第四章：有源逆變

1、有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-0有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-1 什么是逆變？為什么要逆變？什么是逆變？為什么要逆變？逆變（逆變（invertioninvertion）把直流電轉變成交流把直流電轉變成交流電，整流的逆過程。電，整流的逆過程。v實例：電力機車再生制動行駛，機車的動能實例：電力機車再生制動行駛，機車的動能轉變?yōu)殡娔?，反送到交流電網中去。轉變?yōu)殡娔?，反送到交流電網中去。逆變電路逆變電路把直流電逆變成交流電的電路。把直流電逆變成交流電的電路。v有源逆變電路有源逆變電路逆變電路的交流側和電網逆變電路的交流側和電網連接，將直流電逆變成與電網同

2、頻率的交流連接，將直流電逆變成與電網同頻率的交流電反送到電網。電反送到電網。（本章介紹）（本章介紹）有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-2v無源逆變電路無源逆變電路變流電路的交流側不與電變流電路的交流側不與電網連接，而直接接到負載，將直流電逆變成網連接，而直接接到負載，將直流電逆變成固定頻率或可調頻率的交流電供給負載。固定頻率或可調頻率的交流電供給負載。（將在第（將在第6 6章介紹）章介紹）對于對于全控全控整流電路，滿足一定條件就可工作于整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件發(fā)生改變。既可工作在整流狀

3、態(tài)又可工作在件發(fā)生改變。既可工作在整流狀態(tài)又可工作在逆變狀態(tài)的電路又稱為變流電路。逆變狀態(tài)的電路又稱為變流電路。有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-34.14.1 有源逆變電路的工作原理（概念）有源逆變電路的工作原理（概念）4.24.2 三相有源逆變電路三相有源逆變電路4.34.3 有源逆變的應用有源逆變的應用4.44.4 變流電路的功率因數及改善方法變流電路的功率因數及改善方法有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-4一、一、有源逆變的有源逆變的概念概念1 1、直流發(fā)電機、直流發(fā)電機電動機系統(tǒng)電能的流轉電動機系統(tǒng)電能的流轉 圖a M電動運轉，EGEM，電流Id

4、從G流向M，M吸收電功率。 圖b 回饋制動狀態(tài)，M作發(fā)電運轉，此時，EMEG，電流反向，從M流向G。故M輸出電功率，G則吸收電功率，M軸上輸入的機械能轉變?yōu)殡娔芊此徒oG。 圖c 兩電動勢順向串聯，向電阻R供電，G和M均輸出功率。由于R 一般都很小，實際上形成短路。c)b)a)MGMGMGEGEMIdREGEMIdREGEMIdR4 . 1 有源逆變電路的工作原理有源逆變電路的工作原理有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-52、變流電路、變流電路 電動機系統(tǒng)電能的流轉電動機系統(tǒng)電能的流轉用單相全波電路代替上述發(fā)電機用單相全波電路代替上述發(fā)電機a)b)圖2-45R+-電能M102u

5、10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM電能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUd E EM M，才能輸出，才能輸出I Id d。交流交流電網電網輸出輸出電功電功率率電動機輸入電動機輸入電功率電功率電電動動機機輸輸出出電電功功率率交流電網輸交流電網輸入電功率入電功率圖圖b M回饋制動，因晶閘管單向導電，回饋制動，因晶閘管單向導電，Id方向不變，欲方向不變，欲改變電能的輸送方向，只能改變改變電能的輸送方向，只能改變EM、 Ud的極性，即的極性，即Ud應為負值，且應為負值，且|EM | |Ud |。 U Ud d可通

6、過改變可通過改變 來進行調節(jié)，逆變狀態(tài)時來進行調節(jié)，逆變狀態(tài)時U Ud d為負值，為負值，逆變時逆變時 在在 /2 /2 之之間。間。有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-63 3、實現有源、實現有源逆變的條件逆變的條件從上述分析中，可以歸納出要實現有源逆變，從上述分析中，可以歸納出要實現有源逆變，必須滿足下列條件：必須滿足下列條件： （1 1）有直流電動勢，其極性和晶閘管導通方向一）有直流電動勢，其極性和晶閘管導通方向一 致，其值大于變流器直流側平均電壓。（外致，其值大于變流器直流側平均電壓。（外部條件）部條件） （2 2）晶閘管的控制角）晶閘管的控制角 /2/2，使，使U

