汽車電力電子及電力驅動-6

2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-0有源逆變2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-1概述什么是逆變？為什么要逆變？逆變（invertion）——把直流電轉變成交流電，整流的逆過程。實例：電力機車再生制動行駛，機車的動能轉變?yōu)殡娔埽此偷浇涣麟娋W(wǎng)中去。逆變電路——把直流電逆變成交流電的電路。有源逆變電路——交流側和電網(wǎng)連結。－應用：直流可逆調速系統(tǒng)、交流繞線轉子異步電動機串級調速以及高壓直流輸電等。無源逆變電路——變流電路的交流側不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負載。對于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉變。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。2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-2一、有源逆變的概念1、直流發(fā)電機—電動機系統(tǒng)電能的流轉

圖aM電動運轉，EG>EM，電流Id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，EM>EG，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(lián)，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，在工作中必須嚴防這類事故發(fā)生。??c)b)a)MGMGMGEGEMIdR∑EGEMIdR∑EGEMIdR∑4.1有源逆變電路的工作原理（概念）2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-32、變流電路—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

單相全波電路的整流和逆變

圖aM電動運行，全波電路工作在整流狀態(tài)，在0～π/2之間，Ud為正值，并且Ud>EM，才能輸出Id。交流電網(wǎng)輸出電功率電動機輸入電功率電動機輸出電功率交流電網(wǎng)輸入電功率圖bM回饋制動，由于晶閘管的單向導電性，Id方向不變，欲改變電能的輸送方向，只能改變EM極性。為了防止兩電動勢順向串聯(lián)，Ud極性也必須反過來，即Ud應為負值，且|EM

|>|Ud

|，才能把電能從直流側送到交流側,實現(xiàn)逆變。

Ud可通過改變來進行調節(jié)，逆變狀態(tài)時Ud為負值，逆變時

在π/2～π之間。2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-43、實現(xiàn)有源逆變的條件從上述分析中，可以歸納出要實現(xiàn)有源逆變，必須滿足下列條件：

（1）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。（2）晶閘管的控制角

>π/2，使Ud為負值。半控橋或輸出端有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現(xiàn)負值，也不允許直流側出現(xiàn)負極性的電動勢，故不能實現(xiàn)有源逆變。欲實現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-54、改變電樞電勢E極性的方法（1）某些機械能隨著工況的不同自動改變E的極性（如直流卷揚機）。（2）改變勵磁電流方向。（3）反接電樞回路。

在可逆拖動系統(tǒng)中，通常采用兩套變流器相互切換。2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-65、逆變角為了方便，電路進入逆變狀態(tài)時，通常用逆變角（或稱引前觸發(fā)角）表示相控角度。規(guī)定：角計算的起始點為控制角=處，計算方法為：自=（=0）的起始點向左方計量。、的關系：=－或＋=2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-7二、單相橋式有源逆變電路1、變流器工作于整流狀態(tài)（02）

Ud0,E0，Ud

E，M工作于電動狀態(tài)2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-82、變流器工作于逆變狀態(tài)（

2

）電動機工作于發(fā)電狀態(tài)，由于Id方向不能改變，因而要求：E0

（反極性），Ud

0（反極性）且Ud

E

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云南機電職業(yè)技術學院4-93、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。2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-10本章內(nèi)容4.1

有源逆變電路的工作原理（概念）4.2

三相有源逆變電路4.3

有源逆變的應用4.4

整流電路的諧波和功率因數(shù)4.6

變流電路的功率因數(shù)及改善方法2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-114.2三相有源逆變電路

一、三相半波有源逆變電路1、變流器工作于整流狀態(tài)（02）

Ud0,E0，Ud

E，M工作于電動狀態(tài)2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-12三相半波有源逆變電路（續(xù)）2、變流器工作于逆變狀態(tài)（

2

）電動機工作于發(fā)電狀態(tài)，由于Id方向不能改變，因而要求：Ud

0（反極性）

,E0（反極性）

Ud

E2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-13

三相半波有源逆變電路（續(xù)）2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-143、三相半波電路逆變電壓的計算變流器直流側電壓計算公式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。2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-15二、三相橋式全控有源逆變電路1、變流器工作于逆變狀態(tài)（

