有源逆變電路培訓教程

第3章有源逆變電路3.1逆變的概念3.2三相半波逆變電路3.3三相橋式逆變電路3.4逆變失敗原因分析及逆變角的限制習題及思考題第一頁，共四十五頁。3.1逆變的概念3.1.1整流與逆變的關系

前面兩章討論的是把交流電能通過晶閘管變換為直流電能并供給負載的可控整流電路。但生產(chǎn)實際中，往往還會出現(xiàn)需要將直流電能變換為交流電能的情況。例如，應用晶閘管的電力機車，當機車下坡運行時，機車上的直流電機將由于機械能的作用作為直流發(fā)電機運行，此時就需要將直流電能變換為交流電能回送電網(wǎng)，以實現(xiàn)電機制動。又如，運轉(zhuǎn)中的直流電機，要實現(xiàn)快速制動，較理想的辦法是將該直流電機作為直流發(fā)電機運行，并利用晶閘管將直流電能變換為交流電能回送電網(wǎng)，從而實現(xiàn)直流電機的發(fā)電機制動。第二頁，共四十五頁。相對于整流而言，逆變是它的逆過程，一般習慣于稱整流為順變，則逆變的含義就十分明顯了。下面的有關分析將會說明，整流裝置在滿足一定條件下可以作為逆變裝置應用。即同一套電路，既可以工作在整流狀態(tài)，也可以工作在逆變狀態(tài)，這樣的電路統(tǒng)稱為變流裝置。變流裝置如果工作在逆變狀態(tài)，其交流側(cè)接在交流電網(wǎng)上，電網(wǎng)成為負載，在運行中將直流電能變換為交流電能并回送到電網(wǎng)中去，這樣的逆變稱為“有源逆變”。如果逆變狀態(tài)下的變流裝置，其交流側(cè)接至交流負載，在運行中將直流電能變換為某一頻率或可調(diào)頻率的交流電能供給負載，這樣的逆變則稱為“無源逆變”或變頻電路。第三頁，共四十五頁。3.1.2電源間能量的變換關系圖3-1兩個電源間能量的傳送(a)同極性連接E1>E2;(b)同極性連接E2>E1；(c)反極性連接第四頁，共四十五頁。圖3-1(a)表示直流電源E1和E2同極性相連。當E1＞E2時，回路中的電流為式中R為回路的總電阻。此時電源E1輸出電能E1I，其中一部分為R所消耗的I2R，其余部分則為電源E2所吸收的E2I。注意上述情況中，輸出電能的電源其電勢方向與電流方向一致，而吸收電能的電源則二者方向相反。第五頁，共四十五頁。在圖3-1(b)中，兩個電源的極性均與圖3-1(a)中相反，但還是屬于兩個電源同極性相連的形式。如果電源E2＞E1，則電流方向如圖，回路中的電流I為此時，電源E2輸出電能，電源E1吸收電能。在圖3-1(c)中，兩個電源反極性相連，則電路中的電流I為此時電源E1和E2均輸出電能，輸出的電能全部消耗在電阻R上。如果電阻值很小，則電路中的電流必然很大；若R=0，則形成兩個電源短路的情況。第六頁，共四十五頁。綜上所述，可得出以下結(jié)論：(1)兩電源同極性相連，電流總是從高電勢流向低電勢電源，其電流的大小取決于兩個電勢之差與回路總電阻的比值。如果回路電阻很小，則很小的電勢差也足以形成較大的電流，兩電源之間發(fā)生較大能量的交換。(2)電流從電源的正極流出，該電源輸出電能；而電流從電源的正極流入，該電源吸收電能。電源輸出或吸收功率的大小由電勢與電流的乘積來決定，若電勢或者電流方向改變，則電能的傳送方向也隨之改變。(3)兩個電源反極性相連，如果電路的總電阻很小，將形成電源間的短路，應當避免發(fā)生這種情況。第七頁，共四十五頁。3.1.3有源逆變電路的工作原理圖3-2直流卷揚系統(tǒng)(a)提升重物；(b)放下重物第八頁，共四十五頁。

