电力电子技术（第3版）第3章 交流-直流变换电路（含有源逆变电路）-3.7

第3章交流-直流变换电路（含有源逆变电路）电力电子技术3.7有源逆变电路

3.7.1

逆变的概念3.7.2

三相半波有源逆变电路3.7.3

实现有源逆变的条件3.7.4

三相桥式有源逆变电路3.7.5

有源逆变失败的原因与最小逆变角的限制3.7有源逆变电路

逆变——将直流电转换成交流电，对应于整流的逆

过程。逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路有源逆变电路—交流侧和电网连接

有源逆变指的是将直流电转换成交流电后，将其返送回电网。

这里的“源”指的就是电网。例如当电力机车下坡行驶时，电力机车工作于发电制动状态，将位能转变为电能，反送到交流电网中去。

有源逆变常用于直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速系统以及高压直流输电系统等。无源逆变电路—变流电路的交流侧不与电网连接，而是直接连接在负载上（下章介绍）

对于同一个晶闸管相控电路，既可以工作在整流状态，在满足一定条件时又可以工作于有源逆变状态，其电路形式未变，只是电路工作条件发生了转变。3.7有源逆变电路

3.7.1逆变的概念图3-30两个直流电源相连时电能的传递情况图3-30a)

中E1＞E2，电流从E1流向E2。

E1发出功率P1=E1I，E2接受功率P2=E2I，电阻消耗的功率为PR=(E1-E2)I。图3-30b)

中E2＞E1，电流反向，E1接受功率，E2发出功率。电流从电动势高的位置流向电动势低的位置，回路电阻很小，很小的电压差也能产生很大的电流。3.7有源逆变电路

3.7.1逆变的概念图3-30两个直流电源相连时电能的传递情况图3-30c)

中E1和E2顺向串联。

E1和E2都输出功率，电阻消耗的功率为

PR=(E1+E2)I。电阻很小，电流I很大。图3-30d)

中用直流电机M替代电源E2，EM为直流电机的反电动势，E1输出功率，M工作在电动状态。若直流电机制动，且EM＞E1，则电流I反向，直流电机发电，如图3-30e)

所示。3.7有源逆变电路

3.7.1逆变的概念图3-30两个直流电源相连时电能的传递情况

在前面介绍的相控整流电路中，直流电源E1是通过晶闸管对交流电源整流得来的，晶闸管的单向导电性决定了电流I的方向不能改变，若想实现直流电机的机械能转变为电能并向电网回馈，则只能通过改变直流电机的电枢极性，如图3-30f)

所示。此时若E1的极性不改变，则形成图3-30c)

的短路状况，故E1的极性也要对调。当EM＞E1时，即可实现电能回馈。3.7有源逆变电路

3.7.2三相半波有源逆变电路三相半波电路的整流和逆变及输出电压波形

整流电压正方向如图所示，规定直流电机工作于电动状态时反电动势EM的极性为上正下负。直流电机M发电回馈制动时，由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，只能改变EM的极性，变成下正上负。交流电网输出电功率电动机输出电功率O3.7有源逆变电路

3.7.2三相半波有源逆变电路图3-31三相半波有源逆变电路及输出电压波形

为了防止两个电压顺向串联，Ud的极性也必须反过来，即Ud应为负值，且|EM|＞|Ud|，才能将电能从直流侧传送到交流侧，实现逆变。此时直流电机M输出电功率，电网通过变流器吸收电功率。Ud的大小可通过改变触发角α来进行调节，逆变状态时Ud为负值，π/2<α≤π。在逆变工作状态下，虽然晶闸管导通时其阳极电位大部分时间处于交流电压的负半波，但由于外接直流电动势EM的存在，使晶闸管仍能承受正向电压而导通。O3.7有源逆变电路

3.7.2三相半波有源逆变电路图3-31三相半波有源逆变电路及输出电压波形

通常为分析方便，把α＞π/2的触发角用β=π-α表示，称为逆变角。α与β存在如下关系：α+β=π。逆变角β和触发角α的计量方向相反，触发角α是以自然换相点作为计量起始点，由此向右方计量；而逆变角β是以α=π（β=0）作为计量起始点，由此向左方计量。3.7有源逆变电路

3.7.2三相半波有源逆变电路表3-17三相半波有源逆变电路各区间工作情况ωtπ/6+α～5π/6+α5π/6+α～3π/2+α3π/2+α～13π/6+α晶闸管导通情况VT1导通，VT2、VT3截止VT2导通，VT1、VT3截止VT3导通，VT1、VT2截止uduaubucUd

id近似为水平直线，Id=(Ud–EM)/R，其中Ud和EM均为负值3.7有源逆变电路

3.7.3实现有源逆变的条件

晶闸管变流电路工作在逆变状态必须满足两个条件：

1）要有一个外加的直流电动势，其极性和晶闸管的导通方向一致，其绝对值∣EM∣大于变流器输出直流平均电压的幅值∣Ud∣；

2）晶闸管的触发角α＞π/2，使得Ud为负值。半控桥式整流电路或带续流二极管的整流电路，因其输出整流电压ud不能出现负值（最小值为零），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。要实现有源逆变，只能采用全控型变流电路。3.7有源逆变电路

3.7.4三相桥式有源逆变电路idudaTLd2VT1VT3VT5VT4VT6VT2d1bcREMα=00α=12003.7有源逆变电路

3.7.4三相桥式有源逆变电路图3-32三相桥式全控电路有源逆变状态时的电压波形3.7有源逆变电路

3.7.4三相桥式有源逆变电路图3-32三相桥式全控电路有源逆变状态时的电压波形3.7有源逆变电路

逆变和整流的区别：触发角α不同0<α≤π/2时，电路工作在整流状态π/2<α<π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3.7.4三相桥式有源逆变电路3.7有源逆变电路

