第四章：有源逆變-北京交通1

第4章有源逆變與相控變流器特性2/5/20230北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院概述什么是逆變？為什么要逆變？逆變（invertion）——把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，整流的逆過(guò)程。實(shí)例：電力機(jī)車(chē)再生制動(dòng)行駛，機(jī)車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，反送到交流電網(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(cè)和電網(wǎng)連結(jié)。（本章介紹）－應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速以及高壓直流輸電等。無(wú)源逆變電路——變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)載。（將在第6章介紹）對(duì)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(zhuǎn)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。2/5/20231北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院要求及重點(diǎn)理解和掌握單相、三相有源逆變電路的工作原理，有源逆變的應(yīng)用和整流電路的功率因數(shù)及其改善的方法。重點(diǎn)：波形分析法，有源逆變的條件和有源逆變失敗的原因。（可沿用整流的辦法來(lái)處理逆變時(shí)有關(guān)波形與參數(shù)計(jì)算等各項(xiàng)問(wèn)題）。2/5/20232北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(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(yīng)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2/5/20233北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院一、有源逆變的概念1、直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)圖aM電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，EG>EM，電流Id從G流向M，M吸收電功率。圖b回饋制動(dòng)狀態(tài)，M作發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)，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(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒oG。圖c兩電動(dòng)勢(shì)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(shí)際上形成短路，在工作中必須嚴(yán)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）2/5/20234北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2、變流電路—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)用單相全波電路代替上述發(fā)電機(jī)

單相全波電路的整流和逆變

圖aM電動(dòng)運(yùn)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(dòng)機(jī)輸入電功率電動(dòng)機(jī)輸出電功率交流電網(wǎng)輸入電功率圖bM回饋制動(dòng)，由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕琁d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(dòng)勢(shì)順向串聯(lián)，Ud極性也必須反過(guò)來(lái)，即Ud應(yīng)為負(fù)值，且|EM

|>|Ud

|，才能把電能從直流側(cè)送到交流側(cè),實(shí)現(xiàn)逆變。

Ud可通過(guò)改變來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，逆變狀態(tài)時(shí)Ud為負(fù)值，逆變時(shí)在π/2～π之間。2/5/20235北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院3、實(shí)現(xiàn)有源逆變的條件從上述分析中，可以歸納出要實(shí)現(xiàn)有源逆變，必須滿足下列條件：

（1）有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性和晶閘管導(dǎo)通方向一致，其值大于變流器直流側(cè)平均電壓。（2）晶閘管的控制角

>π/2，使Ud為負(fù)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(fù)值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)極性的電動(dòng)勢(shì)，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。欲實(shí)現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。2/5/20236北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4、改變電樞電勢(shì)E極性的方法（1）某些機(jī)械能隨著工況的不同自動(dòng)改變E的極性（如直流卷?yè)P(yáng)機(jī)）。（2）改變勵(lì)磁電流方向。（3）反接電樞回路。

在可逆拖動(dòng)系統(tǒng)中，通常采用兩套變流器相互切換。2/5/20237北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院5、逆變角為了方便，電路進(jìn)入逆變狀態(tài)時(shí)，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(jì)算的起始點(diǎn)為控制角=處，計(jì)算方法為：自=（=0）的起始點(diǎn)向左方計(jì)量。、的關(guān)系：=－或＋=2/5/20238北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院二、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(dòng)狀態(tài)2/5/20239北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2、變流器工作于逆變狀態(tài)（2

）電動(dòng)機(jī)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

2/5/202310北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院3、單相橋式電路逆變電壓的計(jì)算變流器直流側(cè)電壓計(jì)算公式考慮換相重疊角其它的電量，如負(fù)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(jì)算等，均可按照整流電路的計(jì)算原則進(jìn)行。2/5/202311北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(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(yīng)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2/5/202312北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2三相有源逆變電路一、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(dòng)狀態(tài)2/5/202313北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院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(dòng)機(jī)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

E2/5/202314北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院三相半波有源逆變電路（續(xù)）2/5/202315北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院3、三相半波電路逆變電壓的計(jì)算變流器直流側(cè)電壓計(jì)算公式考慮換相重疊角其它的電量，如負(fù)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(jì)算等，均可按照整流電路的計(jì)算原則進(jìn)行。2/5/202316北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院二、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

E2/5/202317北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2、三相橋式電路逆變電壓的計(jì)算變流器直流側(cè)電壓計(jì)算公式考慮換相重疊角其它的電量，如負(fù)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(jì)算等，均可按照整流電路的計(jì)算原則進(jìn)行。2/5/202318北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院三、逆變失敗及最小逆變角的限制1、定義：