1．整流工作狀態(tài)（0＜α＜π/2）由第１章的學習已知，對于單相全控整流橋，當控制角α在0～π/2之間的某個對應角度觸發(fā)晶閘管時，上述變流電路輸出的直流平均電壓為Ud=Udocosα，因為此時α均小于π/2，故Ud為正值。在該電壓作用下，直流電機轉(zhuǎn)動，卷揚機將重物提升起來，直流電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的反電勢為ED，且ED略小于輸出直流平均電壓Ud，此時電樞回路的電流為第九頁，共四十五頁。

2．中間狀態(tài)（α=π/2）當卷揚機將重物提升到要求高度時，自然就需在某個位置停住，這時只要將控制角α調(diào)到等于π/2的位置，變流器輸出電壓波形中，其正、負面積相等，電壓平均值Ud為零，電動機停轉(zhuǎn)（實際上采用電磁抱閘斷電制動），反電勢ED也同時為零。此時，雖然Ud為零，但仍有微小的直流電流存在，有關波形如圖3-3(b)所示。注意，此時電路處于動態(tài)平衡狀態(tài)，與電路切斷、電動機停轉(zhuǎn)具有本質(zhì)的不同。第十頁，共四十五頁。

3．有源逆變工作狀態(tài)（π/2＜α＜π）上述卷揚系統(tǒng)中，當重物放下時，由于重力對重物的作用，必將牽動電機使之向與重物上升相反的方向轉(zhuǎn)動，電機產(chǎn)生的反電勢ED的極性也將隨之反相。如果變流器仍工作在α＜π/2的整流狀態(tài)，從上面曾分析過的電源能量流轉(zhuǎn)關系不難看出，此時將發(fā)生電源間類似短路的情況。為此，只能讓變流器工作在α＞π/2的狀態(tài)，因為當α＞π/2時，其輸出直流平均電壓Ud為負，出現(xiàn)類似圖3-1(b)中兩電源極性同時反向的情況，此時如果能滿足ED＞Ud，則回路中的電流為第十一頁，共四十五頁。電流的方向是從電勢ED的正極流出，從電壓Ud的正極流入，電流方向未變。顯然，這時電動機為發(fā)電狀態(tài)運行，對外輸出電能，變流器則吸收上述能量并饋送回交流電網(wǎng)去，此時的電路進入到有源逆變工作狀態(tài)。上述三種變流器的工作狀態(tài)可以用圖3-3所示波形表示。圖中反映出隨著控制角α的變化，電路分別從整流到中間狀態(tài)，然后進入有源逆變的過程。第十二頁，共四十五頁。圖3-3直流卷揚機系統(tǒng)的電壓電流波形(a)整流；(b)中間狀態(tài)；(c)有源逆變第十三頁，共四十五頁?，F(xiàn)在應深入分析的問題是，上述電路在α＞π/2時是否能夠工作？如何理解此時輸出直流平均電壓Ud為負值的含義?上述晶閘管供電的卷揚系統(tǒng)中，當重物下降，電動機反轉(zhuǎn)并進入發(fā)電狀態(tài)運行時，電機電勢ED實際上成了使晶閘管正向?qū)ǖ碾娫础．敠粒睛?2時，只要滿足Ed＞|u2|，晶閘管就可以導通工作，在此期間，電壓ud大部分時間均為負值，其平均電壓Ud自然為負，電流則依靠電機電勢ED及電感Ld兩端感應電勢的共同作用加以維持。正因為上述工作特點，才出現(xiàn)了電機輸出能量，變流器吸收并通過變壓器向電網(wǎng)回饋能量的情況。第十四頁，共四十五頁。1）外部條件務必要有一個極性與晶閘管導通方向一致的直流電勢源。這種直流電勢源可以是直流電機的電樞電勢，也可以是蓄電池電勢。它是使電能從變流器的直流側(cè)回饋交流電網(wǎng)的源泉，其數(shù)值應稍大于變流器直流側(cè)輸出的直流平均電壓。第十五頁，共四十五頁。2）內(nèi)部條件要求變流器中晶閘管的控制角α＞π/2，這樣才能使變流器直流側(cè)輸出一個負的平均電壓，以實現(xiàn)直流電源的能量向交流電網(wǎng)的流轉(zhuǎn)。上述兩個條件必須同時具備才能實現(xiàn)有源逆變。必須指出，對于半控橋或者帶有續(xù)流二極管的可控整流電路，因為它們在任何情況下均不可能輸出負電壓，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)反極性的直流電勢，所以不能實現(xiàn)有源逆變。第十六頁，共四十五頁。