7、Ud d為負值。（內為負值。（內部條件）部條件）半控橋或輸出端有續(xù)流二極管的電路，因其半控橋或輸出端有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓整流電壓u ud d不能出現負值，故不能實現有源逆不能出現負值，故不能實現有源逆變。變。欲實現有源逆變，只能采用全控電路。欲實現有源逆變，只能采用全控電路。有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-74、改變電樞電勢、改變電樞電勢 E 極性的方法極性的方法（1）某些機械能隨著工況的不同自動改變）某些機械能隨著工況的不同自動改變E的的 極性（如直流卷揚機）。極性（如直流卷揚機）。（2）改變勵磁電流方向。）改變勵磁電流方向。（3）反接電樞回路。）反接電樞回

8、路。有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-85、逆變角、逆變角 為了方便，電路進入逆變狀態(tài)時，通常用逆為了方便，電路進入逆變狀態(tài)時，通常用逆變角變角 （或稱引前觸發(fā)角）（或稱引前觸發(fā)角）表示相控角度。表示相控角度。規(guī)定：規(guī)定： 角計算的起始點為控制角角計算的起始點為控制角 = 處，處，計算方法為：自計算方法為：自 = （ = 0 ）的起始點）的起始點向左方計量。向左方計量。 、 的關系：的關系： = 或或 = 有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-9二、二、單相橋式有源逆變電路單相橋式有源逆變電路1、變流器工作于、變流器工作于整流狀態(tài)（整流狀態(tài)（ 0 2 ） U

9、d 0 , E 0，Ud E，M工作于電動狀工作于電動狀態(tài)態(tài)有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-102、變流器工作于、變流器工作于逆變狀態(tài)（逆變狀態(tài)（ 2 ）電動機工作于發(fā)電狀態(tài)，由于電動機工作于發(fā)電狀態(tài)，由于Id方向不能改變，方向不能改變，因而要求：因而要求：E 0 （反極性），（反極性），Ud 0 （反極性）（反極性）且且 Ud E 有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-113、單相橋式電路逆變電壓的計算、單相橋式電路逆變電壓的計算變流器直流側電壓計算公式變流器直流側電壓計算公式考慮換相重疊角考慮換相重疊角 其它的電量，如負載電流平均值、晶閘管電流其它的電

10、量，如負載電流平均值、晶閘管電流平均值和有效值，變壓器的容量計算等，均可平均值和有效值，變壓器的容量計算等，均可按照整流電路的計算原則進行按照整流電路的計算原則進行 。cosU9 . 0cos0.9UU22ddBIx2cosU9 . 0U2d222coscos(UIx)dB有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-12 一、一、 三相半波有源逆變電路三相半波有源逆變電路1、變流器工作于、變流器工作于整流狀態(tài)（整流狀態(tài)（ 0 2 ） Ud 0 , E 0， Ud E， M工作于電動工作于電動狀態(tài)狀態(tài)有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-132、變流器工作于、變流器工作

11、于逆變狀態(tài)（逆變狀態(tài)（ 2 ）電動機工作于發(fā)電狀態(tài)，由于電動機工作于發(fā)電狀態(tài)，由于Id方向不能改變，方向不能改變，因而要求：因而要求：Ud 0 （反極性）（反極性） , E 0 （反極性）（反極性） Ud E 有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-14有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-153、三相半波電路逆變電壓的計算、三相半波電路逆變電壓的計算變流器直流側電壓計算變流器直流側電壓計算考慮換相重疊角考慮換相重疊角cosU17. 1cos U1.17U22ddBIx23cosU17. 1U2d262coscos(UIx)dB 其它的電量，如負載電流平均值、晶閘

12、管電流平其它的電量，如負載電流平均值、晶閘管電流平均值和有效值，變壓器的容量計算等，均可按照整均值和有效值，變壓器的容量計算等，均可按照整流電路的計算原則進行流電路的計算原則進行 。有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-161、變流器工作于、變流器工作于逆變狀態(tài)（逆變狀態(tài)（ 2 ） Ud 0 , E 0 ， Ud E 有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-172、三相橋式電路逆變電壓的計算、三相橋式電路逆變電壓的計算變流器直流側電壓計算公式變流器直流側電壓計算公式考慮換相重疊角考慮換相重疊角 其它的電量，如負載電流平均值、晶閘管電流其它的電量，如負載電流平均值、

