有源逆变电路教材

1、 第四章 有源逆变电路内容提要与目的要求1了解逆变的概念，掌握逆变的条件。2掌握三相半波、三相全控桥式逆变电路的工作原理和波形分析。3掌握U =f()的关系及有关参数计算。d4掌握逆变失败的原因和最小逆变角 限制。min5了解有源逆变应用（有环流反并联可逆系统、无环流反并联可逆系统）。第一节逆变的概念一、整流与逆变1整流 把交流电变成直流电的过程称为整流。2逆变 把直流电变成其他频率交流电的过程称为逆变。3逆变分类 有源逆变和无源逆变1）有源逆变 把直流电逆变成交流电反送电网，称为有源逆变。2）无源逆变 把直流电逆变成交流电供给负载，称为无源逆变。在实际应用中，有源逆变主要用于直流电动机的可逆

2、调速，绕线式异步电动机的串级调速，高压直流输电等。蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要无源逆变电路，无源逆变电路的应用非常广泛。二、G-M 发电机电动机机组的能量转换功率的传递两个直流电源 E 和 E 可有三种相连的电路形式，如图 3-1 所示。12a) 两电源同极性相接图 3-1b) 两电源同极性另一接法c) 两电源反极性相接两直流电源间的功率传递图 3-1a 两电源同极性相接，设 E E ，电流 I 从 E 流向 E ，大小为1212E EI (3-1)12R式中 R 为回路总电阻。电源 E 发出的功率 P =E I，电源 E 吸取的功率 P =

3、 E I，电阻111222消耗的功率 P =（E E ）I = I2R。R12图 3-1b 是将两电源极性反过来，同时 E E ，则电流方向不变，但功率反送。21图 3-1c 则为两电源反极性相连，这时电流大小为E EI (3-2)12R1 / 10 相当于两个电源顺极性相接向电阻 R 供电，此时两电源都输出功率，P =E I，P =E I；电阻1122上消耗的功率 P =（E +E ）I。如果电阻R 仅为回路电阻，数值很小，则会形成很大的电流R1I，实际上相当于两个电源间短路。2由上述分析可得以下结论：1) 电流从电源正极端流出者输出功率，电流从电源正极端流入者为吸收功率。2) 两个电源同极

4、性相连，电流总是从电势高的电源流向电势低的电源，电流大小取决于两电势之差和回路电阻。如果回路电阻很小，尽管两电势之差不大，也可以产生足够大的电流，使两电源间交换很大的功率。3) 两电源反极性相连时，电势数值相加，若回路电阻很小，则形成短路。实际应用中要避免发生这种情况。三、单相双半波逆变工作状态分析有源逆变的工作原理图 3-2 为两组单相全控桥式电路，通过开关 S 与直流电机负载相接。假若 S 掷向 1 位置，组晶闸管的控制角 90，电路工作在整流状态，输出波形如图 3-2b 所示。输出电压 U 上正下负，电动机作电动运行，流过电枢的电流为 i ，电动机的反电势E 上正下d1负。这时交流电源通

5、过晶闸管装置供出功率，电动机吸收功率。这相当于图3-1a 所示情况。当开关 S 快速掷向 2，由于机械惯性，电动机的电动势E 不变，仍为上正下负，同时给组晶闸管加触发脉冲，使 90，输出电压 U 下正上负，则形成两电源顺极性相连，d因回路的电阻很小，将产生很大电流，相当于短路事故，这是不允许的。这就是图 3-1c 所示情况。因此，当开关 S 掷向 2 时，应同时使单相全控桥电路的控制角 调整到大于 90，这时输出电压为 U =U cos , 因 90，U 为负值，极性为上正下负，且使U E，仍假若电动机转速暂不变，因而E 也不变，晶闸管在 E 和 U 的作用下导通，产生电dd0dd2流 I 。

6、此时电动机供出能量，运行在发电制动状态，晶闸管装置吸收能量送回电网。这就是2有源逆变，与图 3-1b 所示情况一样。a)单相桥式电路b)整流工作波形c) 逆变工作原理图 3-2 单相桥式电路的整流与逆变原理2 / 10 由图 3-2b 中波形可见，单相全控桥式电路工作在逆变时的输出电压控制原理与整流时相同，只是控制角 大于 90，表示为U =0.9U cosd2为计算方便起见，引入逆变角 ，令 = ，用电角度表示时为 =180 ，所以U =0.9U cos =0.9U cos（180 ）d22=0.9U cos(3-3)2逆变角为 时的触发脉冲位置可从 =180时刻向左移 来确定。由以上分析可