有源逆變條件的獲得，必須視具體情況進行分析。例如上述直流電機拖動卷揚機系統(tǒng)，電機電勢ED的極性可隨重物的“提升”與“下降”自行改變并滿足逆變的要求。對于電力機車，上、下坡道行駛時，因車輪轉(zhuǎn)向不變，故在下坡發(fā)電制動時，其電機電勢ED的極性不能自行改變，為此必須采取相應措施，例如可利用極性切換開關來改變電機電勢ED的極性，否則系統(tǒng)將不能進入有源逆變狀態(tài)運行。第十七頁，共四十五頁。3.2三相半波逆變電路圖3-4三相半波共陰極逆變電路及有關波形(a)整流工作狀態(tài)；(b)逆變工作狀態(tài)第十八頁，共四十五頁。3.2.1電路的整流工作狀態(tài)（0＜α＜π/2）圖3-4(a)所示電路中，α=30°時依次觸發(fā)晶閘管，其輸出電壓波形如圖黑實線所示。因負載回路中接有足夠大的平波電感，故電流連續(xù)。對于α=30°的情況，輸出電壓瞬時值均為正，其平均電壓自然為正值。對于在0＜α＜π/2范圍內(nèi)的其它移相角，即使輸出電壓的瞬時值ud有正也有負，但正面積總是大于負面積，輸出電壓的平均值Ud也總為正，其極性如圖為上正下負，而且Ud略大于ED。此時電流Id從Ud的正端流出，從ED的正端流入，能量的流轉(zhuǎn)關系為交流電網(wǎng)輸出能量，電機吸收能量以電動狀態(tài)運行。第十九頁，共四十五頁。3.2.2電路的逆變工作狀態(tài)（π/2＜α＜π）假設此時電動機端電勢已反向，即下正上負，設逆變電路移相角α=150°，依次觸發(fā)相應的晶閘管，如圖在ωt1時刻觸發(fā)a相晶閘管V1，雖然此時ua=0，但晶閘管V1因承受ED的作用，仍可滿足導電條件而工作，并相應輸出ua相電壓。V1被觸發(fā)導通后，雖然ua已為負值，因ED的存在，且|ED|＞|ua|，V1仍然承受正向電壓而導通，即使不滿足|ED|＞|ua|，由于平波電感的存在，釋放電能，L的感應電勢也仍可使V1承受正向電壓繼續(xù)導通。因電感L足夠大，故主回路電流連續(xù)，V1導電120°后由于V2的被觸發(fā)而截止，V2被觸發(fā)導通后，由于此時ub＞ua，故V1承受反壓關斷，完成V1與V2之間的換流，這時電路輸出電壓為ub，如此循環(huán)往復。第二十頁，共四十五頁。電路輸出電壓的波形如圖3-4(b)中黑實線所示。當α在π/2～π范圍內(nèi)變化時，其輸出電壓的瞬時值ud在整個周期內(nèi)也是有正有負或者全部為負，但是負電壓面積將總是大于正面積，故輸出電壓的平均值Ud為負值。其極性如圖為下正上負。此時電機端電勢ED稍大于Ud，主回路電流Id方向依舊，但它從ED的正極流出，從Ud的正極流入，這時電機向外輸出能量，以發(fā)電機狀態(tài)運行，交流電網(wǎng)吸收能量，電路以有源逆變狀態(tài)運行。因晶閘管V1、V2、V3的交替導通工作完全與交流電網(wǎng)變化同步，從而可以保證能夠把直流電能變換為與交流電網(wǎng)電源同頻率的交流電回饋電網(wǎng)。一般均采用直流側(cè)的電壓和電流平均值來分析變流器所連接的交流電網(wǎng)究竟是輸出功率還是輸入功率。這樣，變流器中交流電源與直流電源能量的流轉(zhuǎn)就可以按有功功率Pd=UdId來分析，整流狀態(tài)時，Ud＞0，Pd＞0則表示電網(wǎng)輸出功率；逆變狀態(tài)時，Ud＜0，Pd＜0則表示電網(wǎng)吸收功率。第二十一頁，共四十五頁。在整流狀態(tài)中，變流器內(nèi)的晶閘管在阻斷時主要承受反向電壓，而在逆變狀態(tài)工作中，晶閘管阻斷時主要承受正向電壓。變流器中的晶閘管，無論在整流或是逆變狀態(tài)，其阻斷時承受的正向或反向電壓峰值均應為線電壓的峰值，在選擇晶閘管額定參數(shù)時應予注意。為分析和計算方便，通常把逆變工作時的控制角改用β表示，令β=π-α，稱為逆變角。規(guī)定α=π時作為計算β的起點，和α的計量方向相反，β的計量方向是由右向左。變流器整流工作時，α＜π/2，相應的β＞π/2，而在逆變工作時，α＞π/2而β＜π/2。第二十二頁，共四十五頁。逆變時，其輸出電壓平均值的計算公式可改寫成

