有源逆變電路演示文稿1目前一頁\總數四十六頁\編于九點2優選有源逆變電路目前二頁\總數四十六頁\編于九點4.1逆變的概念1)什么是逆變？為什么要逆變？逆變（Invertion）——把直流電轉變成交流電，整流的逆過程。逆變電路——把直流電逆變成交流電的電路。有源逆變電路——交流側和電網連結。應用：直流可逆調速系統、交流繞線轉子異步電動機串級調速以及高壓直流輸電等。無源逆變電路——變流電路的交流側不與電網聯接，而直接接到負載，將在第8章介紹。對于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉變。既工作在整流狀態又工作在逆變狀態，稱為變流電路。目前三頁\總數四十六頁\編于九點4.1逆變的概念2)直流發電機—電動機系統電能的流轉圖4-1直流發電機—電動機之間電能的流轉a）兩電動勢同極性EG

>EM

b）兩電動勢同極性EM>EG

c）兩電動勢反極性，形成短路電路過程分析。兩個電動勢同極性相接時，電流總是從電動勢高的流向低的，回路電阻小，可在兩個電動勢間交換很大的功率。目前四頁\總數四十六頁\編于九點4.1逆變的概念3)逆變產生的條件單相全波電路代替上述發電機圖4-2

單相全波電路的整流和逆變交流電網輸出電功率電動機輸出電功率a)b)u10udu20u10aOOwtwtIdidUd>EMu10udu20u10OOwtwtIdidUd<EMaiVT1iVT2iVT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1目前五頁\總數四十六頁\編于九點4.1逆變的概念從上述分析中，可以歸納出產生逆變的條件有二：有直流電動勢，其極性和晶閘管導通方向一致，其值大于變流器直流側平均電壓。晶閘管的控制角

>/2，使Ud為負值。半控橋或有續流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現負值，也不允許直流側出現負極性的電動勢，故不能實現有源逆變。欲實現有源逆變，只能采用全控電路。目前六頁\總數四十六頁\編于九點4.2三相有源逆變電路逆變和整流的區別：控制角不同

0<<p

/2

時，電路工作在整流狀態。

p

/2<

<

p時，電路工作在逆變狀態。可沿用整流的辦法來處理逆變時有關波形與參數計算等各項問題。把a>p/2時的控制角用p-

=b表示，b稱為逆變角。逆變角b和控制角a的計量方向相反，其大小自b=0的起始點向左方計量。目前七頁\總數四十六頁\編于九點4.2三相有源逆變電路三相橋式電路工作于有源逆變狀態，不同逆變角時的輸出電壓波形及晶閘管兩端電壓波形如圖4-3所示。圖4-3

三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態時的電壓波形uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuaubucuaubucuaubu2udwtOwtOb=p4b=p3b=p6b=p4b=p3b=p6wt1wt3wt2目前八頁\總數四十六頁\編于九點4.2三相有源逆變電路有源逆變狀態時各電量的計算：輸出直流電流的平均值亦可用整流的公式，即（4-1）每個晶閘管導通2p/3，故流過晶閘管的電流有效值為：（4-2）從交流電源送到直流側負載的有功功率為：（4-3）當逆變工作時，由于EM為負值，故Pd一般為負值，表示功率由直流電源輸送到交流電源。（4-4）在三相橋式電路中，變壓器二次側線電流的有效值為：目前九頁\總數四十六頁\編于九點4.3逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失敗（逆變顛覆）

逆變時，一旦換相失敗，外接直流電源就會通過晶閘管電路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變成順向串聯，形成很大短路電流。觸發電路工作不可靠，不能適時、準確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時等，致使晶閘管不能正常換相。晶閘管發生故障，該斷時不斷，或該通時不通。交流電源缺相或突然消失。換相的裕量角不足，引起換相失敗。1)逆變失敗的原因目前十頁\總數四十六頁\編于九點4.3逆變失敗與最小逆變角的限制換相重疊角的影響：圖4-4交流側電抗對逆變換相過程的影響當b>g時，換相結束時，晶閘管能承受反壓而關斷。如果b<g時（從圖4-4右下角的波形中可清楚地看到），該通的晶閘管（VT2）會關斷，而應關斷的晶閘管（VT1)不能關斷，最終導致逆變失敗。udOOidwtwtuaubucuaubpbgb<gagbb>giVT1iVTiVT3iVTiVT322目前十一頁\總數四十六頁\編于九點4.3逆變失敗與最小逆變角的限制2)確定最小逆變角bmin的依據逆變時允許采用的最小逆變角b應等于bmin=d+g+q′