7、见，在有源逆变时，晶闸管在交流电源的负半周导通的时间较长，即输出u 电压波形负面积大于正面积，电压平均值 U 0,直流平均功率的传递方向是由电动机返dd送到交流电源；当装置工作在整流时，为正面积大于负面积，平均电压 U 0 ,直流平均d功率的传递方向是交流电源经变流器送往直流负载。所以同一套变流装置当 90时工作在整流状态；当 90时，工作在逆变状态；当 = = 90时，输出电压平均值 U =0，d电流 I 也为零，交直流两侧无能量交换。d实现有源逆变的条件：1) 外部条件 变流装置的直流侧必须外接有电压极性与晶闸管导通方向一致的直流电源 E，且 E 的数值要大于 U 。d2) 内部条件 变流

8、器必须工作在 90（ 90）区间，使 U 0，才能将直流d功率逆变为交流功率返送电网。3)为了保证变流装置回路中的电流连续，逆变电路中一定要串接大电抗。不能实现有源逆变的电路：凡具有续流作用，不能输出负U 波形的电路，均不能实现有源逆变。对于半控桥式晶闸d管电路或直流侧并接有续流二极管的电路，不可能输出负电压，所以不能实现有源逆变。第二节 三相有源逆变电路常用的有源逆变电路除单相全控桥可控电路外，还有三相半波和三相全控桥电路等。由于有源逆变是将直流电变为交流电返送电网，电路中既有直流电，又有交流电，控制逆变工作的开关元件受两种电压的叠加作用。传统的有源逆变电路开关元件通常采用普通晶闸管，但近年

9、来研制出的可关断晶闸管除具有普通晶闸管的优点外，还具有自关断能力，而且工作频率高，在逆变电路的应用中，大有取代普通晶闸管的趋势。一、三相半波有源逆变电路图 3-4 a 为三相半波有源逆变电路，电动机电动势E 的极性符合有源逆变的条件，晶闸管 VT 、VT 、VT 的控制角 必须大于 90，即 90，当EU 时，由于电135路中接有大电感，电路可工作在有源逆变状态，变流器输出的直流电压为dU = U cos = -U cos = -1.17U cos(3-4)dd0d0公式中输出电压为负，说明电压的极性与整流时相反。输出直流电流平均值的计算公式为2E UI dd（3-5）R式中 R 回路的总电阻

10、。3 / 10 a) 三相半波有源逆变电路b) 工作波形分析图 3-4 三相半波有源逆变电路及工作波形下面以 30为例分析其工作过程。当 30时，给 VT 触发脉冲，见图 3-4 b 所1示，此时U 相电压 U 0，但是整个电路中，VT 晶闸管承受正向电压 E，满足晶闸管导通A1条件，VT 导通。由 E 提供能量，有电流 I 流过晶闸管 VT ，输出电压波形 u =u 。由于有1d1dA相互间隔 120的脉冲轮流触发相应的晶闸管，因此就得到了图3-4b 中有阴影部分的 U 电d压波形，其直流平均电压 U 为负值，由于接有大电感 L ，因而 i 为平直连续的直流电流dddI 。d逆变电路与整流电

11、路一样，晶闸管的关断是靠承受反压或电压过零地来实现的，图 3-4b中当 30时，触发VT ，因此时VT 已导通，VT 承受 U 正向电压，故 VT 具备了导11AC1通条件。一旦 VT 导通后，若不考虑换相重叠角的影响，则 VT 承受反向电压 u 而被迫关1CA断，完成了由 VT 向 VT 的换相过程。其它晶闸管的换相过程可以此类推。31逆变时晶闸管两端电压波形的画法与整流时一样。如图 3-4c 所示画出了 =30时 VT1管承受的电压波形 u .在一个周期内导通 120，紧接着后面的 120内 VT 导通，VT 关T11断，VT 承受 u 电压，最后 120内 VT 导通，VT 承受 u 电