β從π/2逐漸減小時，其輸出電壓平均值Ud的絕對值逐漸增大，其符號為負值。逆變電路中，晶閘管之間的換流完全由觸發(fā)脈沖控制，其換流趨勢總是從高電壓向更低的陽極電壓過渡。這樣，對觸發(fā)脈沖就提出了格外嚴格的要求，其脈沖必須嚴格按照規(guī)定的順序發(fā)出，而且要保證觸發(fā)可靠，否則極容易造成因晶閘管之間的換流失敗而導致的逆變顛覆。第二十三頁，共四十五頁。3.3三相橋式逆變電路3.3.1逆變工作原理及波形分析圖3-5三相橋式有源逆變電路及有關波形(a)電路；(b)輸入電壓；(c)輸出電壓(a)電路第二十四頁，共四十五頁。圖3-5三相橋式有源逆變電路及有關波形(a)電路；(b)輸入電壓；(c)輸出電壓第二十五頁，共四十五頁。3.3.1逆變工作原理及波形分析三相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)如圖3-5(a)所示。如果變流器輸出電壓Ud與直流電機電勢ED的極性如圖所示（均為上負下正），當電勢ED略大于平均電壓Ud時，回路中產(chǎn)生的電流Id為電流Id的流向是從ED的正極流出而從Ud的正極流入，即電機向外輸出能量，以發(fā)電狀態(tài)運行；變流器則吸收能量并以交流形式回饋到交流電網(wǎng)，此時電路即為有源逆變工作狀態(tài)。第二十六頁，共四十五頁。電勢ED的極性由電機的運行狀態(tài)決定，而變流器輸出電壓Ud的極性則取決于觸發(fā)脈沖的控制角。欲得到上述有源逆變的運行狀態(tài)，顯然電機應以發(fā)電狀態(tài)運行，而變流器晶閘管的觸發(fā)控制角α應大于π/2，或者逆變角β小于π/2。有源逆變工作狀態(tài)下，電路中輸出電壓的波形如圖3-5(c)實線所示。此時，晶閘管導通的大部分區(qū)域均為交流電的負電壓，晶閘管在此期間由于ED的作用仍承受極性為正的相電壓，所以輸出的平均電壓就為負值。第二十七頁，共四十五頁。三相橋式逆變電路一個周期中的輸出電壓由6個形狀相同的波頭組成，其形狀隨β的不同而不同。該電路要求6個脈沖，兩脈沖之間的間隔為π/3，分別按照1，2，3，…，6的順序依次發(fā)出，其脈沖寬度應大于π/3或者采用“雙窄脈沖”輸出。上述電路中，晶閘管阻斷期間主要承受正向電壓，而且最大值為線電壓的峰值。第二十八頁，共四十五頁。3.3.2電路中基本電量的計算由于三相橋式逆變電路相當于兩組三相半波逆變電路的串聯(lián)，故該電路輸出平均電壓應為三相半波逆變電路輸出平均電壓的兩倍，即式中U2φ為交流側(cè)變壓器副邊相電壓有效值。輸出電流平均值為式中，RB為變壓器繞組的等效電阻；RD為變流器直流側(cè)總電阻。第二十九頁，共四十五頁。輸出電流的有效值為式中IN為第N次諧波電流有效值。N的取值由波形的諧波分析展開式確定。晶閘管流過電流的平均值為晶閘管流過電流的有效值為第三十頁，共四十五頁。3.4逆變失敗原因分析及逆變角的限制電路在逆變狀態(tài)運行時，如果出現(xiàn)晶閘管換流失敗，則變流器輸出電壓與直流電壓將順向串聯(lián)并相互加強，由于回路電阻很小，必將產(chǎn)生很大的短路電流，以至可能將晶閘管和變壓器燒毀，上述事故稱之為逆變失敗或叫做逆變顛覆。第三十一頁，共四十五頁。造成逆變失敗的原因很多，大致可歸納為以下四個方面。