2

）

Ud

0,E0

Ud

E2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-162、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。2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-17三、逆變失敗及最小逆變角的限制1、定義：

逆變運行時，一旦發(fā)生換相失敗，使整流電路由逆變工作狀態(tài)進入整流工作狀態(tài)，Ud又重新變成正值，使輸出平均電壓和直流電勢變成順向串聯(lián)，外接的直流電源通過SCR電路形成短路，這種情況稱為逆變失敗，或稱為逆變顛覆。2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-182、逆變失敗的原因（1）觸發(fā)脈沖丟失T2的觸發(fā)脈沖Ug2丟失2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-192、逆變失敗的原因（續(xù)）（2）觸發(fā)脈沖延遲T2的觸發(fā)脈沖Ug2延遲2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-202、逆變失敗的原因（續(xù)）（3）晶閘管發(fā)生故障（指晶閘管失去阻斷能力或失去導通能力）T3失去阻斷能力2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-212、逆變失敗的原因（續(xù)）（4）換相的裕量角不足2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-222、逆變失敗的原因（續(xù)）（5）交流電源發(fā)生異?，F(xiàn)象，如

交流電源突然斷電交流電源電壓太低交流電源缺相

不論什么原因，逆變失敗的后果都是造成電流急劇上升！2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-233、避免逆變失敗的措施（1）預防措施采用可靠的觸發(fā)電路；選用可靠的SCR，防止誤導通；逆變角不能太小，必須限制在某一允許的最小角度內(nèi)。（2）保護措施：裝快速熔斷器或快速開關；2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-244、確定最小逆變角min的依據(jù)（1）最小逆變角min=++

:SCR的關斷時間tq折合的電角度，

叫恢復阻斷角，=tq:換相重疊角（約為15~20）:安全裕量角（一般取10）tq約為200~300s，折算成電角度δ約4~5最小β角一般可取30~35。

β角越大，逆變越可靠，但功率因數(shù)越低！2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-25例4-1三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UAB=220V，交流側電感LB=0.5mH，R=2Ω，E=-290V，α=150o，ω=100π

，Ld足夠大，求直流端電壓、電流和交流電源的功率因數(shù)KP。解：交流側電抗為輸出直流平均電壓為

輸出電壓又可表示為所以

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云南機電職業(yè)技術學院4-26例4-1（續(xù)）負載側的功率為負載功率為負值，表明負載側實際是供出電能回饋到電網(wǎng)的。Pd又可解為

所以交流電源的功率因數(shù)為

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云南機電職業(yè)技術學院4-27例4-2三相半波整流電路如圖例4.2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Xd足夠大，輸出電流連續(xù)而平直，電樞回路總電阻Ra＝0.5，電機端壓Ua＝220V，變壓器副邊相電壓U2＝220V，交流側換流電抗XB＝0.21。試完成下列要求：

1．闡明圖中整流器輸出電壓Ud和電動機端電壓Ua的極性；2．闡明變流器控制角的調節(jié)范圍；3．如何調節(jié)電動機的制動強度？4．當制動電流Ia＝103A時，系統(tǒng)向交流電網(wǎng)回饋的功率有多大？此時變流器的逆變角為多少？2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-28例4-2（續(xù)）解：1.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(wǎng)回饋電能，且晶閘管不能逆向導通電流，據(jù)此可以確定整流器輸出電壓Ud和電動機端電壓Ua的極性為下“+”上“-”。

2.逆變工作時控制角的理論范圍是，為防止逆變顛覆，控制角有最大值的限制，即逆變角有最小值限制。受換流電流、交流側換相電抗及元件關斷時間的影響，應具體情況具體分析。根據(jù)一些典型系統(tǒng)的運行經(jīng)驗，大約在350左右。因此逆變工作時控制角的范圍大致是。