12、压。由波形可见，逆变时1AB1AC总是正面积大于负面积，当 =0时正面积最大；而整流时晶闸管两端的电压波形总是负面积大于正面积；只有当 = 时，正负面积才相等。晶闸管可能承受的最大正反向电压也6U为。2二、三相全控桥有源逆变电路4 / 10 a) 三相全控桥带电动机负载的电路图 3-5 三相桥式逆变电路b) =60时的 U 波形d图 3-5a 为三相全控桥带电动机负载的电路，当 90时，电路工作在整流状态；当 90时，电路工作在逆变状态。晶闸管的控制过程与三相全控桥整流电路原理相同，只是控制角 的移相范围为 180，输出直流电压的计算公式分别为整流时：U = U cos =2.34U cos(

13、当 90(3-6)dd02逆变时：U = U cos =2.34U cos =-2.34U cos(当 90 90(3-7)dd022图 3-5b 为 =60时的 U 波形。d第三节 逆变失败与最小逆变角限制逆变失败 逆变失败是指某种原因造成的外加直流电源通过变流器形成的短路或顺向串联。工作在有源逆变状态时，若出现输出电压平均值与直流电源 E 顺极性串联，必然形成很大的短路电流流过晶闸管和负载，造成事故。这种现象称为逆变失败或逆变颠复。一、逆变换相分析由于整流变压器漏抗 L 的存在，电流不能突变，使得换相过程中的两只晶闸管同时导B通，产生了换相重叠角。逆变电路换相期间的 U 波形多出一块负面积

14、，使输出电压平均值d略有增加。换相重叠角 对逆变电路有很大影响，如予忽略，就会造成逆变失败。1 在 角度内完成了换相，逆变器正常工作。2 在 角度内没有完成换相，换相失败，逆变器不能正常工作。二、逆变失败的原因造成逆变失败的原因主要有：1触发脉冲丢失2快熔熔断造成电源缺相3晶闸管突然损坏或误触发4逆变角 调节的过小防止逆变失败的措施是：对逆变装置所用晶闸管参数和性能进行合理选择，并设置的过压过流保护环节，触发电路工作一定要安全可靠，输出的触发脉冲逆变角最小值要严格加以限制。三、 逆变角限制min确定逆变角最小值1. 换相重叠角应考虑以下因素：min此值与整流变压器漏抗、变流器接线型式以及工作电

15、流都有关系。若逆变角 小于换相重叠角 ，就会造成逆变失败。可由图 3-3 加以说明。5 / 10 a) 三相半波有源逆变电路b) 小于 造成逆变失败图 3-3 有源逆变换流失败波形从图中放大的圆内部分可见，触发脉冲在 t 处发出后，使 u 和 u 两相所接的晶闸管1ABVT 、VT 同时导通，即出现换相过程，到u 和 u 两相电压交点 t 处，换相没有结束，一13AB2直延续到 t ，此时 u u ，VT 晶闸管关不断，VT 不能导通，逆变失败。一般 角应3AB13考虑 1525电角度。2. 晶闸管关断时间 t 所对应的角度q0t 的大小由管子参数决定，一般约为 200300 s，对应的电角度

16、为 46。q3. 安全裕量角考虑触发脉冲间隔不均匀、电网波动、畸变与温度的影响，还必须留有一个安全裕量角，一般取 为 10左右。综合以上因素，最小逆变角为 + + 3035min0为了防止触发脉冲进入区内，可在触发电路中加一保护电路，使得调整 角减小min时，不能进入区内；也可以在处设置产生附加安全脉冲的装置，此脉冲位置固定，minmin一旦工作脉冲移入区内，则安全脉冲保证在处发出触发晶闸管，防止逆变失败。minmin第四节 逆变工作状态时的机械特性一、电流连续时电动机的机械特性整流时：U = 2.34U cosd2逆变时：U = U cosdd0二、电流断续时电动机的机械特性1机械特性2理想

17、空载转速3电流断续特性变软的原因4最小连续电流第五节 有源逆变应用电路6 / 10 一、直流可逆拖动可逆拖动分类反磁场反电枢 有环流反并联可逆系统无环流反并联可逆系统1有环流反并联可逆系统图 3-6 所示为两组变流电路反并联组成的直流电动机可逆调速系统。两组电路由同一交流电源供电，采用反并联连接，即一组晶闸管的电流流出端接另一组晶闸管的电流流入端。若工作中两组变流器只允许一组晶闸管处于工作状态，另一组晶闸管脉冲封锁处于阻断状态，即始终只有一组晶闸管触发导通，这种控制方式称为逻辑无环流控制；若两组晶闸管同时都有触发脉冲作用，处于连续导通状态，这时两组之间出现交流环流，称为有环流系统。该系统可使电

