电力电子技术(第4版)第9讲 有源逆变

2.4有源逆变电路2.4.1

逆变的概念2.4.2有源逆变的工作原理2.4.3逆变失败与逆变角的限制2.5晶闸管直流电动机系统2.6变流装置的触发电路什么是逆变？把直流电转换成交流电，这种对应于整流的逆向过程，叫做逆变。2.4.1

逆变的概念有源逆变：若变流器工作在逆变状态时，将变流器交流侧接到交流电源上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网。无源逆变：若变流器不与电网联接，而直接接负载，即把直流电逆变成某一频率的或可调频率的交流电供给负载。逆变包括有源逆变、无源逆变。逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。2.4.2有源逆变的工作原理直流电逆变器交流电有源逆变无源逆变输出接电网输出用电设备有源逆变应用：直流电动机可逆拖动，线绕式异步电动机串级调速，直流输电等。图2.4.1整流逆变工作图2.4.2.1

工作原理重物上升，变流器为电机提供能量，电机工作在电动状态；重物下降，电机工作在发电状态，变流器吸收电机提供能量，送回电网。图2.4.2整流逆变工作图2.4.2.2

直流发电机—电动机系统电能的流转图4.3直流发电机—电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EG>EMb）两电动势同极性EG>EM

c）两电动势反极性，形成短路电路过程分析。两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。(a)整流（）(b)逆变（）2.4.2.3

逆变产生的条件图2.4.4整流（）a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUd>EMu10udu20u10OOwtwtIdidUd<EMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1从上述分析中，可以归纳出二个产生逆变的条件：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。晶闸管的控制角a>

/2，使Ud为负值。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。逆变和整流的区别：控制角

不同

0<

<p

/2

时，电路工作在整流状态。

p

/2<

<

p时，电路工作在逆变状态。可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题。把a>p/2时的控制角用p-

=b表示，b称为逆变角。逆变角b和控制角a的计量方向相反，其大小自b=0的起始点向左方计量。三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如下图所示。图2.4.5三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6wt1wt3wt2有源逆变状态时各电量的计算：输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即每个晶闸管导通2p/3，故流过晶闸管的电流有效值为：从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。变压器二次线电流有效值为2.4.3逆变失败与逆变角的限制逆变失败（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电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。逆变失败的原因触发电路不可靠（脉冲丢失或延时）晶闸管故障交流电源异常（缺相或丢失）逆变角太小换相重叠角的影响：图2-47交流侧电抗对逆变换相过程的影响当b>g时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。如果b<g时（从图2-47右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸管（VT1）会关断，而应关断的晶闸管（VT3)不能关断，最终导致逆变失败。udOOidwtwtuaubucuaubpbgb<gagbb>giVT1iVTiVT3iVTiVT3222)确定最小逆变角bmin的依据逆变时允许采用的最小逆变角b应等于bmin=d+g+q′d——晶闸管的关断时间tq折合的电角度g——

换相重叠角q′——安全裕量角tq大的可达200~300μs，折算到电角度约4

~5

。随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。主要针对脉冲不对称程度（一般可达5

）。值约取为10

。g——

换相重叠角的确定：查阅有关手册举例如下：整流电压整流电流变压器容量短路电压比Uk%g220V800A240kV。A5%15

~20

参照整流时g的计算方法（2-110）（2-111）根据逆变工作时，并设，上式可改写成这样，bmin一般取30

~35

。2.5晶闸管直流电动机系统2.5.1工作于整流状态时2.5.2工作于有源逆变状态时2.5.3直流可逆电力拖动系统晶闸管直流电动机系统——晶闸管可控整流装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：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。本节主要从第二个方面进行分析。工作于整流状态时整流电路接反电动势负载时，负载电流断续，对整流电路和电动机的工作都很不利。图4.6三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形通常在电枢回路串联一平波电抗器，保证整流电流在较大范围内连续，如图。udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR此时，整流电路直流电压的平衡方程为（2-112）式中，。为电动机的反电动势负载平均电流Id所引起的各种电压降，包括：变压器的电阻压降电枢电阻压降由重叠角引起的电压降晶闸管本身的管压降，它基本上是一恒值。系统的两种工作状态：电流连续工作状态

