有源逆变概念及工作原理.docx

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有源逆变概念及工作原理

有源逆变

宇文皓月

一、单相有源逆变电路

逆变电路的分类                                      

   整流是把交流电变换成直流电供给负载，那么，能不克不及反过来，利用相控整流电路把直流电变成交流电呢？

完全可以。

我们把这种整流的逆过程称为逆变。

在许多场合，同一套晶闸管或其它可控电力电子变流电路既可作逆变，这种装置称为变流装置或变流器。

根据逆变输出交流电能去向的分歧，所有逆变电路又分为有源逆变和无源逆变两种。

前者以电网为负载，即逆变输出的交流电能回送到电网，后者则以用电器为负载，如交流电机、电炉等。

变流器的两种工作状态                                

   用单相桥式可控整流电路能替代发电机给直流电动机供电，为使电流连续而平稳，在回路中串接大电感Ld称为平波电抗器。

这样，一个由单相桥式可控整流电路供电的晶闸管－直流电动机系统就形成了。

在正常情况下，它有两种工作状态，其电压电流波形分别示于图3－1、图3－2中。

1.变流器工作于整流状态（0

   在图3－1中，设变流器工作于整流状态。

由单相全控整流电路的分析可知，大电感负载在整流状态时Ud＝0.9U2cosa，控制角的移相范围为0～90°，Ud为正值，P点电位高于N点电位，而且Ud应大于电动机的反电势E，才干使变流器输出电能供给电动机作电机运行。

此时，电能由交流电网流向直流电源（即直流电动机M的反电势E）。

图3－1

2.变流器工作与逆变状态（p/2

   在图3－2中，设电机M作发电机运行（再生制动），但由于晶闸管元件的单向导电性，回路内电流不克不及反向，欲改变电能的传送方向，只有改变电机输出电压的极性。

在图3－2中，反电势E的极性已反了过来，为了实现电动机的再生制动运行，整流电路必须吸收电能反馈回电网，也就是说，整流电路直流侧电压平均值Ud也必须反过来，即Ud为负值，P点电位低于N点电位且电机电势E应大于Ud。

此时电路内电能的流向与整流时相反，电动机输出电功率，为发电机工作状态，电位则作为负载吸收电功率，实现了有源逆变。

为了防止过电流，应满足E约等于Ud，在恒定励磁下，E取决于电动机的转速，而Ud则由调节控制角a来实现。

图3－2

实现有源逆变的条件                                 

   由上述有源逆变工作状态的原理分析可知，实现有源逆变必须同时满足两个基本条件：

其一，外部条件，要有一个能提供逆变能量的直流电源。

其二，内部条件，变流器在控制角a>p/2的范围内工作，使变流器输出的平均电压Ud的极性与整流状态时相反，大小应和直流电势配合，完成反馈直流电能回交流电网的功能。

   从上面的分析可以看出，整流和逆变、交流和直流在晶闸管变流器中互相联系着，并在一定条件下可互相转换，同一个变流器，既可以作整流器，又可以作逆变器，其关键是内部和外部的条件。