18、动机实现四象限运行，当由一种运行状态变为另一种运行状态时，负载电流的反向是连续变化的，动态性能比较好。该装置一般用于中小容量的可逆拖动系统。下面具体分析其工作原理。a) 单相全波b) 三相半波c) 单相桥式d) 三相桥式图 3-6 两组变流器反并联的直流电动机可逆调速系统工作时，为了防止两组变流器之间出现直流环流，特别设置为当一组工作在整流状态时，另一组必须工作在有源逆变状态，且 = ，由式（3-3）和式（3-4）可以看出，这样使得两组直流侧电压大小相等方向相反。我们将这一运行方式称为 = 工作制。工作过程中，触发脉冲的安排如下：当控制电压U =0 时，使、两组变流器的控制角均为90，即c=

19、= 90，则电动机转速为零。增大 U ，使组变流器触发脉冲左移，即 90，c进入整流状态，同时使组变流器触发脉冲右移相同角度使 90，进入待逆变状态(此时没有电能返送电源）。由于交流电源通过组变流器向电动机供出能量，电动机电动正转。要使 电动机反转，只要使 U 减小，组的控制角 与组的逆变角 同时逐渐增大，c7 / 10 则两组变流器的直流电压 U 、U 立即减小。由于电动机具有机械惯性，电动势E 还末来dd得及变化，出现 E U = U ，E 给组变流器以反向电压，给组变流器以正向电压，dd使组变流器满足有源逆变条件而导通，从待逆变状态转为逆变状态，电动机电流反向，产生制动转矩，使电动机转速

20、降低。继续增大 和 ，使 E 始终稍大于 U ，电动机在减速d过程中一直产生制动转矩，实现快速制动。在这一过程中， 组变流器虽输出直流电压U 为正，但 E U ,所以没有直流输出，这种状态称为待整流状态（没有电能送给电动dd机）。继续增大组和组的控制角，使 90即 90,则组变流器转入待逆变状态；组变流器因 90进入整流状态，直流电压改变极性，电动机反转。同样我们可以分析其它运行状态转变的过程，所以在 = 工作制中，改变两组变流器的控制角可以实现四象限运行，如图 3-7 所示。图 3-7两组反并联可逆系统四象限运行图该系统工作时，两组变流器之间虽不存在直流环流，但存在着交流环流， 限制反并联系

21、统环流的办法是加电抗器，因桥式电路有两条环流通路，所以必须设置四只限制环流的电抗器，见图 3-6d 中的 L L 。这是因为工作时只有一组变流器通过电动机负载电流，接在14该组两端的两只电抗器已经或接近饱和，起不到限制环流的作用，须由另外两只电抗器分别限制上下两侧交流环流。此外与电动机串接的电抗器L 是为了使流过负载的电流平滑连续,d称为平波电抗器。2无环流反并联可逆传动脉冲切换原则二、绕线式异步电动机的串级调速三相绕线式异步电动机起动转矩大，并可在一定的范围内调速，在需要重负荷起动的场合应用较多。但传统的调速方法是在转子回路中串接三相电阻，用改变电阻值的方法进行调速。这种方法使得设备的体积大

22、，且有大量的电能消耗在电阻上，现在已逐渐被淘汰，改用在转子回路中引入附加电动势来实现调速，这就是串级调速。绕线式异步电动机转子电动势的大小和频率都与其转速有关，若在转子回路中串接与转子电动势频率一致、相位相反的交流附加电动势进行调速，实现起来技术复杂、价格昂贵，因此通常采用将转子电动势整流为直流，引入直流附加反电动势并进行调节的办法实现调速。图 3-8 为串级调速系统主电路原理图。8 / 10 图 3-8串级调速系统主电路原理图图中绕线式异步电动机定子绕组通过自动开关QS 和交流接触器 KM 接电源，转子绕组1通过接触器 KM 接有频敏变阻器，起动时KM 接通频敏变阻器，以限制起动电流。起动后22断开 KM ，转子绕组经过二极管整流电路将交流电动势变为直流。2绕线式异步电动机工作时转子线电动势可表示为E =sE(3-8)2l20式中 E 转子开路线电动势（转速 n=0)20s 电机的转差率。将转子线电动势经三相桥式不可控整流得到直流电压U = 1.35E(3-9)d2L由晶闸管 VT VT 组成的有源逆变电路将转子能量返送电网，逆变电压U 即为引入的反16d电动势。当电动机转速稳定时，忽略直流回路电阻，则