电力电子4-1.

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1、* 1 第四章第四章 有源逆变电路有源逆变电路 * 2 逆变的概念介绍介绍 l在实际应用中，有些场合需要将交流电 变成直流电，这就是前面讲的可控整流 。应用过程如下： 交流电整流器直流电直流用电器 l这种把交流电变成直流电的过程称为整 流。 * 3 逆变的概念：逆变的概念： l而有些场合，需要把直流电变成交流电 ，这就是本章研究的逆变电路。例如晶 闸管驱动的电力机车，当下坡行驶时， 直流电动机作为发电机用发出直流电， 把机车的动能变成电能，反送到电网中 ，由于发电的效应，使机车下坡时产生 制动力。 l直流电逆变器交流电交流电网。 l这种把直流电变成和电网同频率的交流 电反送电网的过程称为有源逆

2、变。 * 4 概述概述 l直流电逆变器交流电（频率可调） 交流用电器。 l这种把直流电变成某一频率或可变频率 的交流电直接供负载的过程称为无源逆 变。 l如：交流频调速，？电源等。 l 文本 文本 文本 文 本 文本 文本 文本 文本文本 * 5 词汇词汇 l在一定条件下，一套晶闸管系统既可以 作为整流又可作为逆变。 l本章只讨论有源逆变。有源逆变的例子 很多：如直流电动机的可逆调速，绕线 式异步电动机的串级调速，高压直流输 电等等。 * 6 第一个主题第一个主题 l这里先从直流电动机入手。我们知道直流电 动机是具有两个功能，一是在电枢加直流电 ，在电场中通电导体受到电场力的作用力重 力的作用

3、下，电机转子沿着电场的方向运动 。 l（1）电机是作为电动机工作方式。随着所加 电压的正负变化，电动机可以正转或反转。 l（2）另一方面，当外力使转子在磁场中运动 （旋转），转子导体切割磁力线则产生感应 电势，外电路闭合则有电流输出。 * 7 直流发电机直流发电机 电动机电动机 电能的流转电能的流转 情况：情况： l且 * 8 总结总结 我们设想控制发电机电动势的 大小和极性，可以实现电动 机的四限运行。 1、图中当两电势同极性且EG EM，电流从高电位流向低 电位，则回路电流: 由于Id和EG同方向，与EM反方 向，故 EG输出动率PG=IdEG 而M吸收动率PM=IdEM，电能 由G流向M

4、。电能转换成M 上的机械能。 R是回路定电阻，关热耗（无 用功） * 9 l2、图中间是回馈制动状态（火车下坡时） M作发电机用，此时，EMEG电流的方向 ，从M流向G，电流值为Id= l电流方向与EM同方向，故M输出电功率 PM=IdEM，G吸收电功率PG=IdEG，R总是消 耗功率的，以热的到式散发。显然，电机轴 上的机械能转变成电能反送给G。 * 10 l再来看看图C，这时两电势 顺向串联，向电阻供电，总 电势E总=EG+EM，由于R是 很小的（绕阻的铜线电阻） 实际下形成断路，短路电流 Idd=(Em+Eg)/R 我们知道，断路是要付出设备为代价的，所以工 作中安避免类似的情况发生。

5、* 11 l另外由于回路总电阻很小，即使最小的 电流差也能产生较大的电流，使两个电 协势之间交换动出。 l这一点对分析逆变是十分有利的。 * 12 假如我们还不完全明白的话，也假如我们还不完全明白的话，也 可以看下面的电路：可以看下面的电路： * 13 整流方式整流方式 l变流器输出电压Ud,Ud上正下负，按电压机电 枢，电压机得却电运转，电机反电E如图，上正 下负，阻碍电流变化。UdE，回路中有电流Id 。 l从接线方式看，运是两电源经同极性相连，电 流从高电位流向低电位而从变流器正端流出， 流向低电位二电动机电框反电势电流吸收。 l1 * 14 整流方式整流方式 l从接线方式看，运是两电经