逆變運(yùn)行時(shí)，一旦發(fā)生換相失敗，使整流電路由逆變工作狀態(tài)進(jìn)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(shì)變成順向串聯(lián)，外接的直流電源通過(guò)SCR電路形成短路，這種情況稱為逆變失敗，或稱為逆變顛覆。2/5/202319北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2、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2/5/202320北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2、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2/5/202321北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2、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(dǎo)通能力）T3失去阻斷能力2/5/202322北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2、逆變失敗的原因（續(xù)）（4）換相的裕量角不足2/5/202323北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2、逆變失敗的原因（續(xù)）（5）交流電源發(fā)生異常現(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！2/5/202324北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院3、避免逆變失敗的措施（1）預(yù)防措施采用可靠的觸發(fā)電路；選用可靠的SCR，防止誤導(dǎo)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(hù)措施：裝快速熔斷器或快速開(kāi)關(guān)；2/5/202325北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4、確定最小逆變角min的依據(jù)（1）最小逆變角min=++

:SCR的關(guān)斷時(shí)間tq折合的電角度，

叫恢復(fù)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?cè)娇煽?，但功率因?shù)越低！2/5/202326北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院例4-1三相全控橋式整流電路接阻感反電勢(shì)負(fù)載。已知整流變壓器副邊線電壓UAB=220V，交流側(cè)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(cè)電抗為輸出直流平均電壓為

輸出電壓又可表示為所以

2/5/202327北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院例4-1（續(xù)）負(fù)載側(cè)的功率為負(fù)載功率為負(fù)值，表明負(fù)載側(cè)實(shí)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

2/5/202328北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院例4-2三相半波整流電路如圖例4.2所示，已知電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定的發(fā)電制動(dòng)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(jī)端壓Ua＝220V，變壓器副邊相電壓U2＝220V，交流側(cè)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(dòng)機(jī)端電壓Ua的極性；2．闡明變流器控制角的調(diào)節(jié)范圍；3．如何調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)強(qiáng)度？4．當(dāng)制動(dòng)電流Ia＝103A時(shí)，系統(tǒng)向交流電網(wǎng)回饋的功率有多大？此時(shí)變流器的逆變角為多少？2/5/202329北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院例4-2（續(xù)）解：1.由于電機(jī)處于穩(wěn)定的再生制動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)向交流電網(wǎng)回饋電能，且晶閘管不能逆向?qū)娏鳎瑩?jù)此可以確定整流器輸出電壓Ud和電動(dòng)機(jī)端電壓Ua的極性為下“+”上“-”。2.逆變工作時(shí)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(cè)換相電抗及元件關(guān)斷時(shí)間的影響，應(yīng)具體情況具體分析。根據(jù)一些典型系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，大約在350左右。因此逆變工作時(shí)控制角的范圍大致是。3.通過(guò)調(diào)節(jié)角來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)強(qiáng)度，當(dāng)較大時(shí)，變流器輸出逆變電壓較小，制動(dòng)電流大，制動(dòng)力就強(qiáng)，反之亦然。

。

2/5/202330北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院例4-2（續(xù)）解：4

負(fù)號(hào)說(shuō)明電網(wǎng)吸收電功率

代入

得：2/5/202331北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(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(yīng)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2/5/202332北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院高壓直流輸電4.3有源逆變的應(yīng)用兩組晶閘管變流器的交流側(cè)分別與兩個(gè)交流系統(tǒng)u1、u2連接，變流器的直流側(cè)相互關(guān)聯(lián)。通過(guò)分別控制兩個(gè)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。

2/5/202333北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院有源逆變的應(yīng)用（續(xù)）繞線式異步電動(dòng)機(jī)晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子在不同的轉(zhuǎn)速下感應(yīng)出轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)有源逆變，把電能（轉(zhuǎn)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(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。2/5/202334北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)有源逆變的應(yīng)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(jī)正轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)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(jī)正轉(zhuǎn)發(fā)電制動(dòng)機(jī)運(yùn)行；第三象限，變流器Ⅱ的控制角Ⅱ＜900，UdⅡ＞E，整流狀態(tài)，電機(jī)反轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)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(jī)反轉(zhuǎn)發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行。2/5/202335北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(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(yīng)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2/5/202336北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4.4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(cè)諧波交流電源側(cè)諧波2/5/202337北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4.4.1變流器直流側(cè)諧波分析（=0）在（m~m）傅立葉級(jí)數(shù)分析ud以2m為周期2/5/202338北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院直流側(cè)諧波分析（=0）（續(xù)）因此在整流輸出電壓中，諧波級(jí)次n一定是脈波數(shù)m的整數(shù)倍。根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)分析結(jié)果2/5/202339北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院直流側(cè)諧波分析（=0）（續(xù)）兩相半波電路（m=2）三相半波電路（m=3）2/5/202340北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院直流側(cè)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(shí)其幅值迅速減少。增加整流器的脈波數(shù)m，對(duì)減少直流側(cè)諧波、改善輸出波形質(zhì)量有重要的作用。2/5/202341北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院直流側(cè)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。2/5/202342北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4.4.2交流電源側(cè)諧波電流分析對(duì)于理想的m脈波整流器，則在交流側(cè)只有下列級(jí)次的諧波電流：=mk1每個(gè)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(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)需要比較精確的檢測(cè)變流器交流側(cè)諧波電流時(shí)，必需同時(shí)考慮到脈波數(shù)m、延遲角和重迭角三個(gè)參數(shù)的影響。2/5/202343北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(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(yīng)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2/5/202344北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)