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北京交通大學電氣工程學院4-0第4章有源逆變與相控變流器特性2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-1概述什么是逆變？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。實例：電力機車再生制動行駛，機車的動能轉變為電能，反送到交流電網中去。逆變電路——把直流電逆變成交流電的電路。有源逆變電路——逆變電路的交流側和電網連接，將直流電逆變成與電網同頻率的交流電反送到電網。（本章介紹）2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-2無源逆變電路——變流電路的交流側不與電網連接，而直接接到負載，將直流電逆變成固定頻率或可調頻率的交流電供給負載。（將在第6章介紹）對于全控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件發生改變。既可工作在整流狀態又可工作在逆變狀態的電路又稱為變流電路。2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-3本章內容4.1

有源逆變電路的工作原理（概念）4.2

三相有源逆變電路4.3

有源逆變的應用4.4

變流電路的功率因數及改善方法2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-4一、有源逆變的概念1、直流發電機—電動機系統電能的流轉

圖aM電動運轉，EG>EM，電流Id從G流向M，M吸收電功率。

圖b回饋制動狀態，M作發電運轉，此時，EM>EG，電流反向，從M流向G。故M輸出電功率，G則吸收電功率，M軸上輸入的機械能轉變為電能反送給G。

圖c兩電動勢順向串聯，向電阻R供電，G和M均輸出功率。由于R一般都很小，實際上形成短路。??c)b)a)MGMGMGEGEMIdR∑EGEMIdR∑EGEMIdR∑4.1有源逆變電路的工作原理2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-52、變流電路—電動機系統電能的流轉用單相全波電路代替上述發電機

單相全波電路的整流和逆變

圖aM電動運行，全波電路工作在整流狀態，在0～π/2之間，Ud為正值，并且Ud>EM，才能輸出Id。交流電網輸出電功率電動機輸入電功率電動機輸出電功率交流電網輸入電功率圖bM回饋制動，因晶閘管單向導電，Id方向不變，欲改變電能的輸送方向，只能改變EM、Ud的極性，即Ud應為負值，且|EM

|>|Ud

|。

Ud可通過改變來進行調節，逆變狀態時Ud為負值，逆變時

在π/2～π之間。2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-63、實現有源逆變的條件☆從上述分析中，可以歸納出要實現有源逆變，必須滿足下列條件：

（1）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。（外部條件）（2）晶閘管的控制角

>π/2，使Ud為負值。（內部條件）半控橋或輸出端有續流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現負值，故不能實現有源逆變。欲實現有源逆變，只能采用全控電路。2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-74、改變電樞電勢E極性的方法（1）某些機械能隨著工況的不同自動改變E的極性（如直流卷揚機）。（2）改變勵磁電流方向。（3）反接電樞回路。2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-85、逆變角☆為了方便，電路進入逆變狀態時，通常用逆變角（或稱引前觸發角）表示相控角度。規定：角計算的起始點為控制角=處，計算方法為：自=（=0）的起始點向左方計量。、的關系：=－或＋=2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-9二、單相橋式有源逆變電路1、變流器工作于整流狀態（02）

Ud0,E0，Ud

E，M工作于電動狀態2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-102、變流器工作于逆變狀態（2

）電動機工作于發電狀態，由于Id方向不能改變，因而要求：E0

（反極性），Ud

0（反極性）且Ud

E2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-113、單相橋式電路逆變電壓的計算變流器直流側電壓計算公式考慮換相重疊角其它的電量，如負載電流平均值、晶閘管電流平均值和有效值，變壓器的容量計算等，均可按照整流電路的計算原則進行。2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-124.2三相有源逆變電路

一、三相半波有源逆變電路1、變流器工作于整流狀態（02）

Ud0,E0，Ud

E，M工作于電動狀態2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-132、變流器工作于逆變狀態（2

）電動機工作于發電狀態，由于Id方向不能改變，因而要求：Ud

0（反極性）

,E0（反極性）Ud

E2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-142023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-153、三相半波電路逆變電壓的計算變流器直流側電壓計算考慮換相重疊角

其它的電量，如負載電流平均值、晶閘管電流平均值和有效值，變壓器的容量計算等，均可按照整流電路的計算原則進行。2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-16二、三相橋式全控有源逆變電路1、變流器工作于逆變狀態（2

）

Ud

0,E0，Ud

E2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-172、三相橋式電路逆變電壓的計算變流器直流側電壓計算公式考慮換相重疊角其它的電量，如負載電流平均值、晶閘管電流平均值和有效值，變壓器的容量計算等，均可按照整流電路的計算原則進行。2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-18三、逆變失敗及最小逆變角的限制☆1、定義

逆變運行時，一旦發生換相失敗，整流電路就由逆變工作狀態進入整流工作狀態，使輸出平均電壓Ud和直流電勢變成順向串聯，或者使外接直流電勢通過SCR電路形成短路，這種情況稱為逆變失敗，或稱為逆變顛覆。2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-192、逆變失敗的原因（1）觸發脈沖丟失T2的觸發脈沖ug2丟失以三相半波可控電路為例2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-202、逆變失敗的原因（續）（2）觸發脈沖延遲T2的觸發脈沖ug2延遲2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-21（3）晶閘管發生故障（指晶閘管失去阻斷能力或失去導通能力）T3失去阻斷能力2、逆變失敗的原因（續）2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-22（4）換相的裕量角不足2、逆變失敗的原因（續）2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-23（5）交流電源發生異常現象，如

