1、Power Electronics Technology 上海第二工业大学 宋海辉 电力电子技术 第四章 有源逆变电路 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 2 4.1 逆变的概念 1 什么是逆变 ？ 为什么要逆变 ？ 逆变 (Invertion) 把直流电转变成交流电 ， 整流的逆过程 。 逆变电路 把直流电逆变成交流电的电路 。 有源逆变电路 交流侧和电网连结 。 应用： 直流可逆调速系统 、 交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等 。 无源逆变电路 变流电路的
2、交流侧不与电网联接 ， 而直接接到负载 对于可控整流电路 ， 满足一定条件就可工作于有源逆变 ， 其电路形式未变 ， 只是电路工作条件转变 。 既工作在整流状态又工作在逆变状态 ， 称为 变流电路 。 整流与有源逆变的区别 关键在于电能流动的方向 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 3 2 直流发电机 电动机系统电能的流转 图 4-1 直流发电机 电动机之间电能的流转 a）两电动势同极性 EG EM b）两电动势同极性 EM EG c）两电动势反极性，形成短路 电路过程分析
3、 : 两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。 4.1 逆变的概念 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 4 3) 逆变产生的条件 单相全波电路代替上述发电机 图 4-2 单相全波电路的整流和逆变 a) b) u 10 u d u 20 u 10 a O O w t w t I d i d U d E M u 10 u d u 20 u 10 O O w t w t I d i d U d /2， 使 Ud为 负值 。
4、 半控桥或有续流二极管的电路 ， 因其整流电压 ud不能出现负值 ， 也不允许直流侧出现负极性的电动势 ， 故 不能实现有源逆变 。 欲实现有源逆变 ， 只能采用 全控 电路 。 4.1 逆变的概念 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 6 4.2 三相有源逆变电路 逆变和整流的区别 ： 控制角 a 不同 0 /2时的控制角用 - a = b表示 ， b 称为 逆变角 。 逆变角 b和控制角 a的计量方向相反 ， 其大小自 b =0的起始点 向左方 计量 。 电力电子 宋海辉
5、 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 7 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 8 三相全控桥式整流电路在大 L-R-E反电动势负载电流连续的情况下，Ud=Ud0cosa=2.34U2 cosa, 当 a= /2 时， Ud为负值，可以实现有源逆变，吸收来自负载侧反电动势 EM供出的能量，并且逆变到电网。 为了实现有源逆变， Ud和反电动势 EM都必须满足逆变条件所要求的极
6、性和大小关系 三相有源逆变状态波形分析： 上半桥三只管的 a角从各相的正半周自然换相点向右算起，而逆变角 b从对应相的负半周自然换相点向左算起。下半桥的波形分析反之。 每组三相半波电路的三只管依次轮换导通 120 ,并且每触通一只 SCR 则将迫使前己导通的一只关断。 每周期同样分为 6 段波形分析。 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 9 三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图所示。 图 4-5 三相桥式整流电路工作于有源逆变状
7、态时的电压波形 u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac u bc u a u b u c u a u b u c u a u b u c u a u b u 2 u d w t O w t O b = 4 b = 3 b = 6 b = 4 b = 3 b = 6 w t 1 w t 3 w t 2 4.2 三相有源逆变电路 动画 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electroni
8、cs Technology 2019年 1月 4日 10 有源逆变状态时各电量的计算： -REUI Mdd输出直流电流的平均值亦可用整流的公式 ,即 bb c o s35.1c o s34.2 22 Ld UUU -（ 4-1） 每个晶闸管导通 2/3， 故流过晶闸管的电流有效值为： ddVT III 577.03 （ 4-2） 从交流电源送到直流侧负载的有功功率为： dMdd IEIRP 2（ 4-3） 当逆变工作时 ， 由于 EM为负值 ， 故 Pd一般为负值 ， 表示功率由直流电源输送到交流电源 。 （ 4-4） 在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为： ddVT IIII 8
9、1 6.03222 4.2 三相有源逆变电路 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 11 4.3 逆变失败与最小逆变角的限制 逆变失败 （ 逆变颠覆 ） 逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路 短路 ，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成 顺向串联 ，形成很大 短路电流 。 触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。 晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。 交流电源缺相或突然消失。 换相的裕量
10、角不足，引起换相失败。 1) 逆变失败的原因 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 12 换相重叠角的影响： 图 4-6 交流侧电抗对逆变换相过程的影响 当 b g 时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。 如果 b g i VT 1 i VT i VT 3 i VT i VT 3 2 2 4.3 逆变失败与最小逆变角的限制 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月