6、同极性相连，电 流从高电位流向低电位而从变流器正端流出 ，流向低电位二电动机电框反电势电流吸收 。 l由电工学知识知道，电流从电流正极流出， 电流供出能量；电流从电径正极流入到电径 吸收能量。 l因此，图中变流器把电网变交流能量变成直 流能量供给电动机和电阻R消耗，电动机运行 在电动状态。 * 15 逆变方式逆变方式 l如果电动机的电势如图5所示，下正上负， 晶闸后在E的作用下，在电流的负半周导通 ，变流器输出电压为下正上负。由于晶闸 管的单向导电性，仍有如图所示的电流。 l此时，电动机供出能量，变流器吸收能量送 回给电网。电动机工作在发电制动状态。 * 16 非正常状态非正常状态 l电动机的

7、电势如图，下正上负，变流器输出电 压上正下负，这种情况是两电源反极性相连， 电流方向如图，很显然电流从两电源正极流出 ，两电流都输出能量，消耗在回路电阻上。 l由于回路电阻很小，将有很大电流，相当于短 路。当然是不允许的。 * 17 有源逆流的工作原理：有源逆流的工作原理： l以单相双半波晶闸管电路代替上面的发 电机，电动机供电，分析此时电路中电 能的运能情况及流向。如图4-3 * 18 整流整流 l设电机从做电动机 运转，全波电路工 作在整流状态， 范围0 /2，有电 感（大电感 ）存在 ，直流侧输出Ud为 正值，上正下负并 且UdEM电机才能 工作（旋转），输 出电流Id ： * 19 整

8、流整流 l一般情况下R很 小，电路工作在 Ud=EM条件下， 交流电网输出电 功率，电机则输 入电功率。 l是整流 ：能量由 电网传给电机。 电机把机械能传 给用电器。 * 20 逆变逆变 l在图4-3b中，电动 机作发电机同回馈 制动运转，由于晶 闸管单向导电性， 电路内Id的方向不 变。欲改变电能的 输送方向，只能改 变EM的极性。 * 21 逆变逆变 l为了防止两电势顺向 串联。Ud的极性必须 反过来，下正负上， 也可以说EMUd，电 机电势大于整流电势 ，才能把电能从直流 侧送到交流侧，即实 现逆变。 l电流的方向不变，其 值为： * 22 逆变逆变 l一般情况下是回路 的总电阻，值很

9、小 。电路工作在 Vd=EM条件下，电 机输出电功率，交 流电网则输入电功 率。 l是逆变：能量由电 机传给电网。 l电路内部电能的流 向与整流时相反， 电动机输出电功率 。电网吸收功率。 * 23 逆变逆变 l电动机轴上输入的机 械能动能愈大，则逆 变的功率也愈大。 l为防止过电流，同样 应满足EM=Ud的条件 。 lEM大小取决于电机的 转速，而Ud可以通过 改变角来进行调节 由于逆变时Ud为负值 ，故角逆变时范围 应在/2 之间。 * 24 l在逆变工作状态下， 虽然晶闸管阳极电流 大部分处于交流电压 的负半周，但由于有 外接直流电动势EM 的存在，使晶闸管仍 能承受正向电压而导 通。

10、l可见逆变条件：一 定要有直流电动势源 （外接的直流电源） ； l要求SCR的控制每 ，使Ud的负值。 * 25 说明说明 ： l直流电动势的极性需和SCR晶闸管 的导通方向一致。且稍大于Ud,全控 桥可实现逆变和整流，半控桥只能 整流。 * 26 逆变的必要条件：逆变的必要条件： 我们再来回顾一下逆变的条件： 必要条件： 保证晶闸管大部分时间在电源电压的 负半周导通； 直流侧要有直流电源EM，其大小要大 于由角决定的直流输出电压Ud，即 EMUd，其方向要使晶闸管承受正向压 降。 * 27 逆变的充分条件：逆变的充分条件： l充分条件： l为了保证在逆变过程中电流连续， 使有源逆变连续进行，

