beijing Jiaotong University (BJTU)（3）晶闸管发生故障）晶闸管发生故障 （指晶闸管失去阻（指晶闸管失去阻 断或导通能力）断或导通能力） T3失

20、去阻断能力失去阻断能力Beijing Jiaotong University (BJTU)（4）换相的裕量角不足）换相的裕量角不足Beijing Jiaotong University (BJTU)（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，逆变失败都将造成电流急剧上升不论什么原因，逆变失败都将造成电流急剧上升Beijing Jiaotong University (BJTU)逆变失败的原因逆变失败的原因触发电路工作不可靠触发电路工作不可靠触发脉冲丢失（见左图）触发脉冲

21、丢失（见左图）触发脉冲延迟（见右图）触发脉冲延迟（见右图）Beijing Jiaotong University (BJTU) 晶闸管发生故障晶闸管发生故障（见左图）（见左图） 换相的裕量角不足换相的裕量角不足（见右图）（见右图） 交流电源发生异常现象交流电源发生异常现象Beijing Jiaotong University (BJTU)避免逆变失败的措施避免逆变失败的措施 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 加快速熔断器或快速开关加快速熔断器或快速开关 逆变角逆变角 不能太小不能太小，必须限制在某一，必须限制在某一允许的最小角度内允许的最

22、小角度内Beijing Jiaotong University (BJTU)确定最小逆变角确定最小逆变角 min 的依据的依据 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 : 换相重叠角换相重叠角 : 安全裕量角安全裕量角 在可逆直流拖动系统中，一般要求在可逆直流拖动系统中，一般要求 min min Beijing Jiaotong University (BJTU)确定最小逆变角确定最小逆变角 min的依据的依据（1）最小逆变角）最小逆变角 min = + + : 换相重叠角（约为换相重

23、叠角（约为15 20 ） : 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 ，tq约为约为 200300 s，折算成电角度，折算成电角度约约4 5 : 安全裕量角（一般取安全裕量角（一般取10 ）最小逆变角最小逆变角min一般可取一般可取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Beijing Jiaotong University (BJTU)例例 4-1 三相全控桥式整流电路接阻感反电势负载。已知整流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变压器副边线电压 UAB=220V

24、，交流侧电感，交流侧电感LB=0.5mH，R=2，E= -290V， =150，=100 ，Ld足够大，求足够大，求直流端电压、电流和交流电源的功率因数直流端电压、电流和交流电源的功率因数。解：解：交流侧电抗为交流侧电抗为 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 )(157. 0105 . 01003BBLxdBABdddIxUUUU26150cos35. 1cos0 ERIUddBeijing Jiaotong University (BJTU)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负载功率为负值，表明负载侧实际是供出电

25、能回馈到电网的到电网的交流电源的功率因数为交流电源的功率因数为 )(396026.155 .259WIUPddd83. 077.4744396022026.153233960SPd所以所以)( 5 .259290226.15)(26.1515. 022 .25729026150cos35. 1)26(150cos35. 1VERIUAxRUEIxRIUEddBABdBdABBeijing Jiaotong University (BJTU)例例 4-2 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，已知电动机处于稳所示，已知电动机处于稳定的发电制动状态，滤波电抗定的发电制动状态，滤波

26、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Ua220V，变压器副边相电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

27、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？Beijing Jiaotong University (BJTU)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

28、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 18090maxminminmin。 15090Beijing J

29、iaotong University (BJTU)4. VRIUUaaad5 .1685 . 0103220kWIUPadd36.171035 .168VIxUUaBd5 .16823cos17. 12BaxIU,21 .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 ：Beijing Jiaotong University (BJTU)习题习题 42、 44、 45思考和作业思考和作业Beijing Jiaotong University (BJTU)4.3 变流电路的功率因数变流电路的功率因数一、变流电路的功率因数一、变流电路的功率因数1、定义、定义变流电路电网侧有功功率

30、与视在功率之比变流电路电网侧有功功率与视在功率之比2、计算方法、计算方法1 = P/ S 若忽略变流电路损耗，若忽略变流电路损耗，P应等于整流负载应等于整流负载功率功率Beijing Jiaotong University (BJTU)3、计算方法、计算方法2 = cos cos ：相位移系数：相位移系数（基波的（基波的有功功有功功 率与率与基波的基波的视在功率之比）视在功率之比） : 电流畸变系数（基波电流有效值电流畸变系数（基波电流有效值 与总与总电流有效值电流有效值之比），即之比），即 =I1/IBeijing Jiaotong University (BJTU)例：单相全控桥式电路功率

31、因数计算例：单相全控桥式电路功率因数计算 计算方法计算方法1cos9 . 0/cos9 . 0/cos9 . 0cos2222220ddddddddddIUIUSPIUIUSIUIUIUPBeijing Jiaotong University (BJTU) 计算方法计算方法2 tttIid5sin513sin31sin4119 . 09 . 024IIIIdd9 . 011IIBeijing Jiaotong University (BJTU)课课 堂堂 思思 考考 1、下、下列电路中能用于有源逆变的有：（列电路中能用于有源逆变的有：（ ） (1) 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(2) 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路(3) 单相桥式不可控整流电路单相桥式不可控整流电路(4) 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路(5) 三相桥式半控整流电路三相桥式半控整流电路(6) 三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路(7) 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路(8) 带续流二极管的三相半波可控整流电路带续流二极管的三相半波可控整流电路Beijing Jiaotong University (BJTU)2、判断对错、判断对错晶闸管有源逆变电路：晶闸管有源逆变电路： 当某个晶闸管发生故障、失