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1、有源逆变第第 4 章章 有源逆变与相有源逆变与相控变流器特性控变流器特性有源逆变概概 述述什么是逆变？为什么要逆变？什么是逆变？为什么要逆变？逆逆变变invertioninvertion）把把直直流流电电转转变变成成交交流流电电，整流的逆过程。整流的逆过程。实实例例：电电力力机机车车再再生生制制动动行行驶驶，机机车车的的动动能能转转变变为为电能，反送到交流电网中去。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。有源逆变电路有源逆变电路交流侧和电网连结。（本章介绍）交流侧和电网连结。（本章介绍） 运运用用：直直流流可可逆逆调调速速系系统统、交交
2、流流绕绕线线转转子子异异步步电动机串级调速以及高压直流输电等。电动机串级调速以及高压直流输电等。无无源源逆逆变变电电路路变变流流电电路路的的交交流流侧侧不不与与电电网网联联接接，而直接接到负载。（将在第而直接接到负载。（将在第6 6章介绍）章介绍）对对于于可可控控整整流流电电路路，满满足足一一定定条条件件就就可可工工作作于于有有源源逆逆变变，其其电电路路形形式式未未变变，只只是是电电路路工工作作条条件件转转变变。既既可可工工作作在在整整流流状状态态又又可可工工作作在在逆逆变变状状态态的的电电路路又又称为变流电路。称为变流电路。有源逆变要要 求求 及及 重重 点点理解和掌握单相、三相有源逆变电路
3、的工作原理解和掌握单相、三相有源逆变电路的工作原理，有源逆变的应用和整流电路的功率因数及理，有源逆变的应用和整流电路的功率因数及其改善的方法。其改善的方法。重点：波形分析法，有源逆变的条件和有源逆重点：波形分析法，有源逆变的条件和有源逆变失败的原因。变失败的原因。（可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与（可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题）。参数计算等各项问题）。有源逆变本章内容本章内容4.1 4.1 4.1 4.1 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）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）4.2 4.2 4.2 4.2 三相有源逆变
4、电路三相有源逆变电路三相有源逆变电路三相有源逆变电路4.3 4.3 4.3 4.3 有源逆变的应用有源逆变的应用有源逆变的应用有源逆变的应用4.4 4.4 4.4 4.4 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数4.6 4.6 4.6 4.6 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一、有源逆变的概念一、有源逆变的概念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从G流向M，M吸收电功率。 图b 回
5、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，在工作中必须严防这类事故发生。c)b)a)MGMGMGEGEMIdREGEMIdREGEMIdR4 . 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）有源逆变2、变变流流电电路路 电电动动机机系系统统电电能能的的流流转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 单相全波电路的整流和逆变 图a M电动运行，全波电路工作在整流状态， 在0 /
6、2之间，Ud为正值，并且Ud EM，才能输出Id。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回回馈馈制制动动，由由于于晶晶闸闸管管的的单单向向导导电电性性，Id方方向向不不变变，欲欲改改变变电电能能的的输输送送方方向向，只只能能改改变变EM极极性性。为为了了防防止止两两电电动动势势顺顺向向串串联联，Ud极极性性也也必必须须反反过过来来，即即Ud应应为为负值，且负值，且|EM | |Ud |，才能把电能从直流侧送到交流侧，才能把电能从直流侧送到交流侧,实现逆变。实现逆变。 Ud可通过改变来进行
7、调节，逆变状态时Ud为负值，逆变时 在 /2 之间。有源逆变3 3、实现有源逆变的条件、实现有源逆变的条件从从上上述述分分析析中中，可可以以归归纳纳出出要要实实现现有有源源逆逆变变，必须满足下列条件：必须满足下列条件： （1 1有有直直流流电电动动势势，其其极极性性和和晶晶闸闸管管导导通通方向一方向一 致，其值大于变流器直流侧平均电压。致，其值大于变流器直流侧平均电压。 （2 2晶晶闸闸管管的的控控制制角角 /2/2，使使UdUd为为负负值。值。半半控控桥桥或或输输出出端端有有续续流流二二极极管管的的电电路路，因因其其整整流流电电压压udud不不能能出出现现负负值值，也也不不允允许许直直流流侧
8、侧出出现现负负极极性性的的电电动动势势，故故不不能能实实现现有有源源逆逆变变。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4、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。反接电枢回路。 在可逆拖动系统中，通常采用两套变流器相在可逆拖动系统中，通常采用两套变流器相互切换。互切换。有源逆变5、逆变角、逆变角 为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆变角为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆
9、变角 （或称引前触发角表示相控角度。（或称引前触发角表示相控角度。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 ）的起始点向）的起始点向左方计量。左方计量。 、 的关系：的关系： = 或或 = 有源逆变二、单相桥式有源逆变电路二、单相桥式有源逆变电路1、变流器工作于整流状态（、变流器工作于整流状态（ 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2、变流器工作于逆变状态（、变流器工作于逆变状态（ 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
10、而要求：因而要求： E 0 （反极性），（反极性），Ud 0 （反（反极性且极性且 Ud E 有源逆变3、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照整流电路的计算原则进行 。有源逆变本章内容本章内容4.1 4.1 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）4.2 4.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路4.
