有源逆变的工作原理

1、1,第4章 有源逆变电路,2,整流与逆变的关系 前面两章讨论的是把交流电能变换为直流电能的可控整流电路。,4.1 有 源 逆 变 的 工 作 原 理,实际中，常常需要将直流电变换为交流电。 应用晶闸管的电力机车下坡时，机车上的直流电动机将作为直流发电机运行，此时就需要将直流电变换为交流电，并回送电网，以实现电机制动。,3,又如，运转中的直流电机，要实现快速制动，需要将该直流电机作为直流发电机运行，并将变换的交流电能回送电网，从而实现直流电机的发电机制动。,此外，在各种直流电源电池向交流负载供电时，也需要逆变电路。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置其电路的核心部分都是逆

2、变电路。,4,逆变是整流的逆过程，整流也称为为顺变，则逆变的含义就十分明显了。整流装置在满足一定条件下可以作为逆变装置应用。即同一套电路，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态，这样的电路统称为变流装置。 变流装置如果工作在逆变状态，其交流侧接在交流电网上，将直流电能变换的交流电能回送到交流电网中，这样的逆变称为“有源逆变”。 如果逆变装置的交流侧接至交流负载，将直流电变换为某一频率或可调频率的交流电供给负载，这样的逆变则称为“无源逆变”或变频电路。,5,4.1.1 有源逆变过程的能量转换,分析有源逆变电路的关键是把握电源间的能量转换关系。整流与逆变的根本区别就是能量传递方向不同。 下面电

3、路分三种情况加以说明分析。,注意这三个电路的连接有什么不同！,6,图是直流发电机直流电动机系统，M是他励直流电动机，G是直流发电机。控制发电机G电动势的大小和极性可实现直流电动机M的四象限运行，现就下面几种情况分析电路的能量关系。,7,图（a）发电机G向电动机M供电，EGEM ，电流Id从G 流向M 。,负载电流Id为：,发电机输出功率：,电动机吸收功率：,电能由发电机流向电动机，转变为电动机的机械能。,8,图（b）电动机M 运行在发电制动状态，EGEM ，电流反向，Id从M 流向G 。故电动机输出功率，发电机吸收功率。电动机输出的机械能转变为电能反送给发电机,9,图（c）改变电动机G 励磁电

4、流方向使EM与EG的方向一致。这时两个电动势顺象串联，向电阻RZ供电。发电机和电动机都输出功率，因电阻RZ一般都很小，形成很大的短路电流，这种情况是不允许的。,10,综上所述，可得出以下结论： (1) 两电动势同极性相连，电流总是从高电势流向低电势，其电流的大小取决于两个电势之差与回路总电阻的比值。 两个电源反极性相连，如果电路的总电阻很小，将形成电源间的短路，实际中应避免发生这种情况。 如果回路电阻很小，则很小的电势差也足以形成较大的电流，两电动势之间发生较大能量的交换。,EGEM,EGEM,11,(2)电流从电动势的正极流出，该电动势输出电能； 而电流从电动势的正极流入，该电动势吸收电能。

5、 电源输出或吸收功率的大小由电势与电流的乘积来决定，若电势或者电流方向改变，则电能的传送方向也随之改变。,P=IU,12,直流卷扬系统 (a) 提升重物； (b) 放下重物,4.1.2 有源逆变的工作原理,现以单相全控桥式整流电路对直流电动机供电系统的三种工作情况为例说明有源逆变原理。图中的直流电动机带动的负载设备为卷扬机。,13,1整流工作状态（0/2） 当控制角在0/2之间触发晶闸管时，变流装置输出的直流平均电压为Ud=0.9U2 cos，因为此时小于/2，故Ud为正值。波形如图。 此时，变流装置工作在整流工作状态。,14,在整流状态下，直流电机转动，卷扬机将重物提升起来，直流电机转动产生

6、的反电势为ED略小于Ud，此时电枢回路的电流为：,注意：此时能量的传递方向！,15,在整流状态下，因 ，当减小时，Ud增大，引起Id增大，电动机电磁转矩增大，导致电动机转速升高，提升加快。 但同时，因转速升高，电动机的反电动势E也增大，使电流Id恢复到原来的值，这时电动机运行在新的较高转速。 所以改变可以方便的改变提升速度。,提升速度的控制,16,2 有源逆变工作状态（/2） 卷扬系统放下重物时，因重力的作用，将牵动电机向与重物上升相反的方向转动，电机产生的反电势ED的极性也将随之反相。对负载电流Id来说，这时的反电动势ED成为正电动势。,17,当变流器工作在/2的状态时，其输出直流平均电压U

7、d为负（负面积大于正面积）。但因ED的作用，晶闸管仍导通。 此时如果满足EDUd，则回路中的电流为：,(c) 有源逆变状态/2,18,(c) 有源逆变状态/2,电流的方向是从电势ED的正极流出，从电压Ud的正极流入，电流方向未变。这时电动机为发电状态运行，输出电能，变流器吸收电能并回送到交流电网， 此时，电路进入到有源逆变工作状态,19,逆变时Id方向未变，电机产生的电磁转矩方向也不变。但电机转向变了，此时的电磁转矩成为制动转矩，防止重物下落加速。 因此，起重机下放重物时，调/2 ，重物下降带动电机反转并加速，所产生ED也逐步增大，当EDUd时，Id产生制动转矩。 当制动转矩与下降机械转矩相等

8、时，重物保持匀速下降。此时电动机工作在发电制动状态。 在90o180o之间调节时，可方便的改变匀速下降的速度。,20,根据波形,逆变时的直流电压为：,逆变公式与整流时的输出电压计算公式相同。 因逆变时的90o，cos计算不方便，所以引入逆变角 的概念，令=180o-。则：,逆变角为的触发脉冲，可看成是控制角=180o的脉冲前移（左移）角。,21,3 中间状态（=/2） 当卷扬机需在某个位置停住时，只要将控制角调到等于/2，变流器输出电压波形中，其正、负面积相等，输出电压平均值Ud为零，波形如图。 此时，变流装置不输出电能，也不吸收电能。,22,上述三种变流器的工作状态反映了随着控制角的变化，变

9、流装置分别从整流到中间状态， 然后进入有源逆变的过程。,23,控制角的变化，与变流装置工作状态的关系,24,1） 外部条件 务必要有一个极性与晶闸管导通方向一致的直流电势源。这种直流电势源可以是直流电机的电枢电势，也可以是蓄电池电势。它是使电能从变流器的直流侧回馈交流电网的源泉，其数值应稍大于变流器直流侧输出的直流平均电压。,通过上面分析，归纳实现有源逆变的基本条件,25,2） 内部条件 要求变流器中晶闸管的控制角/2， 这样才能使变流器直流侧输出一个负的平均电压，以实现直流电源的能量向交流电网的流转。 上述两个条件必须同时具备才能实现有源逆变。,26,必须指出，对于半控桥或者带有续流二极管的可控整流电路，因为它们在任何情况下均不可能输出负电压，也不允许直流侧出现反极性的直流电势，所以不能实现有源逆变。,27,有源逆变条件的获得，必须视具体情况进行分析。例如上述直流电机拖动卷