（4-5）d——晶閘管的關斷時間tq折合的電角度g——

換相重疊角q′——安全裕量角tq大的可達200~300ms，折算到電角度約4~5。隨直流平均電流和換相電抗的增加而增大。主要針對脈沖不對稱程度（一般可達5）。值約取為10。目前十二頁\總數四十六頁\編于九點4.3逆變失敗與最小逆變角的限制g——

換相重疊角的確定：查閱有關手冊舉例如下：整流電壓整流電流變壓器容量短路電壓比Uk%g220V800A240kV。A5%15~20參照整流時g的計算方法（4-6）（4-7）根據逆變工作時，并設，上式可改寫成目前十三頁\總數四十六頁\編于九點4.3逆變失敗與最小逆變角的限制（4-8）逆變時要求bmin>

g

，故這樣，bmin一般取30~35。

換相重疊角g與Id

和XB有關，電路參數確定后，g就有定值目前十四頁\總數四十六頁\編于九點4.4逆變工作狀態時的直流電動機機械特性1)電流連續時電動機的機械特性電流連續時的機械特性由決定的。逆變時由于，反接，得因為EM=Cen，可求得電動機的機械特性方程式（4-9)（4-10)圖4-5

電動機在四象限中的機械特性正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=b'1;a'1=b1a2=b'2;a'2=b2a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向目前十五頁\總數四十六頁\編于九點4.4逆變工作狀態時的直流電動機機械特性2)電流斷續時電動機的機械特性可沿用整流時電流斷續的機械特性表達式，把代入式，便可得EM、n與Id的表達式。三相半波電路為例：(4-11)(4-12)(4-13)目前十六頁\總數四十六頁\編于九點4.4逆變工作狀態時的直流電動機機械特性逆變電流斷續時電動機的機械特性，與整流時十分相似：圖4-5

電動機在四象限中的機械特性理想空載轉速上翹很多，機械特性變軟，且呈現非線性。逆變狀態的機械特性是整流狀態的延續。縱觀控制角變化時，機械特性得變化。第1、4象限中和第3、2象限中的特性是分別屬于兩組變流器的，它們輸出整流電壓的極性彼此相反，故分別標以正組和反組變流器。正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=b'1;a'1=b1a2=b'2;a'2=b2a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向目前十七頁\總數四十六頁\編于九點4.5直流可逆電力拖動系統圖4-6

兩組變流器的反并聯可逆線路圖4-6a與b是兩組反并聯的可逆電路a三相半波有環流接線b三相全控橋無環流接線c對應電動機四象限運行時兩組變流器工作情況目前十八頁\總數四十六頁\編于九點4.5直流可逆電力拖動系統兩套變流裝置反并聯連接的可逆電路的相關概念和結論：環流是指只在兩組變流器之間流動而不經過負載的電流。正向運行時由正組變流器供電；反向運行時，則由反組變流器供電。根據對環流的處理方法，反并聯可逆電路又可分為不同的控制方案，如配合控制有環流（）、可控環流、邏輯控制無環流和錯位控制無環流等。電動機都可四象限運行。可根據電動機所需運轉狀態來決定哪一組變流器工作及其工作狀態：整流或逆變。目前十九頁\總數四十六頁\編于九點4.5直流可逆電力拖動系統直流可逆拖動系統，除能方便地實現正反轉外，還能實現電動機的回饋制動。電動機反向過程分析：詳見P79a=b