11、4日 13 2) 确定 最小逆变角 bmin的依据 逆变时允许采用的最小逆变角 b 应等于 bmin=d +g+q d 晶闸管的关断时间 tq折合的电角度 g 换相重叠角 q 安全裕量角 tq大的可达 200300ms，折算到电角度约 45。 随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。 主要针对 脉冲不对称程度（一般可达 5）。 值约取为 10。 4.3 逆变失败与最小逆变角的限制 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 14 g 换相重叠角的确定： 1)查阅有关手册 , 举例如下
12、： 整流电压 整流电流 变压器容量 短路电压比 Uk% g 220V 800A 240kV。 A 5% 1520 2) 参照整流时 g 的计算方法 mUXI Bdgaa s in2)c os (c os2-（ 4-7） 根据逆变工作时 ，并设 ，上式可改写成 ba - gbmUXI Bdg s in21c os2-这样， bmin一般取 3035。 4.3 逆变失败与最小逆变角的限制 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 15 4.4 逆变工作状态时的直流 电动机的机械特性
13、1) 电流连续时电动机的机械特性 电流连续时的机械特性由 决定的。 逆变时由于 ， 反接，得 因为 EM=Cen，可求得电动机的机械特性方程式 - RIEU dMdbc o s0dd UU - ME)c o s( 0 - RIUE ddM b （ 4-9) )c o s(1 0 - RIUCn ddeb （ 4-10) 图 4-7 电动机在四象限中的机械特性 正组变流器 反组变流器 n a 3 a 2 a 1 I d a 4 b 2 b 3 b 4 b 1 a = b = 2 a = b = 2 b 3 b 2 b 1 b 4 a 2 a 3 a 4 a 1 a 1 = b 1 ; a 1 =
14、 b 1 a 2 = b 2 ; a 2 = b 2 a 增大方向 b 增大方向 a 增大方向b 增大方向反向制动 (逆变 ) 正向电动 (整流 ) 正向制动 (逆变 ) 反向电动 (整流 ) 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 16 2) 电流断续时电动机的机械特性 可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，把 代入式（ 3-65）、式（ 3-66）和式（ 3-68），便可得 EM、 n与Id的表达式。三相半波电路为例： ba -qqbqb t a nt a n2 1)67s
15、 i n ()67s i n (c o s2 ccM eeUE -(4-11) qqbqbt a nt a n2)67s i n ()67s i n (c o s2cceeMeeCUCEn-(4-12) 2)67c o s ()67 c o s (c o s2 2322 nUCZUI ed qqbb -(4-13) 4.4 逆变工作状态时的直流 电动机的机械特性 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 17 逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似： 图 4-7 电动机
16、在四象限中的机械特性 理想空载转速上翘很多 ， 机械特性变软 ， 且呈现 非线性 。 逆变状态的机械特性是整流状态的 延续 。 纵观控制角 变化时 ， 机械特性得变化 。 a第 1、 4象限中和第 3、 2象限中的特性是分别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以 正组 和 反组 变流器。 正组变流器 反组变流器 n a 3 a 2 a 1 I d a 4 b 2 b 3 b 4 b 1 a = b = 2 a = b = 2 b 3 b 2 b 1 b 4 a 2 a 3 a 4 a 1 a 1 = b 1 ; a 1 = b 1 a 2 = b 2 ; a 2 = b
17、2 a 增大方向 b 增大方向 a 增大方向b 增大方向4.4 逆变工作状态时的直流 电动机的机械特性 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 18 4.5 有源逆变电路应用举例 直流可逆电力拖动系统 图 4-8 两组变流器的反并联可逆线路 图 4-8a与 b是两组反并联的可逆电路 a三相半波有环流接线 b三相全控桥无环流接线 c对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronic
18、s Technology 2019年 1月 4日 19 两套变流装置反并联 连接的可逆电路的相关概念和结论： 环流 是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流 。 正向运行时由正组变流器供电；反向运行时 ， 则由反组变流器供电 。 根据对环流的处理方法 ， 反并联可逆电路又可分为不同的控制方案 ， 如配合控制有环流 （ ） 、 可控环流 、 逻辑控制无环流和错位控制无环流等 。 电动机都可 四象限运行 。 可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态：整流或逆变 。 ba 4.5 有源逆变电路应用举例 直流可逆电力拖动系统 电力电子 宋海辉 Power Electronics
19、Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 20 直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能实现电动机的回馈制动。 电动机反向过程分析 ： 详见 P78 ab 配合控制的有环流可逆系统 对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证 a=b 的配合控制关系 。 假设正组为整流，反组为逆变，即有 a Pb N ， UdaP=UdbN，且极性相抵，两组变流器之间没有直流环流。 但两组变流器的输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流。 串入环流电抗器 LC限制环流。 4.5 有源逆变电路应用举例 直流可逆电力拖动系统 电力电子 宋海辉 Pow
20、er Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 21 逻辑无环流可逆系统 工程上使用较广泛 ， 不需设置环流电抗器 。 只有一组桥投入工作 （ 另一组关断 ） ， 两组桥之间不存在环流 。 两组桥之间的切换 过程： 首先应使已导通桥的晶闸管断流，要妥当处理使主回路电流变为零，使原导通晶闸管恢复阻断能力。 随后再开通原封锁着的晶闸管，使其触发导通。 这种无环流可逆系统中，变流器之间的切换过程由逻辑单元控制，称为 逻辑控制无环流 系统。 直流可逆电力拖动系统，将在后继课“电力拖动自动控制系统”中进一步分析讨论。