   不难分析，半控桥式电路或具有续流二极管的电路，因为不成能输出负电压，变流器不克不及实现有源逆变，而且也不允许直流侧出现反极性的直流电势。

二、三相有源逆变电路

三相半波逆变电路                                    

1.工作原理

   图3－3为三相半波电机负载电路，负载回路接有大电感，电流连续。

当a在0～p/2范围内变动时，平均值Ud总为正值，且Ud应略大于E。

此时电流id从Ud正端流出，从E的正端流入，电机作为电动机运行，吸收电能，这就是三相半波电路的整流工作状态。

图3－3

   对于逆变状态（p/2

因为有了持续的直流电势和极大的电感Ld，主电路电流始终连续。

图3－4

   变流器输出电压必须如图3－4（b）中粗黑线所示。

当a在p/2～p范围内变动时，输出平均值Ud为负，其极性是上负下正，此时电动机的电势E应稍大于Ud。

主电路内的电流Id方向没有变，但是它从E的正极流出，到Ud的正端流入，所以电能倒送。

2.逆变角b及逆变电压的计算

   三相半波电路在整流和逆变范围内，只要电流连续，每个晶闸管的导通角都是2p/3，故不管控制角a为何值，直流侧输出电压的平均值和a的关系都为

   为分析和计算方便起见，电路进入逆变状态时，通经常使用逆变角b暗示。

规定b角计算的起始点为控制角a＝p处，计算方法为自a＝p（b＝0）的起始点向左方计算，因此控制角和逆变角的关系是a＋b＝p，或b＝p－a。

三相桥式全控有源逆变电路                          

1.逆变电路波形分析

   图3－5（a）为三相有源逆变电路。

根据以前的分析，在区间0

图3－5（b～d）暗示a＝p5/6时的典型工作情况下电路中各点的波形。

图3－5

2.逆变电路电量计算

   考虑变压器漏抗时，逆变器输出电压为

   在三相逆变电路中，其它的电量，如电流平均值、晶闸管电流的平均值和有效值、变压器的容量计算等，均可依照整流电流的计算原则进行。

三、逆变失败的原因

逆变失败的定义                                    

   逆变运行时，一旦发生换相失败，使整流电路由逆变工作状态进入整流工作状态，Ud又重新酿成正值，使输出平均电压和直流电势酿成顺向串联，外接的直流电源通过晶闸管电路形成短路，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆，这是一种事故状态，应当防止。

逆变失败的原因                                    

   造成逆变失败的原因很多，大致可归纳为四类，今以三相半波逆变电路为例，加以说明。

1.触发电路工作不成靠

   触发电路不克不及适时地，准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失，脉冲延迟等，致使晶闸管工作失常。

如图3－6所示，当a相晶闸管T1导通到wt1时刻，正常情况时ug2触发T2管，电流换到b相，如果在wt1时刻，触发脉冲ug2遗漏，T1管不受反压而关不竭，a相晶闸管T1将继续导通到正半周，使电源瞬时电压与直流电势顺向串联，形成短路。

图3-6

   图3－7标明脉冲延迟的情况，ug2延迟到wt2时刻才出现，此时a相电压ua已大于b相电压ub，晶闸管T2承受反向电压，不克不及被触发导通，晶闸管T1也不克不及关断，相当于ug2遗漏，形成短路。

图3-7

2.晶闸管发生故障

   在应该阻断期间，元件失去阻断能力；或在应该导通时刻，元件不克不及导通，如图3－8所示。

在wt1时刻之前，由于T3承受的正向电压等于E和uc之和，特别是当逆变角较小时，这一正向电压较高，若T3的断态重复峰值电压裕量缺乏，则到达wt1时刻，本该由T1换相到T2，但此时T3已导通，T2因承受反压而无法导通，造成逆变失败。

图3-8

3.换相的裕量角缺乏

   存在重叠角或给逆变工作带来晦气的后果，如以T1和T2的换相过程来分析，当逆变电路工作在b>g时，经过换相过程后，b相电压ub仍高于a相电压ua，所以换相结束时，能使T1承受反压而关断。

如果换相的裕量角缺乏，即当b

图3-9

4.交流电源发生异常现象

   在逆变运行时，可能出现交流电源突然断电，缺相或电压过低等现象。

如果在逆变工作时，交流电源发生缺相或突然消失，由于直流电势E的存在，晶闸管仍可触发导通，此时变流器的交流侧由于失去了同直流电势极性相反的交流电压，因此直流电势将经过晶闸管电路而被短路。

最小逆变角的确定                             

   由上可见，为了包管逆变电路的正常工作，必须选用可靠的触发器，正确选择晶闸管的参数，而且采纳需要的措施，减少电路中du/dt和di/dt的影响，以免发生误导通。

为了防止意外事故，与整流电路一样，电路中一般应装有快速熔断器或快速开关，以资呵护。

另外，为了防止发生逆变颠覆，逆变角b不克不及太小，必须限制在某一允许的最小角度内。

   逆变时允许采取的最小逆变角b应为

β＝δ＋γ＋θ'

式中

d---晶闸管的关断时间tq折合的电角度，称恢复阻断角，d＝tq；

g---换相重叠角；

q'---平安裕量角。

⏹电流跟踪PWM（CFPWM，CurrentFollowPWM）的控制方法是：

在原来主回路的基础上，采取电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能