13、晶閘管電流平均值和有效值，變壓器的容量計算等，均可平均值和有效值，變壓器的容量計算等，均可按照整流電路的計算原則進行按照整流電路的計算原則進行 。cosU34. 2cos2.34UU22ddBIx3cosU34. 2U2d262coscos(UIx)dB有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-18 1、定義、定義 逆變運行時，一旦發(fā)生換相失敗，整流電路就由逆變運行時，一旦發(fā)生換相失敗，整流電路就由逆變工作狀態(tài)進入整流工作狀態(tài)，使輸出平均電逆變工作狀態(tài)進入整流工作狀態(tài)，使輸出平均電壓壓Ud和直流電勢變成順向串聯，或者使外接直流和直流電勢變成順向串聯，或者使外接直流電勢通過電勢通過S

14、CR電路形成短路，這種情況稱為逆變電路形成短路，這種情況稱為逆變失敗，或稱為逆變顛覆。失敗，或稱為逆變顛覆。有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-19（1）觸發(fā)脈沖丟失）觸發(fā)脈沖丟失T2的觸發(fā)脈沖的觸發(fā)脈沖ug2丟失丟失以三相半波可控電路為例以三相半波可控電路為例有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-20（2）觸發(fā)脈沖延遲）觸發(fā)脈沖延遲T2的觸發(fā)脈沖的觸發(fā)脈沖ug2延遲延遲有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-21（3）晶閘管發(fā)生故障）晶閘管發(fā)生故障（指（指晶閘管失去阻斷能力或晶閘管失去阻斷能力或失去導通能力）失去導通能力）T3失去阻斷能力失去阻

15、斷能力有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-22（4）換相的裕量角不足）換相的裕量角不足有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-23（5）交流電源發(fā)生異?，F象，如）交流電源發(fā)生異?，F象，如 交流電源突然斷電交流電源突然斷電 交流電源電壓太低交流電源電壓太低 交流電源缺相交流電源缺相 不論什么原因，逆變失敗的后果都是造不論什么原因，逆變失敗的后果都是造成電流急劇上升！成電流急劇上升！有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-24（1）預防措施）預防措施采用可靠的觸發(fā)電路，保證觸發(fā)脈沖不丟采用可靠的觸發(fā)電路，保證觸發(fā)脈沖不丟失、不延遲；失、不延遲；選用有足

16、夠阻斷能力的選用有足夠阻斷能力的SCR，防止誤導通；，防止誤導通；逆變角逆變角 不能太小，必須限制在某一允許不能太小，必須限制在某一允許的最小角度內的最小角度內。（2）保護措施：）保護措施：裝快速熔斷器或快速開關；裝快速熔斷器或快速開關；有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-25（1）最小逆變角）最小逆變角 min = + + : 換相重疊角（約為換相重疊角（約為15 20 ） : 恢復阻斷角恢復阻斷角SCR的關斷時間的關斷時間 tq 折合的折合的電角，電角， = tqtq約為約為200300 s，折算成電角度，折算成電角度約約4 5 : 安全裕量角（一般取安全裕量角（一般取1

17、0 ）最小逆變角最小逆變角min一般可取一般可取30 35 。角越大，逆變越可靠，但功率因數越低！角越大，逆變越可靠，但功率因數越低！有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-26例例4-1 三相全控橋式整流電路接阻感反電勢負載。三相全控橋式整流電路接阻感反電勢負載。已知整流變壓器副邊線電壓已知整流變壓器副邊線電壓 UAB=220V，交流，交流側電感側電感LB=0.5mH，R=2，E= -290V， =150，=100 ，Ld足夠大，求直流端電壓、足夠大，求直流端電壓、電流和交流電源的功率因數電流和交流電源的功率因數。解：交流側電抗為解：交流側電抗為 輸出直流平均電壓為輸出直流平均

18、電壓為 輸出電壓又可表示為輸出電壓又可表示為)(157. 0105 . 01003BBLxdBABdddIxUUUU26150cos35. 1cos0 ERIUdd有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-27負載側的功率為負載側的功率為負載功率為負值，表明負載側實際是發(fā)出電能回負載功率為負值，表明負載側實際是發(fā)出電能回饋到電網。饋到電網。所以交流電源的功率因數為所以交流電源的功率因數為)(396026.155 .259WIUPddd83. 077.4744396022026.153233960SPd)(5 .259290226.15)(26.1515. 022 .25729026