11、3 4.3 有源逆变的应用有源逆变的应用4.4 4.4 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数4.6 4.6 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4. 2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路 一、一、 三相半波有源逆变电路三相半波有源逆变电路1、变流器工作于整流状态（、变流器工作于整流状态（ 0 2 ） Ud 0 , E 0， Ud E， M工作工作于电动状态于电动状态有源逆变三相半波有源逆变电路续）三相半波有源逆变电路续）2、变流器工作于逆变状态（、变流器工作于逆变状态（ 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，因而要方
12、向不能改变，因而要求：求： Ud 0 （反极性）（反极性） , E 0 （反极性）（反极性） Ud E 有源逆变 三相半波有源逆变电路续）三相半波有源逆变电路续）有源逆变3、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照整流电路的计算原则进行 。有源逆变二、三相桥式全控有源逆变电路二、三相桥式全控有源逆变电路1、变流器工作于
13、逆变状态（、变流器工作于逆变状态（ 2 ） Ud 0 , E 0 Ud E 有源逆变2、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照整流电路的计算原则进行 。有源逆变三、逆三、逆 变变 失失 败及最小逆变角的限制败及最小逆变角的限制1、定义：、定义： 逆变运行时，一旦发生换相失败，使整流电路逆变运行时，一旦发生换相失败，使
14、整流电路由逆变工作状态进入整流工作状态，由逆变工作状态进入整流工作状态，Ud又重又重新变成正值，使输出平均电压和直流电势变新变成正值，使输出平均电压和直流电势变成顺向串联，外接的直流电源通过成顺向串联，外接的直流电源通过SCR电路电路形成短路，这种情况称为逆变失败，或称为形成短路，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。逆变颠覆。有源逆变2、逆变失败的原因、逆变失败的原因（1触发脉冲丢失触发脉冲丢失T2的触发脉的触发脉冲冲Ug2丢失丢失有源逆变2、逆变失败的原因续）、逆变失败的原因续）（2触发脉冲延迟触发脉冲延迟T2的触发脉的触发脉冲冲Ug2延迟延迟有源逆变2、逆变失败的原因续）、逆变失败的原因
15、续）（3晶闸管发生故障指晶闸管失去阻断能力晶闸管发生故障指晶闸管失去阻断能力或失去导通能力）或失去导通能力）T3失去阻断失去阻断才干才干有源逆变2、逆变失败的原因续）、逆变失败的原因续）（4换相的裕量角不足换相的裕量角不足有源逆变2、逆变失败的原因续）、逆变失败的原因续）（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成电流不论什么原因，逆变失败的后果都是造成电流急剧上升！急剧上升！有源逆变3、避免逆变失败的措施、避免逆变失败的措施（1预防措施预防措施采用可靠的
16、触发电路；采用可靠的触发电路；选用可靠的选用可靠的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的最不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。小角度内。（2保护措施：装快速熔断器或快速开关；保护措施：装快速熔断器或快速开关；有源逆变4、确定最小逆变角、确定最小逆变角 min 的依据的依据（1最小逆变角最小逆变角 min = + + : SCR的关断时间的关断时间 tq 折合的电角度，折合的电角度， 叫恢复阻断角，叫恢复阻断角， = tq : 换相重叠角约为换相重叠角约为15 20 ） : 安全裕量角一般取安全裕量角一般取10 ）tq约为约为200300 s，折算成
17、电角度，折算成电角度约约4 5 最小最小角一般可取角一般可取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！有源逆变例例例例 4-1 4-1三相全控桥式整流电路接阻感反电势负载。已知整流变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压器副边线电压 UAB=220V，交流侧电感，交流侧电感LB=0.5mH，R=2，E= -290V， =150，=100 ，Ld足够大，足够大，求直流端电压、电流和交流电源的功率因数求直流端电压、电流和交流电源的功率因数KP。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电压为 输出电压又可