3.7.4三相桥式有源逆变电路

逆变电压平均值为

Ud=-2.34U2cosβ=-1.35U2lcosβ

逆变状态时，Ud和EM的极性都与整流状态时相反，均为负值。

如果考虑变压器漏抗引起的换相重叠角的影响，则逆变电压平均值Ud要比不考虑变压器漏抗时更低(负的幅值更大)。

输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即

晶闸管电流有效值为

从交流电源送到直流侧负载的有功功率为3.7有源逆变电路

3.7.4三相桥式有源逆变电路

当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd为负值，表示功率由直流电源输送回交流电网。3.7有源逆变电路

3.7.4三相桥式有源逆变电路

在三相桥式电路中，每个周期内流经电源线电流的导通角为4π/3，是每只晶闸管导通角2π/3的两倍，因此变压器二次线电流的有效值为3.7有源逆变电路

3.7.5有源逆变失败的原因与最小逆变角的限制

逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，就会形成很大的短路电流，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。■逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，形成很大的短路电流，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。■逆变失败的原因

◆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。

◆晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。◆交流电源缺相或突然消失。

◆换相的裕量角不足，引起换相失败。3.7有源逆变电路

3.7.5有源逆变失败的原因与最小逆变角的限制3.7.5.1逆变失败的原因1)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、脉冲延迟等，致使晶闸管不能正常换相，使交流电源电压与直流电动势顺向串联，形成短路。

2)晶闸管发生故障，在应该阻断期间，器件失去阻断能力，或在应该导通期间，器件不能导通，造成逆变失败。造成逆变失败的原因很多，主要有下列几种情况：3.7有源逆变电路

3.7.5有源逆变失败的原因与最小逆变角的限制3.7.5.1逆变失败的原因3)逆变时，交流电源发生缺相或突然消失，由于直流电动势EM的存在，晶闸管仍可导通，直流电动势将通过晶闸管造成电路短路。

4)变压器漏抗引起的换相重叠角不足会给逆变工作带来不利的影响，甚至可能会造成换相失败。

为了防止逆变失败，不仅逆变角β不能等于零，而且不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。3.7有源逆变电路

图3-33交流侧电抗对逆变换相过程的影响当β>γ时，换相结束时，a相电压ua仍高于c相电压uc，晶闸管VT3承受反压而关断换相重叠角的影响如果β<γ时，在换相尚未结束时，电路的工作状态达到自然换相点P之后，uc将高于ua，晶闸管VT1承受反压而重新关断，VT3继续导通。该通的晶闸管VT3关断，而应该关断的晶闸管VT1不能关断，最终导致逆变失败。3.7.3逆变失败与最小逆变角的限制■确定最小逆变角

min的依据

◆逆变时允许采用的最小逆变角

应等于☞

为晶闸管的关断时间tq折合的电角度,约4

~5

☞

为换相重叠角，可查阅相关手册，也可根据表3-2计算，即根据逆变工作时

=-，并设

=，上式可改写成由此计算出

☞

'为安全裕量角，主要针对脉冲不对称程度（一般可达5

），约取为10

。◆设计逆变电路时，必须保证

>

min

，因此常在触发电路中附加一保护环节，保证触发脉冲不进入小于

min的区域内。这样最小逆变角βmin一般取30~35°3.7有源逆变电路

3.7.5有源逆变失败的原因与最小逆变角的限制3.7.5.2确定最小逆变角βmin的依据逆变时允许采用的最小逆变角β应等于

βmin=δ+γ+θ'

式中，δ为晶闸管的关断时间tq折合的电角度；γ为换相重叠角；θ'为安全裕量角。

晶闸管的关断时间tq可达200~300μs，折算成电角度δ大约为4~5°。换相重叠角γ与Id和XB有关，它随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。3.7有源逆变电路

3.7.5有源逆变失败的原因与最小逆变角的限制3.7.5.2确定最小逆变角βmin的依据

换相重叠角γ当电路参数确定后，换相重叠角γ也就确定了。安全裕量角θ’是十分需要的。当变流器工作在逆变状态时，由于种种原因，会影响逆变角β的大小，如不考虑裕量，势必有可能破坏β>βmin的关系，导致逆变失败。例如脉冲的不对称程度一般可达5°左右，若不设安全裕量角θ'，偏后的脉冲相当于β变小，就可能小于βmin，导致逆变失败。一般取安全裕量角θ'=10°比较合适。这样最小逆变角βmin一般取30~35°。设计逆变电路时，必须保证β≥βmin，因此常在触发电路中附加一个保护环节，保证触发脉冲不进人小于βmin的区域内。3.7有源逆变电路

本节要点1.有源逆变就是整流电路工作在特定条件下直流侧有源，源极性与管子导通方向一致，这样才有可能将直流侧的电能通过管子送回电网触发角α>90°，逆变角β<90°，使Ud为负值。2.逆变会失败，为了防止逆变失败，一定要限制最小逆变角

换相重叠角γ

晶闸管的关断时间tq折合的电角度δ

安全裕量角θ'（1）必须有一个能释放能量的直流电源，且该直流电源的正极性要对应晶闸管的阳极。并且释放能量的直流电源，其幅值E要大于晶闸管处于逆变状态时的输出电压（Ud

）（2）从控制角度看，控制角

必须为

>90º（

<90º）。（3）带续流二极管的晶闸管电路或半控型晶闸管电路不能逆变。（4）若回路中串有