19、150cos35. 1)26(150cos35. 1VERIUAxRUEIxRIUEddBABdBdAB所以所以有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-28例例4-2 三相半波整流電路如圖例三相半波整流電路如圖例4.2所示，已知電所示，已知電動機處于穩(wěn)定的發(fā)電制動狀態(tài)，濾波電抗動機處于穩(wěn)定的發(fā)電制動狀態(tài)，濾波電抗Xd足足夠大，輸出電流連續(xù)而平直，電樞回路總電阻夠大，輸出電流連續(xù)而平直，電樞回路總電阻Ra0.5 ，電機端壓，電機端壓Ua220V，變壓器副邊，變壓器副邊相電壓相電壓U2220V，交流側換流電抗，交流側換流電抗XB0.21 。試完成下列要求：試完成下列要求： 1說明圖中

20、整流器輸出電壓說明圖中整流器輸出電壓U Ud d和電和電動機端電壓動機端電壓U Ua a的極性；的極性；2 2說明變流器控制角的調節(jié)范圍；說明變流器控制角的調節(jié)范圍；3 3如何調節(jié)電動機的制動強度？如何調節(jié)電動機的制動強度？4 4當制動電流當制動電流I Ia a103A103A時，系統(tǒng)向時，系統(tǒng)向交流電網回饋的功率有多大？此時交流電網回饋的功率有多大？此時變流器的逆變角為多少？變流器的逆變角為多少？有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-29解：解： 1. 由于電機處于穩(wěn)定的再生制動狀態(tài)，電由于電機處于穩(wěn)定的再生制動狀態(tài)，電動機向交流電網回饋電能動機向交流電網回饋電能 ，而晶閘管

21、不能逆向，而晶閘管不能逆向導通電流，據此可以確定整流器輸出電壓導通電流，據此可以確定整流器輸出電壓Ud和和電動機端電壓電動機端電壓Ua的極性為下的極性為下“+”上上“-”。 2 . 逆 變 工 作 時 控 制 角 的 理 論 范 圍 是逆 變 工 作 時 控 制 角 的 理 論 范 圍 是90180 180 ，為防止逆變顛覆，有最小，為防止逆變顛覆，有最小逆變角逆變角minmin限制，即控制角有最大值限制，即控制角有最大值maxmax的限的限制。制。minmin 受換流電流、交流側換相電抗及元件受換流電流、交流側換相電抗及元件關斷時間的影響，關斷時間的影響，minmin 大約在大約在35 左右

22、。因左右。因此 逆 變 工 作 時 控 制 角 的 范 圍 大 致 是此 逆 變 工 作 時 控 制 角 的 范 圍 大 致 是90150 150 。 有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-30解：解：4VRIUUaaad5 .1685 . 0103220kWIUPadd36.171035 .168VIxUUaBd5 .16823cos17. 12BaxIU,21 .52負號說明電網吸收電功率負號說明電網吸收電功率 代入代入 得得 ：3. 通過調節(jié)通過調節(jié) 角來調節(jié)制動強度，當角來調節(jié)制動強度，當 較大時，變較大時，變流器輸出逆變電壓較小，制動電流大，制動力就流器輸出逆變電壓較

23、小，制動電流大，制動力就強，反之亦然。強，反之亦然。有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-31 高壓直流輸電高壓直流輸電兩組晶閘管變流器的交流側分別與兩組晶閘管變流器的交流側分別與兩個交流系統(tǒng)兩個交流系統(tǒng)u u1 1、u u2 2連接，變流器連接，變流器的直流側相互關聯。的直流側相互關聯。 通過分別控制兩個變流器的工作狀態(tài)，通過分別控制兩個變流器的工作狀態(tài)，就可控制功率的流向。就可控制功率的流向。 在送電端，變流器工作于整流工況，在送電端，變流器工作于整流工況，在受電端變流器工作于逆變工況。在受電端變流器工作于逆變工況。 有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-3

