第四章：有源逆变

1、有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-0有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-1 什么是逆变？为什么要逆变？什么是逆变？为什么要逆变？逆变（逆变（invertioninvertion）把直流电转变成交流把直流电转变成交流电，整流的逆过程。电，整流的逆过程。v实例：电力机车再生制动行驶，机车的动能实例：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送到交流电网中去。转变为电能，反送到交流电网中去。逆变电路逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。把直流电逆变成交流电的电路。v有源逆变电路有源逆变电路逆变电路的交流侧和电网逆变电路的交流侧和电网连接，将直流电逆变成与电网同

2、频率的交流连接，将直流电逆变成与电网同频率的交流电反送到电网。电反送到电网。（本章介绍）（本章介绍）有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-2v无源逆变电路无源逆变电路变流电路的交流侧不与电变流电路的交流侧不与电网连接，而直接接到负载，将直流电逆变成网连接，而直接接到负载，将直流电逆变成固定频率或可调频率的交流电供给负载。固定频率或可调频率的交流电供给负载。（将在第（将在第6 6章介绍）章介绍）对于对于全控全控整流电路，满足一定条件就可工作于整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件发生改变。既可工作在整流状

3、态又可工作在件发生改变。既可工作在整流状态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。逆变状态的电路又称为变流电路。有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-34.14.1 有源逆变电路的工作原理（概念）有源逆变电路的工作原理（概念）4.24.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路4.34.3 有源逆变的应用有源逆变的应用4.44.4 变流电路的功率因数及改善方法变流电路的功率因数及改善方法有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-4一、一、有源逆变的有源逆变的概念概念1 1、直流发电机、直流发电机电动机系统电能的流转电动机系统电能的流转 图a M电动运转，EGEM，电流Id

4、从G流向M，M吸收电功率。 图b 回馈制动状态，M作发电运转，此时，EMEG，电流反向，从M流向G。故M输出电功率，G则吸收电功率，M轴上输入的机械能转变为电能反送给G。 图c 两电动势顺向串联，向电阻R供电，G和M均输出功率。由于R 一般都很小，实际上形成短路。c)b)a)MGMGMGEGEMIdREGEMIdREGEMIdR4 . 1 有源逆变电路的工作原理有源逆变电路的工作原理有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-52、变流电路、变流电路 电动机系统电能的流转电动机系统电能的流转用单相全波电路代替上述发电机用单相全波电路代替上述发电机a)b)图2-45R+-电能M102u

5、10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUd E EM M，才能输出，才能输出I Id d。交流交流电网电网输出输出电功电功率率电动机输入电动机输入电功率电功率电电动动机机输输出出电电功功率率交流电网输交流电网输入电功率入电功率图图b M回馈制动，因晶闸管单向导电，回馈制动，因晶闸管单向导电，Id方向不变，欲方向不变，欲改变电能的输送方向，只能改变改变电能的输送方向，只能改变EM、 Ud的极性，即的极性，即Ud应为负值，且应为负值，且|EM | |Ud |。 U Ud d可通

6、过改变可通过改变 来进行调节，逆变状态时来进行调节，逆变状态时U Ud d为负值，为负值，逆变时逆变时 在在 /2 /2 之之间。间。有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-63 3、实现有源、实现有源逆变的条件逆变的条件从上述分析中，可以归纳出要实现有源逆变，从上述分析中，可以归纳出要实现有源逆变，必须满足下列条件：必须满足下列条件： （1 1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一 致，其值大于变流器直流侧平均电压。（外致，其值大于变流器直流侧平均电压。（外部条件）部条件） （2 2）晶闸管的控制角）晶闸管的控制角 /2/2，使，使U

7、Ud d为负值。（内为负值。（内部条件）部条件）半控桥或输出端有续流二极管的电路，因其半控桥或输出端有续流二极管的电路，因其整流电压整流电压u ud d不能出现负值，故不能实现有源逆不能出现负值，故不能实现有源逆变。变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-74、改变电枢电势、改变电枢电势 E 极性的方法极性的方法（1）某些机械能随着工况的不同自动改变）某些机械能随着工况的不同自动改变E的的 极性（如直流卷扬机）。极性（如直流卷扬机）。（2）改变励磁电流方向。）改变励磁电流方向。（3）反接电枢回路。）反接电枢回