18、表示为输出电压又可表示为 所以所以 有源逆变例例例例 4-1 4-1续）续）续）续）负载侧的功率为负载侧的功率为负负载载功功率率为为负负值值，表表明明负负载载侧侧实实际际是是供供出出电电能能回回馈馈到到电电网的。网的。Pd又可解为又可解为 所以交流电源的功率因数为所以交流电源的功率因数为 有源逆变例例例例 4-2 4-2三三相相半半波波整整流流电电路路如如图图例例4.2所所示示，已已知知电电动动机机处处于于稳稳定定的的发发电电制制动动状状态态，滤滤波波电电抗抗Xd足足够够大大，输输出出电电流流连连续续而而平平直直，电电枢枢回回路路总总电电阻阻Ra0.5 ，电电机机端端压压Ua220V，变变压压
19、器器副副边边相相电电压压U2220V，交交流流侧侧换换流流电电抗抗XB0.21 。试完成下列要求：。试完成下列要求： 1阐明图中整流器输出电压Ud和电动机端电压Ua的极性；2阐明变流器控制角的调节范围；3如何调节电动机的制动强度？4当制动电流Ia103A时，系统向交流电网回馈的功率有多大？此时变流器的逆变角为多少？有源逆变例例例例 4-2 4-2续）续）续）续）解解： 1. 由由于于电电机机处处于于稳稳定定的的再再生生制制动动状状态态，电电动动机机向向交交流流电电网网回回馈馈电电能能 ，且且晶晶闸闸管管不不能能逆逆向向导导通通电电流流，据据此此可可以以确确定定整整流流器器输输出出电电压压Ud和
20、和电电动动机机端端电电压压Ua的的极极性性为下为下“+”上上“-”。 2. 逆逆变变工工作作时时控控制制角角的的理理论论范范围围是是 ，为为防防止止逆逆变变颠颠覆覆，控控制制角角 有有最最大大值值的的限限制制，即即逆逆变变角角有有最最小小值值 限限制制。 受受换换流流电电流流、交交流流侧侧换换相相电电抗抗及及元元件件关关断断时时间间的的影影响响，应应具具体体情情况况具具体体分分析析。根根据据一一些些典典型型系系统统的的运运行行经经验验， 大大约约在在350左左右右。因因此此逆逆变工作时控制角的范围大致是变工作时控制角的范围大致是 。3. 通通过过调调节节 角角来来调调节节制制动动强强度度，当当
21、 较较大大时时，变变流流器器输输出出逆逆变变电电压压较较小小，制制动动电电流流大大，制制动动力力就就强强，反反之亦然。之亦然。 。 有源逆变例例例例 4-2 4-2续）续）续）续）解：解：4 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 ：有源逆变本章内容本章内容4.1 4.1 有源逆变电路的工作原理有源逆变电路的工作原理4.2 4.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路4.3 4.3 有源逆变的应用有源逆变的应用4.4 4.4 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数4.6 4.6 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高压直流输电高压直流输电
22、4. 3 有源逆变的应用有源逆变的应用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u1u1、u2u2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。 有源逆变有源逆变的应用续）有源逆变的应用续）绕线式异步电动机晶绕线式异步电动机晶闸管串级调速系统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
23、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。 有源逆变直流可逆电力拖动直流可逆电力拖动系统系统有源逆变的应用续）有源逆变的应用续）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，整流状态，电机正转电动运行
24、；态，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。 有源逆变本章内容本章内容4.1 4.1 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）4.2 4.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路4.3 4.3