21、4.5 有源逆变电路应用举例 直流可逆电力拖动系统 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 22 相控电路： 晶闸管可控整流电路 ， 通过控制触发角 a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小 。 采用晶闸管相控方式时的交流电力变换电路和交交变频电路 。 相控电路的驱动控制 为保证相控电路正常工作 ， 很重要的是应保证按触发角 a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲 。 晶闸管相控电路 ， 习惯称为 触发电路 。 大 、 中功率的变流器广泛应用的是 晶体管
22、触发电路 ， 其中以同步信号为锯齿波的触发电路 应用最多 。 4.7变流装置的触发电路 1、同步信号为锯齿波的触发电路 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 23 输出可为 双窄脉冲 （ 适用于有两个晶闸管同时导通的电路 ） ， 也可为 单窄脉冲 。 三个基本环节： 脉冲的形成与放大 、 锯齿波的形成和脉冲移相 、同步环节 。 此外 ， 还有 强触发和双窄脉冲形成环节 。 图 4-17 同步电压为锯齿波的晶闸管触发电路 4.7变流装置的触发电路 电力电子 宋海辉 Power
23、Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 24 1) 脉冲形成环节 V4、 V5 脉冲形成 V7、 V8 脉冲放大 2 2 0 V 3 6 V+BTP+ 15 VAVS+ 15 V- 15 V - 15 VX Y接封锁信号RQutsVD1VD2C1R2R4TSV2R5R8R6R7R3R9R10R11R12R13R14R16R15R18R17RP1ucoupC2C3C3C5C6C7R1RP2V1I1cV3V4V6V5V7V8VD4VD10VD5VD6VD7VD9VD8VD15VD11 V D14脉冲前沿由 V4
24、导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数 R11C3有关。 电路的触发脉冲由脉冲变压器 TP二次侧输出 ,其一次绕组接在 V8集电极电路中 . 4.7变流装置的触发电路 图 4-17 同步电压为锯齿波的晶闸管触发电路 控制电压 uco加在 V4基极上 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 25 2) 锯齿波的形成和脉冲移相环节 锯齿波电压形成的方案较多 ， 如采用 自举式电路 、恒流源电路 等；本电路采用恒流源电路 。 恒流源电路方案 ， 由 V1、 V2、 V3和 C2
25、等元件组成 V1、 VS、 RP2和 R3为一恒流源电路 4.7变流装置的触发电路 图 4-17 同步电压为锯齿波的晶闸管触发电路 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 26 3) 同步环节 同步 要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定 。 锯齿波是由开关 V2管来控制的 。 V2开关的频率就是 锯齿波的频率 由同步变压器所接的交流电压决定 。 V2由导通变截止期间产生锯齿波 锯齿波起点 基本就是同步电压由正变负的过零点 。 V2截止状态持续的时间就是 锯齿波
26、的宽度 取决于充电时间常数R1C1。 4.7变流装置的触发电路 4) 强触发环节 （ 略 ） 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 27 5) 双窄脉冲形成环节 内双脉冲电路 V5、 V6构成 “ 或 ” 门 当 V5、 V6都导通时 ， V7、 V8都截止 ， 没有脉冲输出 。 只要 V5、 V6有一个截止 ， 都会使 V7、 V8导通 ， 有脉冲输出 。 第一个脉冲由本相触发单元的 uco对应的控制角 a 产生 。 隔 60的第二个脉冲是由滞后 60相位的后一相触发单元产
27、生（ 通过 V6） 。 三相桥式全控整流电路的情况 (自学 ) 4.7变流装置的触发电路 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 28 2、 集成触发器： 可靠性高 ， 技术性能好 ， 体积小 ， 功耗低 ， 调试方便 。 晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及 ， 已逐步取代分立式电路 。 图 4-24 KC04电路原理图 11 12161151413943578R23+ 15 V + 15 V+ 15 VRP1R24R2R20RP4R5R1R3R4R6R7R8R12R10R11R
28、14R19R13R25R26R27R28R20R22R16R17R21R18R15V3V2V1V18V19V20V4V5V6V12V13V14V15V16V9V10 V11V8V7V17VS5VS1VS2VS3VS4VS6VS7VS8VS9VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7C1 C2ubucous4.7变流装置的触发电路 KC04： 与分立元件的锯齿波移相触发电路相似 ,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大 几个环节。 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1
29、月 4日 31 触发电路的定相 触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定 、 正确的相位关系 。 措施： 同步变压器原边接入为主电路供电的电网 ， 保证频率一致 。 触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系 。 图 4-26 三相全控桥的定相 O w t w t 1 w t 2 u a u b u c u 2 u a - 4.7变流装置的触发电路 电力电子 宋海辉 Power Electronics Technology Power Electronics Technology 2019年 1月 4日 32 变压器接法：主电路整流变压器为 D,y-11联结 ， 同步变压器为D,y-11,5联结 。 D , y 11D , y 5 - 1 1TRTSuAuBuCuaubuc- usa- usb- usc- usa- usb- uscUcUsc - UsaUbUsb- Usc- UsbUaUsaUAB图 4-27 NPN管锯齿波触发器的电路与电压矢量关系图 4.7变流装置的触发电路 同步变压器和整流变压器的接法 电压矢量图
