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2.5 整流电路的有源逆变工作状态 2.5 整流电路的有源逆变整流电路的有源逆变 工作状态工作状态电力电子技术电力电子技术( (第第5 5版版) )第第2 2章章 相控整流电路相控整流电路 2.5 有源逆变电路有源逆变电路无源逆变电路：将直流电能变为交流能输出至负载。无源逆变电路：将直流电能变为交流能输出至负载。有源逆变电路：将直流电能变为交流电能输出给交流电网。有源逆变电路：将直流电能变为交流电能输出给交流电网。有源逆变器：完成有源逆变的装置称为有源逆变器。有源逆变器：完成有源逆变的装置称为有源逆变器。2.5.1 有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理 图图 中中G是直流发电机，是电动机，是直流发电机，是电动机，是等效电阻，现是等效电阻，现在来分析直流发电机电动机系统中电能的转换关系。在来分析直流发电机电动机系统中电能的转换关系。图图 （a）中）中M电动运转，电动势电动运转，电动势EGEM。图图 （b）中）中M做发电运转，此时做发电运转，此时 EMEG。图图 （c）中两电动势顺向串联，向电阻）中两电动势顺向串联，向电阻R供电，供电，G和和M均均输出功率。输出功率。图图 2.5.1 直流发电机直流发电机-电动机之间电能的流转电动机之间电能的流转2.5.1 有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理 图图2.5.3 单相全波整流电路的逆变工作状单相全波整流电路的逆变工作状态态 图图2.5.2 单相全波整流电路的整流工作状态单相全波整流电路的整流工作状态 因为因为Ra阻值很小阻值很小,其两端电压也很小，因此，其两端电压也很小，因此，UdE，此时电流，此时电流Id从电从电动机反电势动机反电势E的正端注入，直流电机吸收功率。的正端注入，直流电机吸收功率。 如果在电机运动过程中使控制角如果在电机运动过程中使控制角减小，则减小，则Ud增大，增大，Id瞬时值也随之瞬时值也随之增大，电动机电磁转矩增大，所以电动机转速提高。增大，电动机电磁转矩增大，所以电动机转速提高。 随着转速升高，随着转速升高，E增大，增大，Id随之减小，最后恢复到原来的数值，此时电随之减小，最后恢复到原来的数值，此时电机稳定运行在较高转速状态。反之，如果使角增大，电动机转速减小。所机稳定运行在较高转速状态。反之，如果使角增大，电动机转速减小。所以，改变晶闸管的控制角，可以很方便地对电动机进行无级调速。以，改变晶闸管的控制角，可以很方便地对电动机进行无级调速。2.5.1 有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理 1、单相全波整流电路工作在整流状态、单相全波整流电路工作在整流状态 当移相控制角当移相控制角在在0/2范围内变化时，单相全波整流电路直流侧输范围内变化时，单相全波整流电路直流侧输出电压出电压Ud 0，如图所示，电动机，如图所示，电动机M作电机运行。整流器输出功率，电机作电机运行。整流器输出功率，电机吸收功率，电流值为吸收功率，电流值为：addREUI 式中式中E为电机的反电动势，为电机的反电动势，Ra为电机绕组电阻。为电机绕组电阻。(2.5.1)2.5.1 有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理 2、全波整流电路工作在逆变状态、全波整流电路工作在逆变状态 整流电路的控制角整流电路的控制角必须在必须在 范围内变化。此时，电流范围内变化。此时，电流I Id d为：为： 2addRUEI| (2.5.2) 由于晶闸管单向导电性，由于晶闸管单向导电性，Id方向仍然保持不变。如果方向仍然保持不变。如果|E|Ud|，则，则Id0。电动势的极性改变了，而电流的方向未。电动势的极性改变了，而电流的方向未变，因此，功率的传递关系便发生了变化，电动机处于发电机状态，变，因此，功率的传递关系便发生了变化，电动机处于发电机状态，发出直流功率，整流电路将直流功率逆变为发出直流功率，整流电路将直流功率逆变为50Hz的交流电返送到电网，的交流电返送到电网，这就是有源逆变工作状态。这就是有源逆变工作状态。 逆变时，电流逆变时，电流Id的大小取决于的大小取决于E与与Ud ，而，而E由电机的转速决定，由电机的转速决定，Ud可可以调节控制角改变其大小。为了防止过电流，同样应满足以调节控制角改变其大小。为了防止过电流，同样应满足E Ud的条件。的条件。 