8、路。有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-85、逆变角、逆变角 为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆变角变角 （或称引前触发角）（或称引前触发角）表示相控角度。表示相控角度。规定：规定： 角计算的起始点为控制角角计算的起始点为控制角 = 处，处，计算方法为：自计算方法为：自 = （ = 0 ）的起始点）的起始点向左方计量。向左方计量。 、 的关系：的关系： = 或或 = 有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-9二、二、单相桥式有源逆变电路单相桥式有源逆变电路1、变流器工作于、变流器工作于整流状态（整流状态（ 0 2 ） U

9、d 0 , E 0，Ud E，M工作于电动状工作于电动状态态有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-102、变流器工作于、变流器工作于逆变状态（逆变状态（ 2 ）电动机工作于发电状态，由于电动机工作于发电状态，由于Id方向不能改变，方向不能改变，因而要求：因而要求：E 0 （反极性），（反极性），Ud 0 （反极性）（反极性）且且 Ud E 有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-113、单相桥式电路逆变电压的计算、单相桥式电路逆变电压的计算变流器直流侧电压计算公式变流器直流侧电压计算公式考虑换相重叠角考虑换相重叠角 其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流其它的电

10、量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行按照整流电路的计算原则进行 。cosU9 . 0cos0.9UU22ddBIx2cosU9 . 0U2d222coscos(UIx)dB有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-12 一、一、 三相半波有源逆变电路三相半波有源逆变电路1、变流器工作于、变流器工作于整流状态（整流状态（ 0 2 ） Ud 0 , E 0， Ud E， M工作于电动工作于电动状态状态有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-132、变流器工作于、变流器工作

11、于逆变状态（逆变状态（ 2 ）电动机工作于发电状态，由于电动机工作于发电状态，由于Id方向不能改变，方向不能改变，因而要求：因而要求：Ud 0 （反极性）（反极性） , E 0 （反极性）（反极性） Ud E 有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-14有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-153、三相半波电路逆变电压的计算、三相半波电路逆变电压的计算变流器直流侧电压计算变流器直流侧电压计算考虑换相重叠角考虑换相重叠角cosU17. 1cos U1.17U22ddBIx23cosU17. 1U2d262coscos(UIx)dB 其它的电量，如负载电流平均值、晶闸

12、管电流平其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行流电路的计算原则进行 。有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-161、变流器工作于、变流器工作于逆变状态（逆变状态（ 2 ） Ud 0 , E 0 ， Ud E 有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-172、三相桥式电路逆变电压的计算、三相桥式电路逆变电压的计算变流器直流侧电压计算公式变流器直流侧电压计算公式考虑换相重叠角考虑换相重叠角 其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流其它的电量，如负载电流平均值、

13、晶闸管电流平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行按照整流电路的计算原则进行 。cosU34. 2cos2.34UU22ddBIx3cosU34. 2U2d262coscos(UIx)dB有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-18 1、定义、定义 逆变运行时，一旦发生换相失败，整流电路就由逆变运行时，一旦发生换相失败，整流电路就由逆变工作状态进入整流工作状态，使输出平均电逆变工作状态进入整流工作状态，使输出平均电压压Ud和直流电势变成顺向串联，或者使外接直流和直流电势变成顺向串联，或者使外接直流电势通过电势通过S

14、CR电路形成短路，这种情况称为逆变电路形成短路，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。失败，或称为逆变颠覆。有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-19（1）触发脉冲丢失）触发脉冲丢失T2的触发脉冲的触发脉冲ug2丢失丢失以三相半波可控电路为例以三相半波可控电路为例有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-20（2）触发脉冲延迟）触发脉冲延迟T2的触发脉冲的触发脉冲ug2延迟延迟有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-21（3）晶闸管发生故障）晶闸管发生故障（指（指晶闸管失去阻断能力或晶闸管失去阻断能力或失去导通能力）失去导通能力）T3失去阻断能力失去阻

15、断能力有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-22（4）换相的裕量角不足）换相的裕量角不足有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-23（5）交流电源发生异常现象，如）交流电源发生异常现象，如 交流电源突然断电交流电源突然断电 交流电源电压太低交流电源电压太低 交流电源缺相交流电源缺相 不论什么原因，逆变失败的后果都是造不论什么原因，逆变失败的后果都是造成电流急剧上升！成电流急剧上升！有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-24（1）预防措施）预防措施采用可靠的触发电路，保证触发脉冲不丢采用可靠的触发电路，保证触发脉冲不丢失、不延迟；失、不延迟；选用有足

