有源逆變概念及工作原理

有源逆變一、單相有源逆變電路逆變電路的分類整流是把交流電變換成直流電供給負(fù)載，那么，能不能反過(guò)來(lái)，利用相控整流電路把直流電變?yōu)榻涣麟娔?？完全可以。我們把這種整流的逆過(guò)程稱為逆變。在許多場(chǎng)合，同一套晶閘管或其它可控電力電子變流電路既可作逆變，這種裝置稱為變流裝置或變流器。根據(jù)逆變輸出交流電能去向的不同，所有逆變電路又分為有源逆變和無(wú)源逆變兩種。前者以電網(wǎng)為負(fù)載，即逆變輸出的交流電能回送到電網(wǎng)，后者則以用電器為負(fù)載，如交流電機(jī)、電爐等。變流器的兩種工作狀態(tài)用單相橋式可控整流電路能替代發(fā)電機(jī)給直流電動(dòng)機(jī)供電，為使電流連續(xù)而平穩(wěn)，在回路中串接大電感Ld稱為平波電抗器。這樣，一個(gè)由單相橋式可控整流電路供電的晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)就形成了。在正常情況下，它有兩種工作狀態(tài)，其電壓電流波形分別示于圖3－1、圖3－2中。1?變流器工作于整流狀態(tài)（0<a<兀/2）在圖3－1中，設(shè)變流器工作于整流狀態(tài)。由單相全控整流電路的分析可知，大電感負(fù)載在整流狀態(tài)時(shí)U=0.9Ucosa，控制角的移相范圍為0?90。,U為d2d正值，P點(diǎn)電位高于N點(diǎn)電位，并且U應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)E,才能使變流器d輸出電能供給電動(dòng)機(jī)作電機(jī)運(yùn)行。此時(shí)，電能由交流電網(wǎng)流向直流電源（即直流電動(dòng)機(jī)M的反電勢(shì)E）。

打打圖3－12?變流器工作與逆變狀態(tài)（兀/2<a<兀）在圖3—2中，設(shè)電機(jī)M作發(fā)電機(jī)運(yùn)行（再生制動(dòng)），但由于晶閘管元件的單向?qū)щ娦?，回路?nèi)電流不能反向，欲改變電能的傳送方向，只有改變電機(jī)輸出電壓的極性。在圖3—2中，反電勢(shì)E的極性已反了過(guò)來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)運(yùn)行，整流電路必須吸收電能反饋回電網(wǎng)，也就是說(shuō)，整流電路直流側(cè)電壓平均值U也必須反過(guò)來(lái)，即U為負(fù)值，P點(diǎn)電位低于N點(diǎn)電位且電機(jī)電勢(shì)Edd應(yīng)大于U。此時(shí)電路內(nèi)電能的流向與整流時(shí)相反，電動(dòng)機(jī)輸出電功率，為發(fā)電機(jī)d工作狀態(tài)，電位則作為負(fù)載吸收電功率，實(shí)現(xiàn)了有源逆變。為了防止過(guò)電流，應(yīng)滿足E約等于U，在恒定勵(lì)磁下，E取決于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而U則由調(diào)節(jié)控制角dda來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3圖3—2實(shí)現(xiàn)有源逆變的條件由上述有源逆變工作狀態(tài)的原理分析可知，實(shí)現(xiàn)有源逆變必需同時(shí)滿足兩個(gè)基本條件：其一，外部條件，要有一個(gè)能提供逆變能量的直流電源。其二，內(nèi)部條件，變流器在控制角a＞兀/2的范圍內(nèi)工作，使變流器輸出的平均電壓U的極d性與整流狀態(tài)時(shí)相反，大小應(yīng)和直流電勢(shì)配合，完成反饋直流電能回交流電網(wǎng)的功能。從上面的分析可以看出，整流和逆變、交流和直流在晶閘管變流器中互相聯(lián)系著，并在一定條件下可互相轉(zhuǎn)換，同一個(gè)變流器，既可以作整流器，又可以作逆變器，其關(guān)鍵是內(nèi)部和外部的條件。不難分析，半控橋式電路或具有續(xù)流二極管的電路，因?yàn)椴豢赡茌敵鲐?fù)電壓，變流器不能實(shí)現(xiàn)有源逆變，而且也不允許直流側(cè)出現(xiàn)反極性的直流電勢(shì)。二、三相有源逆變電路三相半波逆變電路工作原理圖3—3為三相半波電機(jī)負(fù)載電路，負(fù)載回路接有大電感，電流連續(xù)。當(dāng)a在0?兀/2范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，平均值U總為正值，且U應(yīng)略大于E。此時(shí)電流i從dddU正端流出，從E的正端流入，電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，吸收電能，這就是三相半d波電路的整流工作狀態(tài)。u(Iu(I圖3－3對(duì)于逆變狀態(tài)(兀/2<a<兀)，選取和整流狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的條件進(jìn)行分析，假設(shè)此時(shí)電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)的極性已反接(如圖3—4(a)所示)。因?yàn)橛辛顺掷m(xù)的直流電勢(shì)和極大的電感L，主電路電流始終連續(xù)。d圖3圖3—4變流器輸出電壓必須如圖3—4(b)中粗黑線所示。當(dāng)a在兀/2?兀范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，輸出平均值U為負(fù)，其極性是上負(fù)下正，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)E應(yīng)稍大于dU。主電路內(nèi)的電流I方向沒(méi)有變，但是它從E的正極流出，到U的正端流入,ddd所以電能倒送。逆變角P及逆變電壓的計(jì)算三相半波電路在整流和逆變范圍內(nèi)，只要電流連續(xù)，每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角都是2兀/3，故不論控制角a為何值，直流側(cè)輸出電壓的平均值和a的關(guān)系都為Ud=1.17TT2cogcs=-1.17U2cos0