24、2 繞線式異步電動機晶閘管串級調速系統(tǒng)繞線式異步電動機晶閘管串級調速系統(tǒng)轉子在不同的轉速下感應出轉差頻轉子在不同的轉速下感應出轉差頻率的電壓，經一組不控的三相橋式率的電壓，經一組不控的三相橋式變流器變成直流電壓，變流器變成直流電壓， 此電壓再經一組全控橋式變流器實此電壓再經一組全控橋式變流器實現有源逆變，把電能（轉差功率）現有源逆變，把電能（轉差功率）饋送回電網中去，饋送回電網中去， 改變逆變角的大小，即可改變饋送回改變逆變角的大小，即可改變饋送回電網電能的多少，從而達到改變電機電網電能的多少，從而達到改變電機轉速的目的。轉速的目的。 有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-33

25、 直流可逆電力拖動系統(tǒng)直流可逆電力拖動系統(tǒng)第一象限，變流器第一象限，變流器的控制角的控制角 1900，Ud1E，整流狀態(tài)，整流狀態(tài)，電機正轉電動運行；電機正轉電動運行； 第二象限，變流器第二象限，變流器的控制角的控制角 900，UdE，有源逆變狀態(tài)，有源逆變狀態(tài)，電機正轉發(fā)電制動機運行；電機正轉發(fā)電制動機運行； 第三象限，變流器第三象限，變流器的控制角的控制角 900， UdE，整流狀態(tài)，電，整流狀態(tài)，電機反轉電動運行；機反轉電動運行； 第四象限，變流器第四象限，變流器的控制角的控制角 1900，Ud1E，有源逆變狀態(tài)，有源逆變狀態(tài)，電機反轉發(fā)電制動運行。電機反轉發(fā)電制動運行。 有源逆變202

26、2-4-21北京交通大學電氣工程學院4-34一、變流電路的功率因數一、變流電路的功率因數1、定義、定義變流電路電網側有功功率與視在功率之比。變流電路電網側有功功率與視在功率之比。2、計算方法、計算方法1 = P/ S 若忽略變流電路損耗，若忽略變流電路損耗，P應等于整流負載功應等于整流負載功率。率。有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-353、計算方法、計算方法2 = cos cos ：相位移系數（基波的：相位移系數（基波的有功功率與有功功率與基波的基波的視在功率之比）視在功率之比） : 電流畸變系數（基波電流有效值電流畸變系數（基波電流有效值與總與總電流有效值電流有效值之比）

27、，即：之比），即： =I1/I有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-36 計算方法計算方法1cos9 . 0/cos9 . 0/cos9 . 0cos2222220ddddddddddIUIUSPIUIUSIUIUIUP有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-37 計算方法計算方法2cos9 . 0 tttIid5sin513sin31sin4119 . 09 . 024IIIIdd9 . 011II有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-381、全控變流器的半控工作狀態(tài)、全控變流器的半控工作狀態(tài)（提高基波功率因（提高基波功率因數）數） 整流波形整流

28、波形 逆變波形逆變波形有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-392、強迫換相、強迫換相（1）熄滅角控制（使基波電流超前電壓，對整）熄滅角控制（使基波電流超前電壓，對整個電力系統(tǒng)有利）個電力系統(tǒng)有利）有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-402、強迫換相、強迫換相（續(xù)）（續(xù)）（2）對稱角控制（使基波功率因數）對稱角控制（使基波功率因數=1）有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-412、強迫換相、強迫換相（續(xù)）（續(xù)）（3）脈沖寬度控制（使基波功率因數）脈沖寬度控制（使基波功率因數=1，同時，同時提高提高電流畸變系數電流畸變系數）有源逆變2022-4-

29、21北京交通大學電氣工程學院4-423、串聯變流器的順序控制、串聯變流器的順序控制（主要是提高基波功率因數）（主要是提高基波功率因數）有源逆變2022-4-21北京交通大學電氣工程學院4-431、下列電路中能用于有源逆變的有：、下列電路中能用于有源逆變的有：(1) 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路(2) 單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路(3) 單相橋式不可控整流電路單相橋式不可控整流電路(4) 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路(5) 三相橋式半控整流電路三相橋式半控整流電路(6) 三相橋式不可控整流電路三相橋式不可控整流電路(7) 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路(8) 帶續(xù)流二極管的三相半波可控整流電路帶續(xù)流二極管的三相半波可控整流電路有源逆變2022-4-21北京