配合控制的有環流可逆系統對正、反兩組變流器同時輸入觸發脈沖，并嚴格保證a=b

的配合控制關系。假設正組為整流，反組為逆變，即有aP=bN

，UdaP=UdbN，且極性相抵，兩組變流器之間沒有直流環流。但兩組變流器的輸出電壓瞬時值不等，會產生脈動環流。串入環流電抗器LC限制環流。目前二十頁\總數四十六頁\編于九點4.5直流可逆電力拖動系統第1象限：正轉電動運行，此時1組工作于整流狀態，由α1＝β2

，2組工作于逆變狀態，且Ud1=Ud2,但由于二極管的單相導電性，2組橋沒有電流流過。工作在待逆變狀態。同樣，由于Ud1和Ud2的瞬時值不相等，所以有交流的環流在兩者間流動。必需加上環流電抗器Lc加以限制。α1＝β2,，即α1＋β

2＝π目前二十一頁\總數四十六頁\編于九點4.5直流可逆電力拖動系統第2象限：正轉制動運行。當需要正轉制動（剎車）時，將α1增大但<900，此時由于電機的轉動慣量，其E不能突變，所以此時E>Ud1=Ud2，此時2組立刻工作于逆變狀態。由二極管的單相導電性，1組橋沒有電流流過。工作在待整流狀態。目前二十二頁\總數四十六頁\編于九點4.5直流可逆電力拖動系統第3象限：將α2調節至<900

，Ud2變為上負下正，由α1＝β2Ud1變為上負下正，由于二極管的單相導電性，2組橋有電流流過。工作在整流狀態，1組橋沒有電流流過。工作在待逆變狀態。此時電機反轉，E電壓為上負下正。目前二十三頁\總數四十六頁\編于九點4.5直流可逆電力拖動系統第4象限：反轉制動運行，和第二象限類似，當將α2增大但保持<900，E>Ud1=Ud2此時1組工作于逆變狀態，由于二極管的單相導電性，2組橋沒有電流流過。工作在待整流狀態。目前二十四頁\總數四十六頁\編于九點圖4-7

兩組變流器的反并聯可逆線路等效圖n目前二十五頁\總數四十六頁\編于九點4.5直流可逆電力拖動系統邏輯無環流可逆系統工程上使用較廣泛，不需設置環流電抗器。只有一組橋投入工作（另一組關斷），兩組橋之間不存在環流。兩組橋之間的切換過程：首先應使已導通橋的晶閘管斷流，要妥當處理使主回路電流變為零，使原導通晶閘管恢復阻斷能力。隨后再開通原封鎖著的晶閘管，使其觸發導通。

這種無環流可逆系統中，變流器之間的切換過程由邏輯單元控制，稱為邏輯控制無環流系統。直流可逆電力拖動系統，將在后繼課“電力拖動自動控制系統”中進一步分析討論。目前二十六頁\總數四十六頁\編于九點4.6變流裝置的功能指標主要性能指標變流裝置的效率電壓調整率功率因素目前二十七頁\總數四十六頁\編于九點4.6變流裝置的功能指標晶閘管裝置的功率因數及其改善１、晶閘管裝置的功率因數單相全橋為0.9三相橋式電路為0.955位移系數畸變系數目前二十八頁\總數四十六頁\編于九點4.6變流裝置的功能指標晶閘管裝置的功率因數及其改善２、采用的改善功率因數的方法小控制角運行采用兩組變流器的串聯供電增加整流相數設置補償電容因為功率因數與畸變系數和位移系數有關，所以要采用下列措施改善功率因數：目前二十九頁\總數四十六頁\編于九點4.6變流裝置的功能指標二、晶閘管裝置對電網的影響變流裝置可能會對電網造成什么影響？引起諧振，造成熱損壞、振動、閃爍等事故。對通信線路產生雜音對變壓器鐵心產生噪音，損耗增加使電機產生脈動轉矩，損耗增加影響電壓和電流的相位差，測量精確度下降導致計算機誤動作目前三十頁\總數四十六頁\編于九點如：三相全控橋式電路變壓器電流波形4.6變流裝置的功能指標目前三十一頁\總數四十六頁\編于九點4.6變流裝置的功能指標