电流断续工作状态转速与电流的机械特性关系式为

1)

电流连续时电动机的机械特性

在电机学中，已知直流电动机的反电动势为（2-113）可根据整流电路电压平衡方程式（2-112），得（2-114）（2-115）图2-49三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性其机械特性是一组平行的直线，其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异。调节a

角，即可调节电动机的转速。Ona1<a2<a3a3a2a1Id(RB+RM+)IdCe3XB2p

2)电流断续时电动机的机械特性当负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流不再连续，此时其机械特性也就呈现出非线性。电动机的实际空载反电动势都是。时为：。主电路电感足够大，可以只考虑电流连续段，完全按线性处理。当低速轻载时，可改用另一段较陡的特性来近似处理，等效电阻要大一个数量级。当Id减小至某一定值Idmin以后，电流变为断续，这个是不存在的，真正的理想空载点远大于此值。图2-50

电流断续时电动势的特性曲线断续区特性的近似直线断续区连续区EE0E0'OIdminId(0.585U2)(U2)22.5.2电流连续时电动机的机械特性电流连续时的机械特性由决定的。逆变时由于，反接，得图4.7电动机在四象限中的机械特性正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=b'1;a'1=b1a2=b'2;a'2=b2a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向因为，可求得电动机的机械特性方程式2.5.2电流断续时电动机的机械特性可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，把代入相关表达式便可得EM、n与Id的表达式。以三相半波电路为例：bpa-=逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：图4.8电动机在四象限中的机械特性理想空载转速上翘很多，机械特性变软，且呈现非线性。逆变状态的机械特性是整流状态的延续。纵观控制角a变化时，机械特性电动机的机械特性逐渐的由第一象限往下移，进而到达第四象限。第1、4象限中和第3、2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相反，故分别标以正组和反组变流器。正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=b'1;a'1=b1a2=b'2;a'2=b2a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向图4.9两组变流器的反并联可逆线路图a与b是两组反并联的可逆电路a三相半波有环流接线b三相全控桥无环流接线c对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。正向运行时由正组变流器供电；反向运行时，则由反组变流器供电。根据对环流的处理方法，反并联可逆电路又可分为不同的控制方案，如配合控制有环流（a=b）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。电动机都可四象限运行。可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态：整流或逆变。两套变流装置反并联连接的可逆电路的相关概念和结论：直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能实现电动机的回馈制动。a=b

配合控制的有环流可逆系统对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证a=b的配合控制关系。假设正组为整流，反组为逆变，即有aP=bN

，UdaP=UdbN，且极性相抵，两组变流器之间没有直流环流。但两组变流器的输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流。串入环流电抗器LC限制环流。逻辑无环流可逆系统工程上使用较广泛，不需设置环流电抗器。只有一组桥投入工作（另一组关断），两组桥之间不存在环流。两组桥之间的切换过程：首先应使已导通桥的晶闸管断流，要妥当处理使主回路电流变为零，使原导通晶闸管恢复阻断能力。随后再开通原封锁着的晶闸管，使其触发导通。

这种无环流可逆系统中，变流器之间的切换过程由逻辑单元控制，称为逻辑控制无环流系统。直流可逆电力拖动系统，将在后继课“电力拖动自动控制系统”中进一步分析讨论。2.6变流装置的触发电路

2.6.1同步信号为锯齿波的触发电路

2.6.2集成触发器相控电路的驱动控制为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。相控电路：晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路）。电路可分为三个基本环节:

（1）脉冲形成与放大环节；（2）锯齿波形成和脉冲移相环节；（3）同步环节。还有强触发环节和双窄脉冲形成环节。图4.10同步信号为锯齿波的触发电路⑴脉冲形成与放大环节V4、V5—脉冲形成V7、V8—脉冲放大控制电压uco加在V4基极上图4.11同步信号为锯齿波的触发电路脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。2.6.1同步信号为锯齿波的触发电路图4.11同步信号为锯齿波的触发电路UCO⑵

锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等；本电路采用恒流源电路。恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成

V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路图4.12同步信号为锯齿波的触发电路⑶

同步环节同步——要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关V2管来控制的。V2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时间常数R1C1。⑷

双窄脉冲形成环节

内双脉冲电路

V5、V6构成“或”门当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截