1、晶闸管有源逆变电路优选晶闸管有源逆变电路第一节第一节 有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理 一、有源逆变的工作原理一、有源逆变的工作原理 逆变逆变（invertion）把把直流电转变成交流电，直流电转变成交流电，为整流的逆过为整流的逆过程。程。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，即电网为负载。交流侧和电网连结，即电网为负载。 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调应用：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；速以及高压直流输电等；对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源
2、逆对于可控整流电路，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。变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工既可工作在整流状态又可工作在逆变状态，称为变流电路（作在整流状态又可工作在逆变状态，称为变流电路（converter）。）。无源逆变电路无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到普通负载，将在第七章介绍。到普通负载，将在第七章介绍。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 图图a M电动运转，电动运转，EGEM，电流，电流Id从从G流向流向M，M吸收电功率，相当于反吸收电功率，相当于反电势负
3、载。电势负载。 图图b 回馈制动状态，回馈制动状态，M作发电运转，此时，作发电运转，此时，EMEG，电流反向，从，电流反向，从M流流向向G，M输出电功率，输出电功率，G则吸收电功率，则吸收电功率，M轴上输入的机械能转变为电轴上输入的机械能转变为电能反送给能反送给G。 图图c 注意：注意： 两电动势顺向串联，向电阻两电动势顺向串联，向电阻R供电，供电，G和和M均输出功率，由均输出功率，由于于R 一般都很小，实际上形成短路，在工作中属发生事故。一般都很小，实际上形成短路，在工作中属发生事故。c)b)a)MGMGMGEGEMIdREGEMIdREGEMIdR a）两电动势同极性）两电动势同极性EG
4、EM b）两电动势同极性）两电动势同极性EM EG c）两电动势反极性，形成短路）两电动势反极性，形成短路c)b)a)MGMGMGEGEMIdREGEMIdREGEMIdRa）两电动势同极性）两电动势同极性EG EM b）两电动势同极性）两电动势同极性EM EG c）两电动势反极性，形成短路）两电动势反极性，形成短路电动机电动运行电动机电动运行电能由发电机电能由发电机 流向电动机流向电动机电动机回馈制动电动机回馈制动电能由电动机电能由电动机 回流发电机回流发电机短路短路（应避免）（应避免）两个电势源同极性相连接时，两个电势源同极性相连接时，电流的流向：高电势电流的流向：高电势低电势低电势电能的
5、流向：是电能的流向：是随着随着E或或I方向的改变方向的改变 而改变。而改变。 使用单相双半波电路（单相全波）代替上述发电机使用单相双半波电路（单相全波）代替上述发电机G。 图图3.1a M电动运行，全波电路工作在整流状态，电动运行，全波电路工作在整流状态， 在在0/2间，间，Ud为正值，并且只有当为正值，并且只有当Ud EM，才能输出，才能输出Id 。交流电网输出电。交流电网输出电功率，电动机输入电功率。功率，电动机输入电功率。 图图3.1b M回馈制动，由于晶闸管的单向导电性，回馈制动，由于晶闸管的单向导电性，Id方向不变，方向不变，欲改变电能的输送方向，只能改变欲改变电能的输送方向，只能改
6、变EM极性。为了防止两电动极性。为了防止两电动势顺向串联，势顺向串联，Ud极性也必须反过来，即极性也必须反过来，即Ud应为负值，且应为负值，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。 电能（注意不是电流）的流向与整流时相反电能（注意不是电流）的流向与整流时相反,M输出电功率输出电功率,电电网吸收电功率。网吸收电功率。 Ud可通过改变可通过改变 来进行调节，逆变状态时来进行调节，逆变状态时Ud为负值，为负值， 在在 /2 间。间。最常用的是反并联电路。三相半波逆变电路，晶闸管在阻断举例如下：某装置整流电压为220V，整流电流800A，整流变压器容量为
7、240kVA，短路电压比Uk%为5%的三相线路，其值约为1520。既可工作在整流状态又可工作在逆变状态，称为变流电路（converter）。既可工作在整流状态又可工作在逆变状态，称为变流电路（converter）。下图为三相半波电动机负载电路，电动机电动势E的极性符合有源逆变条件，当 d 且 时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。有源逆变状态时各电量的计算：在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：Ud是转子整流后的直流电压，其值为最常用的是反并联电路。既可工作在整流状态又可工作在逆变状态，称为变流电路（converter）。输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即c）两电动势反极性，
8、形成短路图c 注意： 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，在工作中属发生事故。图3-1 单相全波电路的整流和逆变a)b)R+-电能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOwtwtIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOwtwtIdidUd90900 0，c o s c o s 计算不方计算不方便，所以引入逆变角便，所以引入逆变角 ，令，令=180=1800 0-，故，故注意：注意： 逆变角逆变角和控制角和控制角的计量方向相反，其大小的计量方向相反，其大小自自 =0的起始点