在逆变工作状态下，虽然控制角在逆变工作状态下，虽然控制角在在 间变化，晶闸管的阳极电间变化，晶闸管的阳极电位大部分处于交流电压的负半周期，但由于有外接直流电动势位大部分处于交流电压的负半周期，但由于有外接直流电动势E的存在的存在，使晶闸管仍能承受正向电压导通。，使晶闸管仍能承受正向电压导通。 22.5.2 三相半波有源逆变电路三相半波有源逆变电路 图图 2.5.4 三相半波有源逆变电路及其波形三相半波有源逆变电路及其波形 图（图（a）为三相半波整流器）为三相半波整流器带电动机负载时的电路带电动机负载时的电路,并假设并假设负载电流连续。负载电流连续。 当当在在 范围内变化时，范围内变化时，变流器输出电压的瞬时值在整变流器输出电压的瞬时值在整个周期内虽然有正有负或者全个周期内虽然有正有负或者全部为负，但负的面积总是大于部为负，但负的面积总是大于正的面积，故输出电压的平均正的面积，故输出电压的平均值值Ud为负值。电机为负值。电机E的极性具的极性具备有源逆变的条件。备有源逆变的条件。 当当在范围在范围 内变化且内变化且EUd时，可以实现有源逆变。时，可以实现有源逆变。1 1、工作原理、工作原理 2 22.5.2 三相半波有源逆变电路三相半波有源逆变电路 2 2、参数计算、参数计算 变流器逆变时，直流测电压计算变流器逆变时，直流测电压计算公式与整流时一样。当电流连续时，公式与整流时一样。当电流连续时， cos17. 12UUd cos17. 12UUd 有：有：(2.5.3)(2.5.4)式中式中U2为相电压的有效值。为相电压的有效值。 由于逆变时由于逆变时90，故，故cos计计算不大方便，于是引入逆变角算不大方便，于是引入逆变角，令令=-，则（）改写成：，则（）改写成： 逆变角为逆变角为的触发脉冲位置从的触发脉冲位置从=的时刻左移的时刻左移角来确定。角来确定。图图 2.5.4 三相半波有源逆变电路及其波形三相半波有源逆变电路及其波形 2.5.3 三相桥式有源逆变电路三相桥式有源逆变电路 1 1、工作原理、工作原理 式中：式中：U2为逆变电路输入相电压，为逆变电路输入相电压，U2L为逆变电路输入线电为逆变电路输入线电压。压。 cos34. 22UUd cos35. 12ldUU 三相全控桥式整流电路用作有源逆变时，就成了三相桥三相全控桥式整流电路用作有源逆变时，就成了三相桥式逆变电路。式逆变电路。 三相桥式逆变电路的工作与三相桥式整流电路一样，要三相桥式逆变电路的工作与三相桥式整流电路一样，要求每隔求每隔60依次触发晶闸管，电流连续时，每个管子导依次触发晶闸管，电流连续时，每个管子导120，触发脉冲必须是双窄脉冲或者是宽脉冲。触发脉冲必须是双窄脉冲或者是宽脉冲。直流侧电压计算公式为：直流侧电压计算公式为：或或（2.5.5 ）（2.5.6 ）有源逆变最小逆变角有源逆变最小逆变角min的限制的限制 如果逆变角如果逆变角小于换流重叠角小于换流重叠角，即，即时，从图所示的波时，从图所示的波形中可清楚看到，换流还未结束，电路的工作状态到达形中可清楚看到，换流还未结束，电路的工作状态到达uA与与uB交点交点P，从，从P点之后，点之后，uA将高于将高于uB ，晶闸管，晶闸管T2承受反压而重新关断，而应该承受反压而重新关断，而应该关断的关断的T1却承受正压而继续导通，从而造成逆变失败。却承受正压而继续导通，从而造成逆变失败。 因此，为了防止逆变失败，不仅逆变角因此，为了防止逆变失败，不仅逆变角不能等于零，而且不能不能等于零，而且不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。太小，必须限制在某一允许的最小角度内。1 1、逆变失败、逆变失败图图2.5.5 交流侧电抗对逆变换相过程的影响交流侧电抗对逆变换相过程的影响 有源逆变最小逆变角有源逆变最小逆变角min的限制的限制 2 2、最小逆变角、最小逆变角minmin的选取的选取（1）换相重叠角）换相重叠角随电路形式、工作电流的大小不同而不同，随电路形式、工作电流的大小不同而不同，一般选取为一般选取为15o25o电角度。电角度。（2）晶闸管关断时间）晶闸管关断时间tq所对应的电角度所对应的电角度。一般。一般tq 大的可达大的可达200300s，折算电角度，折算电角度为为4o5o 。（3）安全裕量角）安全裕量角。考虑到脉冲调整时不对称、电网波动等。考虑到脉冲调整时不对称、电网波动等因素影响，还必须留有一个安全裕量角，一般选取因素影响，还必须留有一个安全裕量角，一般选取为为10o 。 综上所述，最小逆变角综上所述，最小逆变角min 为：为： 设计有源逆变电路时，必须保证设计有源逆变电路时，必须保证大于大于min，因此，常在触，因此，常在触发电路中附加一保护环节，保证控制脉冲不进入发电路中附加一保护环节，保证控制脉冲不进入min区域内。区域内。 3530min (2.5.7)