25、 有源逆变的应用有源逆变的应用4.4 4.4 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数4.6 4.6 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4. 4 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数任何周期性波形都可以分解为直流分量、正弦任何周期性波形都可以分解为直流分量、正弦波基波分量和一系列频率为基波整数倍的谐波波基波分量和一系列频率为基波整数倍的谐波分量。分量。整流电路的谐波包括：整流电路的谐波包括：变流器直流侧谐波变流器直流侧谐波交流电源侧谐波交流电源侧谐波有源逆变4. 4. 1 变流器直流侧谐波分析（变流器直流侧谐波分析（ =0）在（在（ m m）傅
26、立叶级数分析傅立叶级数分析ud 以以2 m为周期为周期有源逆变直流侧谐波分析（直流侧谐波分析（ =0）（续）（续）因此因此在整流输出电压中，谐波级次在整流输出电压中，谐波级次 n 一定是脉波数一定是脉波数 m 的整数倍。的整数倍。根据傅立叶级数分析根据傅立叶级数分析结果结果有源逆变直流侧谐波分析（直流侧谐波分析（ =0）（续）（续）两相半波电路两相半波电路m=2）三相半波电路三相半波电路m=3）有源逆变直流侧谐波分析（直流侧谐波分析（ =0）（续）（续）三相桥式电路三相桥式电路m=6）脉波数相数的增加使谐波中最低次谐波的频脉波数相数的增加使谐波中最低次谐波的频率增加，同时其幅值迅速减少。率增加
27、，同时其幅值迅速减少。增加整流器的脉波数增加整流器的脉波数 m ，对减少直流侧谐波、改，对减少直流侧谐波、改善输出波形质量有重要的作用。善输出波形质量有重要的作用。有源逆变直流侧谐波分析（直流侧谐波分析（ 0）空载直流电压的空载直流电压的 n 次谐波的有效值次谐波的有效值整流器输出直流电压中的谐波分量，将随延迟整流器输出直流电压中的谐波分量，将随延迟角角 的增大而显著上升。的增大而显著上升。有源逆变4. 4. 2 交流电源侧谐波电流分析交流电源侧谐波电流分析对于理想的对于理想的 m 脉波整流器，则在交流侧只有下脉波整流器，则在交流侧只有下列级次的谐波电流：列级次的谐波电流： = mk 1每个谐
28、波电流分量的幅值为基波电流的每个谐波电流分量的幅值为基波电流的 1 / ，即谐波电流分量的大小与其频率成反比。即谐波电流分量的大小与其频率成反比。实际应用中，当需要比较精确的检测变流器交流实际应用中，当需要比较精确的检测变流器交流侧谐波电流时，必需同时考虑到脉波数侧谐波电流时，必需同时考虑到脉波数 m、延、延迟角迟角 和重迭角和重迭角 三个参数的影响。三个参数的影响。有源逆变本章内容本章内容4.1 4.1 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）4.2 4.2 三相有源逆变电路三相有源逆变电路4.3 4.3 有源逆变的应用有源逆变的应用4.4 4.4 整流电路的谐波和功率因数整
29、流电路的谐波和功率因数4.6 4.6 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4. 6 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应等于整流负载功率。应等于整流负载功率。有源逆变3、计算方法、计算方法2 = cos cos ：相位移系数基波的有功功率与基：相位移系数基波的有功功率与基波的视在功率之比）波的视在功率之比） : 电流畸变系数基波电流
30、有效值与总电电流畸变系数基波电流有效值与总电流有效值之比），即：流有效值之比），即： =I1/I有源逆变例：单相全控桥式电路功率因数计算例：单相全控桥式电路功率因数计算计算方法计算方法1有源逆变例：单相全控桥式电路功率因数计算例：单相全控桥式电路功率因数计算计算方法计算方法2有源逆变二、功率因数的改善方法二、功率因数的改善方法1、全控变流器的半控工作状态提高基波功率因、全控变流器的半控工作状态提高基波功率因数）数） 整流波形整流波形 逆变波形逆变波形有源逆变二、功率因数的改善方法续）二、功率因数的改善方法续）2、强迫换相、强迫换相（1熄灭角控制使基波电流超前电压，熄灭角控制使基波电流超前电压，对整个电力系统有利）对整个电力系统有利）有源逆变二、功率因数的改善方法续）二、功率因数的改善方法续）2、强迫换相续）、强迫换相续）（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）有源逆变二、功率因数的改善方法续）二、功率因数的改善方法续）2、强迫换相续）、强迫换相续）（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，同时提高电流畸变系数）提高电流畸变系数）有源逆变二、功率因数的改善方法续）二、功率因数的改善方法续）3、串联变流器的顺序控制主要是提高基波功率因、串联变流器的顺序控制主要是提高基波功率因数）数）