為減小對電網的影響，晶閘管的電流波形應為什么形狀？具體措施：小控制角運行三相電路盡量采用橋式電路變流變壓器采用Ｄ/Ｙ或Y/D聯接增加整流相數采用諧波濾波器目前三十二頁\總數四十六頁\編于九點抑制諧波的濾波器4.6變流裝置的功能指標目前三十三頁\總數四十六頁\編于九點4.7變流裝置的觸發電路

同步信號為鋸齒波的觸發電路

同步信號為鋸齒波的觸發電路

集成觸發器

觸發電路的定相目前三十四頁\總數四十六頁\編于九點4.7變流裝置的觸發電路·引言觸發電路：晶閘管可控整流電路，通過控制觸發角a的大小即控制觸發脈沖起始相位來控制輸出電壓大小。觸發電路的驅動控制為保證觸發電路正常工作，很重要的是應保證按觸發角a的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發脈沖。大、中功率的變流器廣泛應用的是晶體管觸發電路，其中以同步信號為鋸齒波的觸發電路應用最多。目前三十五頁\總數四十六頁\編于九點4.7.1同步信號為鋸齒波的觸發電路輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個晶閘管同時導通的電路），也可為單窄脈沖。三個基本環節：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環節。此外，還有強觸發和雙窄脈沖形成環節。圖4-8同步信號為鋸齒波的觸發電路目前三十六頁\總數四十六頁\編于九點4.7.1同步信號為鋸齒波的觸發電路1)脈沖形成環節V4、V5—脈沖形成V7、V8—脈沖放大控制電壓uco加在V4基極上圖4-8同步信號為鋸齒波的觸發電路脈沖前沿由V4導通時刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時間常數R11C3有關。電路的觸發脈沖由脈沖變壓器TP二次側輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。目前三十七頁\總數四十六頁\編于九點4.7.1同步信號為鋸齒波的觸發電路2)鋸齒波的形成和脈沖移相環節鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等；本電路采用恒流源電路。恒流源電路方案，由V1、V2、V3和C2等元件組成

V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路圖4-8

同步信號為鋸齒波的觸發電路目前三十八頁\總數四十六頁\編于九點4.7.1同步信號為鋸齒波的觸發電路3)同步環節同步——要求觸發脈沖的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關系確定。鋸齒波是由開關V2管來控制的。V2開關的頻率就是鋸齒波的頻率——由同步變壓器所接的交流電壓決定。V2由導通變截止期間產生鋸齒波——鋸齒波起點基本就是同步電壓由正變負的過零點。V2截止狀態持續的時間就是鋸齒波的寬度——取決于充電時間常數R1C1。目前三十九頁\總數四十六頁\編于九點4.7.1同步信號為鋸齒波的觸發電路4)雙窄脈沖形成環節

內雙脈沖電路

V5、V6構成“或”門當V5、V6都導通時，V7、V8都截止，沒有脈沖輸出。只要V5、V6有一個截止，都會使V7、V8導通，有脈沖輸出。第一個脈沖由本相觸發單元的uco對應的控制角

產生。隔60的第二個脈沖是由滯后60相位的后一相觸發單元產生（通過V6）。三相橋式全控整流電路的情況(自學)目前四十頁\總數四十六頁\編于九點圖示為正弦波觸發電路原理圖，適用于三相全控橋。

V1起綜合信號和放大作用。脈寬形成環節和功放由V2組成的單穩態電路、V3和脈沖變壓器TP組成。V1關斷時，C4極性左正右負，V2飽和導通，V3截止。V1導通瞬間，C4上電壓不能突變，所以V2截止，V3導通輸出脈沖。4.7.2同步信號為正弦波的觸發電路目前四十一頁\總數四十六頁\編于九點正弦波同步信號的形成和移相控制：使用uα

和uβ來限制αmin

和βmin,us為正弦波同步信號，uco為控制電壓。使用這四個電壓來進行同步和移相。注意，為了防止干擾。uα

、uβ和us在輸入時都經過RC濾波。該濾波器的移相角一般為6