交流電源突然斷電交流電源電壓太低交流電源缺相

不論什么原因，逆變失敗的后果都是造成電流急劇上升！2、逆變失敗的原因（續）2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-243、避免逆變失敗的措施（1）預防措施采用可靠的觸發電路，保證觸發脈沖不丟失、不延遲；選用有足夠阻斷能力的SCR，防止誤導通；逆變角不能太小，必須限制在某一允許的最小角度內☆。（2）保護措施：裝快速熔斷器或快速開關；2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-254、確定最小逆變角min的依據（1）最小逆變角min=++:換相重疊角（約為15~20）:恢復阻斷角——SCR的關斷時間tq折合的電角，=tqtq約為200~300s，折算成電角度δ約4~5:安全裕量角（一般取10）最小逆變角βmin一般可取30~35。β角越大，逆變越可靠，但功率因數越低！2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-26例4-1

三相全控橋式整流電路接阻感反電勢負載。已知整流變壓器副邊線電壓UAB=220V，交流側電感LB=0.5mH，R=2Ω，E=-290V，α=150o，ω=100π

，Ld足夠大，求直流端電壓、電流和交流電源的功率因數λ。解：交流側電抗為輸出直流平均電壓為

輸出電壓又可表示為

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北京交通大學電氣工程學院4-27例4-1（續）負載側的功率為負載功率為負值，表明負載側實際是發出電能回饋到電網。所以交流電源的功率因數為所以2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-28例4-2

三相半波整流電路如圖例4.2所示，已知電動機處于穩定的發電制動狀態，濾波電抗Xd足夠大，輸出電流連續而平直，電樞回路總電阻Ra＝0.5，電機端壓Ua＝220V，變壓器副邊相電壓U2＝220V，交流側換流電抗XB＝0.21。試完成下列要求：1．說明圖中整流器輸出電壓Ud和電動機端電壓Ua的極性；2．說明變流器控制角的調節范圍；3．如何調節電動機的制動強度？4．當制動電流Ia＝103A時，系統向交流電網回饋的功率有多大？此時變流器的逆變角為多少？2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-29例4-2（續）解：1.由于電機處于穩定的再生制動狀態，電動機向交流電網回饋電能，而晶閘管不能逆向導通電流，據此可以確定整流器輸出電壓Ud和電動機端電壓Ua的極性為下“+”上“-”。

2.逆變工作時控制角的理論范圍是90°≦α≦180°，為防止逆變顛覆，有最小逆變角βmin限制，即控制角有最大值αmax的限制。βmin

受換流電流、交流側換相電抗及元件關斷時間的影響，βmin

大約在35°左右。因此逆變工作時控制角的范圍大致是90°≦α≦150°。

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北京交通大學電氣工程學院4-30例4-2（續）解：4負號說明電網吸收電功率

代入

得：3.通過調節角來調節制動強度，當較大時，變流器輸出逆變電壓較小，制動電流大，制動力就強，反之亦然。2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-31高壓直流輸電4.3有源逆變的應用兩組晶閘管變流器的交流側分別與兩個交流系統u1、u2連接，變流器的直流側相互關聯。通過分別控制兩個變流器的工作狀態，就可控制功率的流向。在送電端，變流器工作于整流工況，在受電端變流器工作于逆變工況。

2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-32繞線式異步電動機晶閘管串級調速系統轉子在不同的轉速下感應出轉差頻率的電壓，經一組不控的三相橋式變流器變成直流電壓，此電壓再經一組全控橋式變流器實現有源逆變，把電能（轉差功率）饋送回電網中去，改變逆變角的大小，即可改變饋送回電網電能的多少，從而達到改變電機轉速的目的。2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-33直流可逆電力拖動系統第一象限，變流器Ⅰ的控制角1＜900，Ud1＞E，整流狀態，電機正轉電動運行；第二象限，變流器Ⅱ的控制角Ⅱ＞900，UdⅡ＜E，有源逆變狀態，電機正轉發電制動機運行；第三象限，變流器Ⅱ的控制角Ⅱ＜900，UdⅡ＞E，整流狀態，電機反轉電動運行；第四象限，變流器Ⅰ的控制角1＞900，Ud1＜E，有源逆變狀態，電機反轉發電制動運行。2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-344.4變流電路的功率因數及改善方法一、變流電路的功率因數1、定義變流電路電網側有功功率與視在功率之比。2、計算方法1

=P/S若忽略變流電路損耗，P應等于整流負載功率。2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-353、計算方法2

=coscos：相位移系數（基波的有功功率與基波的視在功率之比）:電流畸變系數（基波電流有效值與總電流有效值之比），即：=I1/I2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-36例：單相全控橋式電路功率因數計算計算方法12023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-37例：單相全控橋式電路功率因數計算計算方法22023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-38二、功率因數的改善方法☆1、全控變流器的半控工作狀態（提高基波功率因數）

整流波形逆變波形2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-392、強迫換相（1）熄滅角控制（使基波電流超前電壓，對整個電力系統有利）2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-402、強迫換相（續）（2）對稱角控制（使基波功率因數=1）2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-412、強迫換相（續）（3）脈沖寬度控制（使基波功率因數=1，同時提高電流畸變系數）2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-423、串聯變流器的順序控制（主要是提高基波功率因數）2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-43課堂思考

1、下列電路中能用于有源逆變的有：(1)單相橋式全控整流電路(2)單相橋式半控整流電路(3)單相橋式不可控整流電路(4)三相橋式全控整流電路(5)三相橋式半控整流電路(6)三相橋式不可控整流電路(7)三相半波可控整流電路(8)帶續流二極管的三相半波可控整流電路2023/7/21

北京交通大學電氣工程學院4-44課堂思考

2、判斷對錯晶閘管