有源逆变概念及工作原理

1、有源逆变 一、单相有源逆变电路 逆变电路的分 类 整流是把交流电变换成直流电供给负载，那么，能不能反过来，利用相 控整流电路把直流电变为交流电呢？完全可以。 我们把这种整流的逆过程称为逆 变。在许多场合，同一套晶闸管或其它可控电力电子变流电路既可作逆变，这种 装置称为变流装置或变流器。根据逆变输出交流电能去向的不同， 所有逆变电路 又分为有源逆变和无源逆变两种。前者以电网为负载，即逆变输出的交流电能回 送到电网，后者则以用电器为负载，如交流电机、电炉等。 变流器的两种工作状 态 用单相桥式可控整流电路能替代发电机给直流电动机供电，为使电流连 续而平稳，在回路中串接大电感 Ld称为平波电抗器。这

2、样，一个由单相桥式可 控整流电路供电的晶闸管一直流电动机系统就形成了。在正常情况下，它有两种 工作状态，其电压电流波形分别示于图 31、图3-2中。 1.变流器工作于整流状态（0/2 ） 在图3 1中，设变流器工作于整流状态。由单相全控整流电路的分析可 知，大电感负载在整流状态时 U = 0.9U/OS，控制角的移相范围为090， Ud为正值，P点电位高于N点电位，并且U应大于电动机的反电势E,才能使变 10 / 9 流器输出电能供给电动机作电机运行 此时，电能由交流电网流向直流电源 （即 直流电动机M的反电势E 2.变流器工作与逆变状态（/2） 在图3-2中，设电机M作发电机运行（再生制动）

3、，但由于晶闸管元件 的单向导电性，回路内电流不能反向，欲改变电能的传送方向，只有改变电机输 出电压的极性。在图3-2中，反电势E的极性已反了过来，为了实现电动机的 再生制动运行，整流电路必须吸收电能反馈回电网， 也就是说，整流电路直流侧 电压平均值Ud也必须反过来，即Ud为负值，P点电位低于N点电位且电机电势E 应大于U。此时电路内电能的流向与整流时相反， 电动机输出电功率，为发电机 工作状态，电位则作为负载吸收电功率，实现了有源逆变。为了防止过电流，应 满足E约等于Ud，在恒定励磁下，E取决于电动机的转速，而Ud则由调节控制角 来实现。 图3-2 实现有源逆变的条 件 由上述有源逆变工作状态

4、的原理分析可知，实现有源逆变必需同时满足 两个基本条件：其一，外部条件，要有一个能提供逆变能量的直流电源。其二， 内部条件，变流器在控制角 /2 的范围内工作，使变流器输出的平均电压 Ud 的极性与整流状态时相反， 大小应和直流电势配合， 完成反馈直流电能回交流电 网的功能。 从上面的分析可以看出，整流和逆变、交流和直流在晶闸管变流器中互 相联系着，并在一定条件下可互相转换，同一个变流器，既可以作整流器，又可 以作逆变器，其关键是内部和外部的条件。 不难分析，半控桥式电路或具有续流二极管的电路，因为不可能输出负 电压，变流器不能实现有源逆变，而且也不允许直流侧出现反极性的直流电势。 二、三相有

5、源逆变电路 三相半波逆变电 路 1. 工作原理 图 3 3 为三相半波电机负载电路， 负载回路接有大电感， 电流连续。 当 在0/2范围内变动时，平均值Ud总为正值，且Ud应略大于E。此时电流id从Ud正端流出，从E的正端流入，电机作为电动机运行，吸收电能，这就是三 相半波电路的整流工作状态。 图3- 3 对于逆变状态(/2)，选取和整流状态相对应的条件进行分 析，假设此时电动机反电势的极性已反接(如图 3-4(a)所示)。因为有了持续 的直流电势和极大的电感Ld,主电路电流始终连续。 图3-4 变流器输出电压必须如图3-4(b)中粗黑线所示。当在/2 范围内变 动时，输出平均值Ud为负，其极