3.通過調節(jié)角來調節(jié)制動強度，當較大時，變流器輸出逆變電壓較小，制動電流大，制動力就強，反之亦然。

。

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云南機電職業(yè)技術學院4-29例4-2（續(xù)）解：4

負號說明電網(wǎng)吸收電功率

代入

得：2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-30本章內(nèi)容4.1

有源逆變電路的工作原理4.2

三相有源逆變電路4.3

有源逆變的應用4.4

整流電路的諧波和功率因數(shù)4.6

變流電路的功率因數(shù)及改善方法2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-31高壓直流輸電4.3有源逆變的應用兩組晶閘管變流器的交流側分別與兩個交流系統(tǒng)u1、u2連接，變流器的直流側相互關聯(lián)。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。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。

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云南機電職業(yè)技術學院4-32有源逆變的應用（續(xù)）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率的電壓，經(jīng)一組不控的三相橋式變流器變成直流電壓，此電壓再經(jīng)一組全控橋式變流器實現(xiàn)有源逆變，把電能（轉差功率）饋送回電網(wǎng)中去，改變逆變角的大小，即可改變饋送回電網(wǎng)電能的多少，從而達到改變電機轉速的目的。2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-33直流可逆電力拖動系統(tǒng)有源逆變的應用（續(xù)）第一象限，變流器Ⅰ的控制角1＜900，Ud1＞E，整流狀態(tài)，電機正轉電動運行；第二象限，變流器Ⅱ的控制角Ⅱ＞900，UdⅡ＜E，有源逆變狀態(tài)，電機正轉發(fā)電制動機運行；第三象限，變流器Ⅱ的控制角Ⅱ＜900，UdⅡ＞E，整流狀態(tài)，電機反轉電動運行；第四象限，變流器Ⅰ的控制角1＞900，Ud1＜E，有源逆變狀態(tài)，電機反轉發(fā)電制動運行。2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-34本章內(nèi)容4.1

有源逆變電路的工作原理（概念）4.2

三相有源逆變電路4.3

有源逆變的應用4.4

整流電路的諧波和功率因數(shù)4.6

變流電路的功率因數(shù)及改善方法2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-354.4整流電路的諧波和功率因數(shù)任何周期性波形都可以分解為直流分量、正弦波基波分量和一系列頻率為基波整數(shù)倍的諧波分量。整流電路的諧波包括：變流器直流側諧波交流電源側諧波2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-364.4.1變流器直流側諧波分析（=0）在（m~m）傅立葉級數(shù)分析ud以2m為周期2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-37直流側諧波分析（=0）（續(xù)）因此在整流輸出電壓中，諧波級次

n一定是脈波數(shù)m的整數(shù)倍。根據(jù)傅立葉級數(shù)分析結果2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-38直流側諧波分析（=0）（續(xù)）兩相半波電路（m=2）三相半波電路（m=3）2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-39直流側諧波分析（=0）（續(xù)）三相橋式電路（m=6）脈波數(shù)（相數(shù)）的增加使諧波中最低次諧波的頻率增加，同時其幅值迅速減少。增加整流器的脈波數(shù)m，對減少直流側諧波、改善輸出波形質量有重要的作用。2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-40直流側諧波分析（>0）空載直流電壓的n次諧波的有效值整流器輸出直流電壓中的諧波分量，將隨延遲角的增大而顯著上升。2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-414.4.2交流電源側諧波電流分析對于理想的m脈波整流器，則在交流側只有下列級次的諧波電流：=mk1每個諧波電流分量的幅值為基波電流的1/，即諧波電流分量的大小與其頻率成反比。實際應用中，當需要比較精確的檢測變流器交流側諧波電流時，必需同時考慮到脈波數(shù)

m、延遲角和重迭角三個參數(shù)的影響。2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-42本章內(nèi)容4.1

有源逆變電路的工作原理（概念）4.2

三相有源逆變電路4.3

有源逆變的應用4.4

整流電路的諧波和功率因數(shù)4.6

變流電路的功率因數(shù)及改善方法2023/2/5

云南機電職業(yè)技術學院4-434.6變流電路的