9、向左方计量。的起始点向左方计量。 实现有源实现有源逆变的条件：逆变的条件： 1）外部条件：有直流电动势，其极性和晶闸管导通）外部条件：有直流电动势，其极性和晶闸管导通 方向一致，其绝对值大于变流器直流侧平均电压。方向一致，其绝对值大于变流器直流侧平均电压。 2）内部条件：晶闸管的控制角）内部条件：晶闸管的控制角 /2，使使Ud为为 负值。负值。 3）充分条件：要有足够大的电感，以保证有源逆变连）充分条件：要有足够大的电感，以保证有源逆变连 续进行。续进行。 半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出不能出现负值（最小为零），也不允许直流侧出现负极
10、性的现负值（最小为零），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。电动势，故不能实现有源逆变。二、常用晶闸管有源逆变电路二、常用晶闸管有源逆变电路（一）三相半波有源逆变电路（一）三相半波有源逆变电路下图为三相半波电动机负载电路，电动机电动势下图为三相半波电动机负载电路，电动机电动势E E的极性符合有源逆变条件，当的极性符合有源逆变条件，当d d且且90EG，电流反向，从M流向G，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。3）充分条件：要有足够大的电感，以保证有源逆变连abc0tud dVT1的VT1的abc cN NiaibicIdUdLdE 结论：结论：
11、 三相半波逆变电路，负载端的电压三相半波逆变电路，负载端的电压 基本上为基本上为 反向电压。反向电压。 三相半波逆变电路，晶闸管在阻断三相半波逆变电路，晶闸管在阻断 时主要承受正向电压。时主要承受正向电压。逆变角:cos17. 12UUdug 0 0u2 0u2L 0u2L 0id0iT 0i201315=60逆变电路的波形特点：逆变电路的波形特点：1.输出电压输出电压Ud波形主要波形主要出现在负半周；出现在负半周；2.晶闸管两端电压晶闸管两端电压UT波波形主要承受的是正向电形主要承受的是正向电压，承受反向电压的时压，承受反向电压的时间与间与角相对应。角相对应。注意：触发脉冲必须严注意：触发脉
12、冲必须严格按次序发出。格按次序发出。=0=0VUWTnLiuidVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1 M-+（二）三相全控桥有源逆变电路（二）三相全控桥有源逆变电路 ttttttttug 0 0u2 0u2L 0u2L 0id0iT 0i20135661232544=0=0三相桥式逆变电路对脉三相桥式逆变电路对脉冲的要求：冲的要求：1.必须是双窄脉冲或宽必须是双窄脉冲或宽脉冲；脉冲；2. 触发脉冲必须严格按触发脉冲必须严格按次序发出。次序发出。uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaucbuabuacubcuaubucuau
13、bucuaubucuaubu2udwtOwtO=4=3=6=4=3=6wt1wt3wt2图3.5 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形有源逆变状态时各电量的计算：有源逆变状态时各电量的计算： Ud= -2.34U2cos = -1.35U2Lcos 输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即即Id=（Ud-EM)/R（2）晶闸管发生故障，该通时不通,而不该导通的通了；3）充分条件：要有足够大的电感，以保证有源逆变连为了防止两电动势顺向串联，Ud极性也必须反过来，即Ud应为负值，且|EM | |Ud |，才能把电能从直流侧送到交流侧。式中 E20转子
14、开路线电动势（n=0）；Id=（Ud-EM)/R基本上为 反向电压。在 /2 间。而改变。输出电压Ud波形主要出现在负半周；注意：触发脉冲必须严格按次序发出。34U2cos = -1.第一节 有源逆变的工作原理对于可控整流电路，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。负值。图a M电动运转，EGEM，电流Id从G流向M，M吸收电功率，相当于反电势负载。最常用的是反并联电路。电能的流向：是随着E或I方向的改变Id=（Ud-EM)/R5 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形电能的流向：是随着E或I方向的改变 每个晶闸管导通每个晶闸管导通2 /32 /3，故流
15、过晶闸管的电流有效值为，故流过晶闸管的电流有效值为（忽略直流电流（忽略直流电流i id d的脉动）的脉动） 从交流电源送到直流侧负载的有功功率为从交流电源送到直流侧负载的有功功率为: : P Pd d= U= Ud dI Id d= RI= RId d2 2+E+EM MI Id d 当逆变工作时，由于当逆变工作时，由于E EM M为负值，故为负值，故P Pd d一般为负值，表示功率一般为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。由直流电源输送到交流电源。 在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值为：dd57703I.IIVT d2816032
16、2I.IIIdVT 逆变失败（逆变颠覆）逆变失败（逆变颠覆）指逆变时，一旦换相失败，指逆变时，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，造成器件和变压器损坏。路电流，造成器件和变压器损坏。 1. 逆变失败的原因逆变失败的原因 （1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶）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；
17、不能正常换相； （2）晶闸管发生故障，该通时不通）晶闸管发生故障，该通时不通,而不该导通的通了；而不该导通的通了； （3）交流电源缺相或突然消失；）交流电源缺相或突然消失； （4）换相的裕量角不足，引起换相失败。）换相的裕量角不足，引起换相失败。三、逆变失败与逆变角的限制三、逆变失败与逆变角的限制 换相重叠角的影响：当换相重叠角的影响：当 时，换相结束时，晶时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。闸管能承受反压而关断。如果如果 900，c o s 计算不方便，所以引入逆变角，令=1800-，故：为安全裕量角，（一般可达5）值约取为10。无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到普通负