16、够阻断能力的选用有足够阻断能力的SCR，防止误导通；，防止误导通；逆变角逆变角 不能太小，必须限制在某一允许不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内的最小角度内。（2）保护措施：）保护措施：装快速熔断器或快速开关；装快速熔断器或快速开关；有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-25（1）最小逆变角）最小逆变角 min = + + : 换相重叠角（约为换相重叠角（约为15 20 ） : 恢复阻断角恢复阻断角SCR的关断时间的关断时间 tq 折合的折合的电角，电角， = tqtq约为约为200300 s，折算成电角度，折算成电角度约约4 5 : 安全裕量角（一般取安全裕量角（一般取1

17、0 ）最小逆变角最小逆变角min一般可取一般可取30 35 。角越大，逆变越可靠，但功率因数越低！角越大，逆变越可靠，但功率因数越低！有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-26例例4-1 三相全控桥式整流电路接阻感反电势负载。三相全控桥式整流电路接阻感反电势负载。已知整流变压器副边线电压已知整流变压器副边线电压 UAB=220V，交流，交流侧电感侧电感LB=0.5mH，R=2，E= -290V， =150，=100 ，Ld足够大，求直流端电压、足够大，求直流端电压、电流和交流电源的功率因数电流和交流电源的功率因数。解：交流侧电抗为解：交流侧电抗为 输出直流平均电压为输出直流平均

18、电压为 输出电压又可表示为输出电压又可表示为)(157. 0105 . 01003BBLxdBABdddIxUUUU26150cos35. 1cos0 ERIUdd有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-27负载侧的功率为负载侧的功率为负载功率为负值，表明负载侧实际是发出电能回负载功率为负值，表明负载侧实际是发出电能回馈到电网。馈到电网。所以交流电源的功率因数为所以交流电源的功率因数为)(396026.155 .259WIUPddd83. 077.4744396022026.153233960SPd)(5 .259290226.15)(26.1515. 022 .25729026

19、150cos35. 1)26(150cos35. 1VERIUAxRUEIxRIUEddBABdBdAB所以所以有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-28例例4-2 三相半波整流电路如图例三相半波整流电路如图例4.2所示，已知电所示，已知电动机处于稳定的发电制动状态，滤波电抗动机处于稳定的发电制动状态，滤波电抗Xd足足够大，输出电流连续而平直，电枢回路总电阻够大，输出电流连续而平直，电枢回路总电阻Ra0.5 ，电机端压，电机端压Ua220V，变压器副边，变压器副边相电压相电压U2220V，交流侧换流电抗，交流侧换流电抗XB0.21 。试完成下列要求：试完成下列要求： 1说明图中

20、整流器输出电压说明图中整流器输出电压U Ud d和电和电动机端电压动机端电压U Ua a的极性；的极性；2 2说明变流器控制角的调节范围；说明变流器控制角的调节范围；3 3如何调节电动机的制动强度？如何调节电动机的制动强度？4 4当制动电流当制动电流I Ia a103A103A时，系统向时，系统向交流电网回馈的功率有多大？此时交流电网回馈的功率有多大？此时变流器的逆变角为多少？变流器的逆变角为多少？有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-29解：解： 1. 由于电机处于稳定的再生制动状态，电由于电机处于稳定的再生制动状态，电动机向交流电网回馈电能动机向交流电网回馈电能 ，而晶闸管

21、不能逆向，而晶闸管不能逆向导通电流，据此可以确定整流器输出电压导通电流，据此可以确定整流器输出电压Ud和和电动机端电压电动机端电压Ua的极性为下的极性为下“+”上上“-”。 2 . 逆 变 工 作 时 控 制 角 的 理 论 范 围 是逆 变 工 作 时 控 制 角 的 理 论 范 围 是90180 180 ，为防止逆变颠覆，有最小，为防止逆变颠覆，有最小逆变角逆变角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 受换流电流、交流侧换相电抗及元件受换流电流、交流侧换相电抗及元件关断时间的影响，关断时间的影响，minmin 大约在大约在35 左右

22、。因左右。因此 逆 变 工 作 时 控 制 角 的 范 围 大 致 是此 逆 变 工 作 时 控 制 角 的 范 围 大 致 是90150 150 。 有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-30解：解：4VRIUUaaad5 .1685 . 0103220kWIUPadd36.171035 .168VIxUUaBd5 .16823cos17. 12BaxIU,21 .52负号说明电网吸收电功率负号说明电网吸收电功率 代入代入 得得 ：3. 通过调节通过调节 角来调节制动强度，当角来调节制动强度，当 较大时，变较大时，变流器输出逆变电压较小，制动电流大，制动力就流器输出逆变电压较

