《电力电子技术》课件第3章

第3章有源逆变电路3.1逆变的概念3.2三相半波逆变电路3.3三相桥式逆变电路3.4逆变电路的应用

3.1逆变的概念

3.1.1整流与逆变的关系

前面两章讨论的是把交流电能通过晶闸管变换为直流电能并供给负载，即可控整流电路。但在实际生产中，往往出现需要将直流电能变换为交流电能的相反过程。例如，应用晶闸管的电力机车，当机车下坡运行时，机车上的直流电机将由于机械能的作用作为直流发电机运行，此时就需要将直流电能变换为交流电能回送电网，以实现电机制动；运转中的直流电机，要实现快速制动，较理想的办法是将该直流电机作为直流发电机运行，并利用晶闸管将直流电能变换为交流电能回送电网，从而实现直流电机的发电机制动。3.1.2能量的变换关系

分析有源逆变电路工作时，正确把握电源间能量的流转关系至关重要。整流和有源逆变的根本区别就表现在能量传送方向上的不同，下面针对图3-1所示电路加以分析。图3-1两个电源间能量的传送图3-1(a)所示为直流电源E1和E2同极性相连。当E1＞E2时，回路中的电流为

(3-1)

式中，R为回路的总电阻。此时电源E1输出电能E1I，其中一部分为R所消耗的I2R，其余部分则为电源E2所吸收E2I。注意，在上述情况中，输出电能的电源其电势方向与电流方向一致，而吸收电能的电源则两者方向相反。在图3-1(b)中，两个电源的极性均与图3-1(a)中相反，但还是属于两个电源间同极性相连的形式。如果电源E2＞E1，则电流方向如图3-2(b)中所示，回路中的电流I为

(3-2)

此时，变为电源E2输出电能，电源E1却吸收电能。图3-2直流卷扬系统(a)提升重物；(b)下放重物在图3-1(c)中，两个电源反极性相连，则电路中的电流

I为

(3-3)

此时电源E1和E2均同时输出电能，输出的电能全部消耗在电阻R上，如果电阻R的值很小，则电路中的电流必然很大。若R=0，则形成两个电源短路的情况。综上所述，可得出以下结论：

(1)两电源同极性相连，电流总是从高电势电源流向低电势电源，其电流的大小取决于两个电势之差与回路总电阻的比值。如果回路电阻很小，则很小的电势差也足以形成较大的电流，两电源之间发生较大能量的交换。

(2)若电流从电源的正极流出，则该电源输出电能；而电流从电源的正极流入，则该电源为吸收电能。电源输出或吸收功率的大小则由电势与电流的乘积来决定，若电势或者电流方向改变，则电能的传送方向也随之改变。

(3)两个电源反极性相连，如果电路的总电阻很小，将形成电源间的短路，应当避免这种情况的发生。3.1.3有源逆变电路的工作过程

1．提升重物时，变流器工作于整流状态

由第一章的学习已知，对于单相全控整流桥，若控制角α在0～π/2之间的某个对应角度触发晶闸管，则上述变流电路输出的直流平均电压为Ud=Ud0cosα，因为此时α均小于π/2，故Ud为正值。在该电压作用下，直流电机转动，卷扬机将重物提升起来，直流电机转动产生的反电势为ED，且

ED略小于输出直流平均电压Ud，此时电枢回路的电流为

(3-4)

2．中间状态

当卷扬机将重物提升到要求高度时，自然就需在某个位置停住，这时只要将控制角α调到等于π/2的位置，在变流器输出电压波形中，其正、负面积相等，电压平均值Ud为零，电动机停转(实际上采用电磁抱闸断电制动)，反电势ED也同时为零。此时，虽然Ud为零，但仍有微小的直流电流存在，有关波形如图3-3(b)所示。