為分析和計(jì)算方便起見，電路進(jìn)入逆變狀態(tài)時(shí)，通常用逆變角P表示。規(guī)定P角計(jì)算的起始點(diǎn)為控制角兀處，計(jì)算方法為自口=兀（B=0）的起始點(diǎn)向左方計(jì)算，因此控制角和逆變角的關(guān)系是a+B=兀，或歸兀一a。三相橋式全控有源逆變電路1.逆變電路波形分析圖3—5（a）為三相有源逆變電路。根據(jù)以前的分析，在區(qū)間0<a<兀/2，電路工作于整流狀態(tài)；口=兀/2時(shí)，U0；在兀/2<a<兀時(shí)，電路工作于有源d=逆變狀態(tài)。圖3-5（b?d）表示a=^5/6時(shí)的典型工作情況下電路中各點(diǎn)的波形。圖3一52.逆變電路電量計(jì)算考慮變壓器漏抗時(shí)，逆變器輸出電壓為Uii=-2.34U2cos/?-^-Zi在三相逆變電路中，其它的電量，如電流平均值、晶閘管電流的平均值和有效值、變壓器的容量計(jì)算等，均可按照整流電流的計(jì)算原則進(jìn)行。三、逆變失敗的原因逆變失敗的定義逆變運(yùn)行時(shí)，一旦發(fā)生換相失敗，使整流電路由逆變工作狀態(tài)進(jìn)入整流工作狀態(tài)，U又重新變成正值，使輸出平均電壓和直流電勢(shì)變成順向串聯(lián)，外接的直d流電源通過(guò)晶閘管電路形成短路，這種情況稱為逆變失敗，或稱為逆變顛覆，這是一種事故狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)避免。逆變失敗的原因造成逆變失敗的原因很多，大致可歸納為四類，今以三相半波逆變電路為例，加以說(shuō)明。1.觸發(fā)電路工作不可靠觸發(fā)電路不能適時(shí)地，準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失，脈沖延遲等，致使晶閘管工作失常。如圖3—6所示，當(dāng)a相晶閘管T導(dǎo)通到?t時(shí)刻，11正常情況時(shí)u觸發(fā)T管，電流換到b相，如果在?t時(shí)刻，觸發(fā)脈沖u遺漏，g221g2T管不受反壓而關(guān)不斷，a相晶閘管T將繼續(xù)導(dǎo)通到正半周，使電源瞬時(shí)電壓與11直流電勢(shì)順向串聯(lián)，形成短路。圖3-6圖3-6圖3—7表明脈沖延遲的情況，u延遲到wt時(shí)刻才出現(xiàn)，此時(shí)a相電壓ug2 2 a已大于b相電壓u，晶閘管T承受反向電壓，不能被觸發(fā)導(dǎo)通，晶閘管T也不b 2 1能關(guān)斷，相當(dāng)于u遺漏，形成短路。g2圖3-7圖3-72.晶閘管發(fā)生故障在應(yīng)該阻斷期間，元件失去阻斷能力；或在應(yīng)該導(dǎo)通時(shí)刻，元件不能導(dǎo)通，如圖3—8所示。在wt時(shí)刻之前，由于T承受的正向電壓等于E和u之和，特1 3 c別是當(dāng)逆變角較小時(shí)，這一正向電壓較高，若T的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓裕量不足,3則到達(dá)wt時(shí)刻，本該由T換相到T，但此時(shí)T已導(dǎo)通，T因承受反壓而無(wú)法導(dǎo)1 1 2 3 2通，造成逆變失敗。圖3-8換相的裕量角不足存在重疊角或給逆變工作帶來(lái)不利的后果，如以T和T的換相過(guò)程來(lái)分析,12當(dāng)逆變電路工作在p>y時(shí)，經(jīng)過(guò)換相過(guò)程后，b相電壓u仍高于a相電壓u,ba所以換相結(jié)束時(shí)，能使T1承受反壓而關(guān)斷。如果換相的裕量角不足，即當(dāng)B<Y時(shí)，從圖3－9的波形中可以看出，當(dāng)換相尚未結(jié)束時(shí)，電路的工作狀態(tài)到達(dá)P點(diǎn)之后，a相電壓u將咼于b相電壓u，晶閘管T則將承受反向電壓而重新關(guān)斷,a b 2而應(yīng)該關(guān)斷的T卻還承受正電壓而繼續(xù)導(dǎo)通，且a相電壓隨著時(shí)間的推遲愈來(lái)1愈高，致使逆變失敗。圖3-9交流電源發(fā)生異?，F(xiàn)象在逆變運(yùn)行時(shí)，可能出現(xiàn)交流電源突然斷電，缺相或電壓過(guò)低等現(xiàn)象。如果在逆變工作時(shí)，交流電源發(fā)生缺相或突然消失，由于直流電勢(shì)E的存在，晶閘管仍可觸發(fā)導(dǎo)通，此時(shí)變流器的交流側(cè)由于失去了同直流電勢(shì)極性相反的交流電壓，因此直流電勢(shì)將經(jīng)過(guò)晶閘管電路而被短路。最小逆變角的確定由上可見，為了保證逆變電路的正常工作，必須選用可靠的觸發(fā)器，正確選擇晶閘管的參數(shù)，并且采取必要的措施，減少電路中du/dt和di/dt的影響，以免發(fā)生誤導(dǎo)通。為了防止意外事故，與整流電路一樣，電路中一般應(yīng)裝有快速熔斷器或快速開關(guān)，以資保護(hù)。另外，為了防止發(fā)生逆變顛覆，逆變角P不能太小,必須限制在某一允許的最小角度內(nèi)。逆變時(shí)允許采用的最小逆變角P應(yīng)為p=s+丫+8式中8