18、载，将在第七章介绍。5 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形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（最小为零），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。式中 E20转子开路线电动势（n=0）；a）两电动势同极性EG EM举例如下：某装置整流电压为220V，整流电流800A，整流变压器容量为240kVA，短路电压比Uk%为5%的三相线路，其值约为1520。最常用的是反并联电路。这样会使得Ud的波形中正部分大于负部分，从而使得Ud和EM顺向串联，最终导致逆变失败。为了防止两电动势顺向串联，Ud极性也必须反过来，即Ud应为负值，且|EM | |Ud |，才能
19、把电能从直流侧送到交流侧。输出电压Ud波形主要出现在负半周； min= + +无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到普通负载，将在第七章介绍。举例如下：某装置整流电压为220V，整流电流800A，整流变压器容量为240kVA，短路电压比Uk%为5%的三相线路，其值约为1520。在 /2 间。c）两电动势反极性，形成短路c）两电动势反极性，形成短路输出电压Ud波形主要出现在负半周；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（最小为零），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。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（最小为零），也不允许直
20、流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。Id=（Ud-EM)/R1a M电动运行，全波电路工作在整流状态， 在0/2间，Ud为正值，并且只有当Ud EM，才能输出Id 。3）充分条件：要有足够大的电感，以保证有源逆变连既可工作在整流状态又可工作在逆变状态，称为变流电路（converter）。3）充分条件：要有足够大的电感，以保证有源逆变连应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调输出电压Ud波形主要出现在负半周；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。图b 回馈制动状态，M作发电运转，此时，EMEG，电流反向，从M流向G，M输出电功
21、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。三相半波逆变电路，晶闸管在阻断第二节 晶闸管直流可逆拖动的工作原理输出电压Ud波形主要出现在负半周；电能的流向：是随着E或I方向的改变电能的流向：是随着E或I方向的改变下图为三相半波电动机负载电路，电动机电动势E的极性符合有源逆变条件，当 d 且 |Ud |，才能把电能从直流侧送到交流侧。既可工作在整流状态又可工作在逆变状态，称为变流电路（converter）。为了防止两电动势顺向串联，Ud极性也必须反过来，即Ud应为负值，且|EM | |Ud |，才能把电能从直流侧送到交流侧。34U2cos = -1.图c 注意： 两电动势顺向串联，
22、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，在工作中属发生事故。这样会使得Ud的波形中正部分大于负部分，从而使得Ud和EM顺向串联，最终导致逆变失败。 :晶闸管的关断时间tq折合的电角度，tq大的可达200300ms，折算到电角度约45；式中 E20转子开路线电动势（n=0）；三相半波逆变电路，负载端的电压二、常用晶闸管有源逆变电路6 交流侧电抗对逆变换相过程的影响1a M电动运行，全波电路工作在整流状态， 在0/2间，Ud为正值，并且只有当Ud EM，才能输出Id 。第二节 晶闸管直流可逆拖动的工作原理在 /2 间。c）两电动势反极性，形成短路对于可控整流电路，满足一
23、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。为了防止两电动势顺向串联，Ud极性也必须反过来，即Ud应为负值，且|EM | |Ud |，才能把电能从直流侧送到交流侧。 :晶闸管的关断时间tq折合的电角度，tq大的可达200300ms，折算到电角度约45；由上图可知电路工作在逆变时的直流电压可由积分求得c）两电动势反极性，形成短路注意：触发脉冲必须严格按次序发出。Id=（Ud-EM)/R下图为三相半波电动机负载电路，电动机电动势E的极性符合有源逆变条件，当 d 且 |Ud |，才能把电能从直流侧送到交流侧。 :晶闸管的关断时间tq折合的电角度，tq大的可达200300ms，折算
24、到电角度约45；电能的流向：是随着E或I方向的改变 :晶闸管的关断时间tq折合的电角度，tq大的可达200300ms，折算到电角度约45；触发脉冲必须严格按次序发出。下图为三相半波电动机负载电路，电动机电动势E的极性符合有源逆变条件，当 d 且 |Ud |，才能把电能从直流侧送到交流侧。有源逆变电路交流侧和电网连结，即电网为负载。第三节第三节 绕线转子异步电动机串级调速与高压直流输电绕线转子异步电动机串级调速与高压直流输电一、绕线转子异步电动机晶闸管串级调速一、绕线转子异步电动机晶闸管串级调速串级调速主电路如图所示，逆变电压串级调速主电路如图所示，逆变电压U Udd为引入转子电路的为引入转子电路的反电动势，改变逆变角反电动势，改变逆变角 即可改变反电动势大小，达到改变转速即可改变反电动势大小，达到改变转速的目的。的目的。U Ud d是转子整流后的直流电压，其值为是转子整流后的直流电压，其值为式中式中 E E2020转子开路线电动势（转子开路线电动势（n=0n=0）；）；S S 电动机转差率。电动机转差率。