3．下放重物时，变流器工作于逆变状态

在上述卷扬系统中，当重物下放时，由于重力对重物的作用，必将牵动电机使之与重物上升的相反方向转动，电机产生的反电势ED的极性也将随之反相，如果变流器仍工作在α＜π/2的整流状态，从上面曾分析过的电源能量流转关系不难看出，此时将发生电源间类似短路的情况。为此，只能让变流器工作在α＞π/2的状态，这是因为当α＞π/2时，其输出直流平均电压Ud为负，出现类似如图3-1(b)中所示两电源极性同时反向的情况，此时如果能满足ED＞Ud，则回路中的电流为图3-3直流卷扬机系统的电压电流波形由上面所分析的单相全控桥式有源逆变工作的情况，不难得出下述实现有源逆变的基本条件：

(1)外部条件。务必要有一个极性与晶闸管导通方向一致的直流电势源，这种直流电势源可以是直流电机的电枢电势，也可以是蓄电池电势。它是使电流从变流器的直流测回馈交流电网的源泉，其数值应稍大于变流器直流侧输出的直流平均电压。

(2)内部条件。要求变流器中晶闸管的控制角α＞π/2，这样才能使变流器直流侧输出一个负的平均电压，以实现直流电源的能量向交流电网的流转。

3.2三相半波逆变电路

3.2.1电路的整流工作状态

在图3-4(a)所示电路中，当α=60°时，依次触发晶闸管，其输出电压波形如图中实线所示。因负载回路中接有足够大的平波电感，故电流连续。对于α=60°的情况，输出电压瞬时值均为正，其平均电压也自然为正值。对于在0＜

α＜π/2范围的其他移相角，即使输出电压的瞬时值ud有正也有负，但正电压的面积总是大于负电压的面积，输出电压的平均值Ud也总是为正，其极性如图中所示，为上正下负，而且Ud略大于ED。图3-4三相半波共阴极逆变主电路及有关波形(a)整流工作状态；(b)逆变工作状态3.2.2电路的逆变工作状态

假设此时电动机端电势已反向，即下正上负，设逆变电路移相角α=150°，依次触发相应的晶闸管，如图3-4(b)中所示，在ωt1时刻触发a相晶闸管V1，虽然此时ua=0，但晶闸管V1因承受ED的作用，仍可满足导电条件而工作，并相应输出ua相电压，V1被触发导通后，虽然ua已为负值，因ED的存在，且|ED|＞|ua|，V1仍然承受正向电压而导通，即使不满足|ED|＞|ua|，由于平波电感的存在，释放电能，L的感应电势也仍可使V1承受正向电压而继续导通。因电感L足够大，主回路电流连续，V1导电120°后由于V2的被触发而截止；V2被触发导通后，由于此时ub＞ua，故V1承受反压关断，完成V1与V2之间的换流，这时电路输出电压为ub，如此循环往复。为分析和计算方便，通常把逆变工作时的控制角改用

β表示，令β=π－α，称为逆变角。规定α=π时作为计算β的起点，和α的计量方向相反，β的计量方向是由右向左。变流器整流工作时，α＜π/2，相应的β＞π/2；而在逆变工作时，α＞π/2而β＜π/2。

在逆变时，输出电压平均值的计算公式可改写成：

3.3三相桥式逆变电路

3.3.1逆变工作原理及波形分析

三相桥式逆变电路如图3-5(a)所示。如果变流器输出电压Ud与直流电机电势ED的极性如图中所示(均为上负下正)，当电势ED略大于平均电压Ud时，则回路中产生的电流为图3-5三相桥式有源逆变电路及有关波形(a)电路；(b)输入电压；(c)输出电压3.3.2电路中基本电量的计算

由于三相桥式逆变电路相当于两组三相半波逆变电路的串联，故该电路输出平均电压应为三相半波逆变电路输出平均电压的两倍。即

(3-5)

式中，U2为交流侧变压器副边相电压有效值。输出电流平均值为

(3-6)

(3-7)

式中，RB为变压器绕组的等效电阻；RD为变流器直流侧总电阻。输出电流的有效值为

(3-8)

式中，IN为第N次谐波电流有效值，N的取值由波形的谐波分析展开式确定。晶闸管流过电流的平均值为

(3-9)

晶闸管流过电流的有效值为

(3-10)

其他参数的计算均可依照整流电路的计算方法进行。

3.4逆变电路的应用

有源逆变最典型的实际应用之一就是绕线式异步电