6、性是上负下正，此时电动机的电势 E应稍大于 Ud。主电路内的电流Id方向没有变，但是它从E的正极流出，至U Ud的正端流入， 所以电能倒送。 2. 逆变角 及逆变电压的计算 三相半波电路在整流和逆变范围内，只要电流连续，每个晶闸管的导通 角都是2 /3，故不论控制角为何值，直流侧输出电压的平均值和的关系都为 Ud = 1 17 TTacs cs= -147U2 cos 0 为分析和计算方便起见，电路进入逆变状态时，通常用逆变角 表示。规 定 角计算的起始点为控制角 二 处，计算方法为自=（二0）的起始点向左 方计算，因此控制角和逆变角的关系是 + =，或=。 三相桥式全控有源逆变电 路 1.逆

7、变电路波形分析 图3 5（a）为三相有源逆变电路。根据以前的分析，在区间 0/2， 电路工作于整流状态；=/2时，Ud=0;在/2时，电路工作于有源 逆变状态。图3 5（bd）表示=5/6时的典型工作情况下电路中各点的波形。 图3 5 2.逆变电路电量计算 考虑变压器漏抗时，逆变器输出电压为 Ud = -234U2 0 毎心 71 在三相逆变电路中，其它的电量，如电流平均值、晶闸管电流的平均值 和有效值、变压器的容量计算等，均可按照整流电流的计算原则进行。 三、逆变失败的原因 逆变失败的定 义 逆变运行时，一旦发生换相失败，使整流电路由逆变工作状态进入整流 工作状态，U又重新变成正值，使输出平

8、均电压和直流电势变成顺向串联，外接 的直流电源通过晶闸管电路形成短路，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆, 这是一种事故状态，应当避免。 逆变失败的原 因 造成逆变失败的原因很多，大致可归纳为四类，今以三相半波逆变电路 为例，加以说明。 1.触发电路工作不可靠 触发电路不能适时地，准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失，脉冲 延迟等，致使晶闸管工作失常。如图 3-6所示，当a相晶闸管T1导通到ti时 刻，正常情况时Ug2触发T2管，电流换到b相，如果在ti时刻，触发脉冲Ug2遗 漏，Ti管不受反压而关不断，a相晶闸管Ti将继续导通到正半周，使电源瞬时电 压与直流电势顺向串联，形成短路。 图3-

9、6 图3-7表明脉冲延迟的情况，Ug2延迟到t2时刻才出现，此时a相电压 ua已大于b相电压Ub,晶闸管T2承受反向电压，不能被触发导通，晶闸管 Ti也 不能关断，相当于Ug2遗漏，形成短路。 图3-7 2.晶闸管发生故障 在应该阻断期间，元件失去阻断能力；或在应该导通时刻，元件不能导 通，如图3- 8所示。在ti时刻之前，由于T3承受的正向电压等于E和uc之和, 特别是当逆变角较小时，这一正向电压较高，若 T3的断态重复峰值电压裕量不 足，贝U到达ti时刻，本该由Ti换相到T2，但此时T3已导通，T2因承受反压而无 法导通，造成逆变失败。 图3-8 3. 换相的裕量角不足 存在重叠角或给逆变

10、工作带来不利的后果， 如以Ti和T2的换相过程来分 析，当逆变电路工作在 时，经过换相过程后，b相电压Ub仍高于a相电压 Ua,所以换相结束时，能使T1承受反压而关断。如果换相的裕量角不足，即当 时，从图3-9的波形中可以看出，当换相尚未结束时，电路的工作状态到达 P点之后，a相电压Ua将高于b相电压山，晶闸管T2则将承受反向电压而重新关 断，而应该关断的Ti却还承受正电压而继续导通，且 a相电压随着时间的推迟 愈来愈高，致使逆变失败。 图3-9 4. 交流电源发生异常现象 在逆变运行时，可能出现交流电源突然断电，缺相或电压过低等现象。 如果在逆变工作时，交流电源发生缺相或突然消失，由于直流电势E的存在，晶 闸管仍可触发导通，此时变流器的交流侧由于失去了同直流电势极性相反的交流 电压，因此直流电势将经过晶闸管电路而被短路。 最小逆变角的确 定 由上可见，为了保证逆变电路的正常工作，必须选用可靠的触发器，正 确选择晶闸管的参数， 并且采取必要的措施， 减少电路中 du/dt 和 di/dt 的影响， 以免发生误导通。 为了防止意外事故， 与整流电路一样， 电路中一般应装有快速 熔断器或快速开关，以资保护。另外，为了防止发生逆变颠覆，逆变角 不能太 小，必须限制在某一允许的最小角度内。 逆变时允许采用的最小逆变角 应为 =+