23、小，制动电流大，制动力就强，反之亦然。强，反之亦然。有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-31 高压直流输电高压直流输电两组晶闸管变流器的交流侧分别与两组晶闸管变流器的交流侧分别与两个交流系统两个交流系统u u1 1、u u2 2连接，变流器连接，变流器的直流侧相互关联。的直流侧相互关联。 通过分别控制两个变流器的工作状态，通过分别控制两个变流器的工作状态，就可控制功率的流向。就可控制功率的流向。 在送电端，变流器工作于整流工况，在送电端，变流器工作于整流工况，在受电端变流器工作于逆变工况。在受电端变流器工作于逆变工况。 有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-3

24、2 绕线式异步电动机晶闸管串级调速系统绕线式异步电动机晶闸管串级调速系统转子在不同的转速下感应出转差频转子在不同的转速下感应出转差频率的电压，经一组不控的三相桥式率的电压，经一组不控的三相桥式变流器变成直流电压，变流器变成直流电压， 此电压再经一组全控桥式变流器实此电压再经一组全控桥式变流器实现有源逆变，把电能（转差功率）现有源逆变，把电能（转差功率）馈送回电网中去，馈送回电网中去， 改变逆变角的大小，即可改变馈送回改变逆变角的大小，即可改变馈送回电网电能的多少，从而达到改变电机电网电能的多少，从而达到改变电机转速的目的。转速的目的。 有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-33

25、 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统第一象限，变流器第一象限，变流器的控制角的控制角 1900，Ud1E，整流状态，整流状态，电机正转电动运行；电机正转电动运行； 第二象限，变流器第二象限，变流器的控制角的控制角 900，UdE，有源逆变状态，有源逆变状态，电机正转发电制动机运行；电机正转发电制动机运行； 第三象限，变流器第三象限，变流器的控制角的控制角 900， UdE，整流状态，电，整流状态，电机反转电动运行；机反转电动运行； 第四象限，变流器第四象限，变流器的控制角的控制角 1900，Ud1E，有源逆变状态，有源逆变状态，电机反转发电制动运行。电机反转发电制动运行。 有源逆变202

26、2-3-20北京交通大学电气工程学院4-34一、变流电路的功率因数一、变流电路的功率因数1、定义、定义变流电路电网侧有功功率与视在功率之比。变流电路电网侧有功功率与视在功率之比。2、计算方法、计算方法1 = P/ S 若忽略变流电路损耗，若忽略变流电路损耗，P应等于整流负载功应等于整流负载功率。率。有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-353、计算方法、计算方法2 = cos cos ：相位移系数（基波的：相位移系数（基波的有功功率与有功功率与基波的基波的视在功率之比）视在功率之比） : 电流畸变系数（基波电流有效值电流畸变系数（基波电流有效值与总与总电流有效值电流有效值之比）

27、，即：之比），即： =I1/I有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-36 计算方法计算方法1cos9 . 0/cos9 . 0/cos9 . 0cos2222220ddddddddddIUIUSPIUIUSIUIUIUP有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-37 计算方法计算方法2cos9 . 0 tttIid5sin513sin31sin4119 . 09 . 024IIIIdd9 . 011II有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-381、全控变流器的半控工作状态、全控变流器的半控工作状态（提高基波功率因（提高基波功率因数）数） 整流波形整流

28、波形 逆变波形逆变波形有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-392、强迫换相、强迫换相（1）熄灭角控制（使基波电流超前电压，对整）熄灭角控制（使基波电流超前电压，对整个电力系统有利）个电力系统有利）有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-402、强迫换相、强迫换相（续）（续）（2）对称角控制（使基波功率因数）对称角控制（使基波功率因数=1）有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-412、强迫换相、强迫换相（续）（续）（3）脉冲宽度控制（使基波功率因数）脉冲宽度控制（使基波功率因数=1，同时，同时提高提高电流畸变系数电流畸变系数）有源逆变2022-3-

29、20北京交通大学电气工程学院4-423、串联变流器的顺序控制、串联变流器的顺序控制（主要是提高基波功率因数）（主要是提高基波功率因数）有源逆变2022-3-20北京交通大学电气工程学院4-431、下列电路中能用于有源逆变的有：、下列电路中能用于有源逆变的有：(1) 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(2) 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路(3) 单相桥式不可控整流电路单相桥式不可控整流电路(4) 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路(5) 三相桥式半控整流电路三相桥式半控整流电路(6) 三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路(7) 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路(8) 带续流二极管的三相半波可控整流电路带续流二极管的三相半波可控整流电路有源逆变2022-3-20北京