1.觸發(fā)電路工作不可靠因為觸發(fā)電路不能適時、準確地供給各晶閘管觸發(fā)脈沖，造成脈沖丟失或延遲以及觸發(fā)功率不夠，均可導致?lián)Q流失敗。一旦晶閘管換流失敗，勢必形成一只元件從承受反向電壓導通延續(xù)到承受正向電壓導通，Ud反向后將與ED順向串聯(lián)，出現(xiàn)逆變顛覆。第三十二頁，共四十五頁。

2.晶閘管出現(xiàn)故障如果晶閘管參數(shù)選擇不當，例如額定電壓選擇裕量不足，或者晶閘管存在質(zhì)量問題，都會使晶閘管在應該阻斷的時候喪失了阻斷能力，而應該導通的時候卻無法導通。讀者不難從有關波形圖上分析發(fā)現(xiàn)，晶閘管出現(xiàn)故障也將導致電路的逆變失敗。第三十三頁，共四十五頁。3.交流電源出現(xiàn)異常從逆變電路電流公式可看出，電路在有源逆變狀態(tài)下，如果交流電源突然斷電或者電源電壓過低，上述公式中的Ud都將為零或減小，從而使電流Id增大以至發(fā)生電路逆變失敗。第三十四頁，共四十五頁。

4.電路換相時間不足有源逆變電路的控制電路在設計時，應充分考慮到變壓器漏電感對晶閘管換流的影響以及晶閘管由導通到關斷存在著關斷時間的影響，否則將由于逆變角β太小造成換流失敗，從而導致逆變顛覆的發(fā)生。現(xiàn)以共陰極三相半波電路為例，分析由于β太小而對逆變電路產(chǎn)生的影響，電路結(jié)構(gòu)及有關波形如圖3-6所示。第三十五頁，共四十五頁。設電路變壓器漏電感引起的電流重疊角為γ，原來的逆變角為β1，觸發(fā)a相對應的V1導通后，將逆變角β1改為β，且β＜γ，如圖所示。這時正好V2和V3進行換流，二者的換流是從ωt2為起點向左β角度的ωt1時刻觸發(fā)V3管開始的，此時，V2的電流逐漸下降，V3的電流逐漸上升，由于β＜γ，到達ωt2時刻（β=0），晶閘管V2中的電流尚未降至零，故V2此時并未關斷，以后V2承受的陽極電壓高于V3承受的陽極電壓，所以它將繼續(xù)導通，V3則由于承受反壓而關斷。V2繼續(xù)導通的結(jié)果是使電路從逆變過渡到整流狀態(tài)，電機電勢與變流器輸出電壓順向串聯(lián)，造成逆變失敗。第三十六頁，共四十五頁。在設計逆變電路時，應考慮到最小β角的限制，用βmin角除受上述重疊角γ的影響外，還應考慮到元件關斷時間tq（對應的電角度為δ）以及一定的安全裕量角θα，從而取βmin=γ＋δ＋θα一般取βmin為30°～35°，以保證逆變時正常換流。一般在觸發(fā)電路中均設有最小逆變角保護，觸發(fā)脈沖移相時，確保逆變角β不小于βmin。第三十七頁，共四十五頁。圖3-6變壓器漏抗對逆變的影響(a)電路；(b)輸出電流、電壓波形第三十八頁，共四十五頁。習題及思考題1.區(qū)別下列概念：（1）整流與待整流;（2）逆變與待逆變;（3）有源逆變與無源逆變。2.為什么有源逆變工作時，變流器直流側(cè)會出現(xiàn)負的直流電壓，而如果變流器帶電阻負載或電阻串接大電感負載時卻不能在直流側(cè)出現(xiàn)負的直流電壓？第三十九頁，共四十五頁。3.在圖3-7中，兩個電機一個工作在整流電動機狀態(tài)，另一個工作在逆變