11、回路中要有 足够大的电感L（保证逆变正常进 行）。 * 28 三相有源逆变电路三相有源逆变电路 l在生产实际中，最常用的逆变电路有三 相半波有源逆变电路、三相全桥有源逆 变电路。不过要比单相全波复杂些。但 掌握了整流电路和逆变的概念后，我们 知道，在反电势、阻感负载情况下，逆 变和整流的区别仅仅是控制角的不同 。这样可以利用整流输出电压与控制角 之间存在着余弦函数关系来计算出三 相全桥整流输出电压Ud=2.34U2cos。 * 29 l为实现逆变，需一反向的电源EM，而Ud 在上式中因/2已自动变为负值，完全 满足逆变条件，因而是可沿用整流的办 法来处理逆变的有关波形与参数计算等 各个问题。

12、l当我们采用三相全桥逆变电路时，输出 电压仍用Ud=2.34U2cos来计算(不过当 大于/2以后，计出的Ud值为负值而已) 。 * 30 逆变角逆变角 l为了分析和计算方便起见，先引入逆变 角的概念。 l一、逆变角： l为了分析和计算方便起见，通常把/2 后的控制角用-=表示，称为逆变角 。 * 31 l在自然换相同处开始用角。在自然换相点处后 180，即=180处作为计算的起点，然后顺着 电流上升的电压波形向左计算，算出的大小。 这样原来的计算公式可以写成下面的式样： 我们知道控制角是以自然换 相点作为计量起始点的，即 以此向右方计量。 逆变角逆变角 和控制角计量方向相和控制角计量方向相

13、反，其大小自反，其大小自=0=0的起点向的起点向 左方计量，两者的关系是左方计量，两者的关系是 +=,+=,即即=-=-。 * 32 l在自然换相同处开始用角。在自然换相点处后 180，即=180处作为计算的起点，然后顺着 电流上升的电压波形向左计算，算出的大小。 这样原来的计算公式可以写成下面的式样： * 33 l0=0 电网输出功率； l逆变时 Ud900）,则电路 满足实现逆变的 条件，图4-9中给 出=60和=30 的逆变波形。 * 50 * 51 =30=30的逆变波形的逆变波形 l=30的逆变波形 * 52 l=30的逆变波形 * 53 =30=30 和和=60=60 的逆变波形。

14、的逆变波形。 l经过在t2 处触发 DT1和DT2，DT1 继续导通。DT2在 触发之前，由于 DT6导通而承受正 向电压Ubc，所以 一旦触发即可导 通。当DT2导通后 ，DT6因承受反压 Ubc而关断。完成 了由DT6到DT2的 换相。 * 54 * 55 * 56 * 57 l在t2 t3 之间，ud=uac lt3处触发 DT2，DT3的 导通，而DT1 此时因承受 反压Uab而关 断，又进行 一次由DT1- DT2的换相。 * 58 l按照DT1-DT6换 相顺序不断循环 下去，而DT1- DT2-DT3-DT4- DT5-DT6-DT7 依次导通，每个 瞬间保持两个 SCR导通，电

15、机 直流能量经三相 桥式逆变电路转 换成交流能量送 到电网中去了， 从而实现逆变。 * 59 l1 1 1 * 60 三相桥式逆变电路各电量的计算三相桥式逆变电路各电量的计算 ： * 61 * 62 l在三相桥式感性负载电路中，每个晶闸 管导通120度，则流过晶闸管电流有效 值: l从交流电源送到直流侧负载的有功功率 为： * 63 三相桥式有源逆变电路的特点：三相桥式有源逆变电路的特点： l（一）电动机负载的反电势的极性与整 流时应相反，而保证 。电动机输出能量 经变流器变成交流电送给电网。 * 64 l（二）工作在有源逆变状态下，必须 在00-900范围内，输出电压的波形大部 分或全部在相应线电压的负半周。 * 65 l（三）为了分析方便，在通波形时往往 采用线电压。如何确定角的起点，要 根据整流时线电压的自然换相点算起。 当=1800时=00 * 66 l（四）同整流一样，为了保证在启动或 电流断续时，共阴组和共阳组各有一个 晶闸管导通，触发脉冲必须采用大于600 的宽脉冲或采用双窄脉冲。对触发脉冲 逆变电路有严格要求，不然，将会出现 逆变失败。