《电力电子技术》讲义第11章

129 ⑤ 存在干扰，也是起动失败的原因之一，为了增加系统的干扰力，脉冲形成电路接入电容C3、C4，在实际应用中，若干扰太大，可将这两个电容值适当的增加，并考虑自动调频信号线采用屏蔽线。起动时发生过电压保护动作，有时压敏电阻和阻容电路有火花产生，进行逆变保护时发生过电压保护动作，这种现象说明了电路发生了严重的过电压，逆变电路的电压无法释放，经滤波电抗进入整流电路，使压敏电阻上的电压很大，起动时整流电压很低。若感应电炉接在电路上，系统是不会发生这种现象的。若感应电炉短路，负载电路只存在电容。起动电容向负载投入电能后，电路不发生振荡，若逆变晶闸管在被触发，滤波电感中的能量再向电容充电，势必产生高电压，引起过电压保护动作，并造成整流电路硒片的过电压击穿。另外，逆变主电路发生短路时，也可能出现阻容放电的现象。

课题四 有源逆变电路

一、单相有源逆变电路

1．有源逆变的工作原理

整流与有源逆变的根本区别就表现在两者能量传送方向的不同。一个相控整流电路，只要满足一定条件，也可工作于有源逆变状态。这种装置称为变流装置或变流器。

（1）两电源间的能量传递

如图4－49所示，我们来分析一下两个电源间的功率传递问题。

(a) 电源逆串 (b) 电源逆串 (c) 电源顺串

图4-49 两个直流电源间的功率传递

图4－49（a）为两个电源同极性连接，称为电源逆串。当E1＞E2时，电流I从E1正极流出，流入E2正极，为顺时针方向，其大小为

REEI21

在这种连接情况下，电源E1输出功率P1＝E1I，电源E2则吸收功率P2＝E2I，电阻R上消耗的功率为PR＝P1－P2＝R I2，PR为两电源功率之差。

图4－49（b）也是两电源同极性相连，，但两电源的极性与(a)图正好相反。当E2＞E1时，电流仍为顺时针方向，但是从E2正极流出，流入E1正极，其大小为

REEI12

在这种连接情况下，电源E2输出功率，而E1吸收功率，电阻R仍然消耗两电源功率之差，即这RR＝P2－P1。

图4－49（c）为两电源反极性连接，称为电源顺串。此时电流仍为顺时针方向，大小为

REEI21

此时电源E1与E2均输出功率，电阻上消耗的功率为两电源功率之和：RR＝P1＋P2。若回路电 130 阻很小，则I很大，这种情况相当于两个电源间短路。

通过上述分析，我们知道：

1）无论电源是顺串还是逆串，只要电流从电源正极端流出，则该电源就输出功率；反之，若电流从电源正极端流入，则该电源就吸收功率。

2）两个电源逆串连接时，回路电流从电动势高的电源正极流向电动势低的电源正极。如果回路电阻很小，即使两电源电动势之差不大，也可产生足够大的回路电流，使两电源间交换很大的功率。

3）两个电源顺串时，相当于两电源电动势相加后再通过R短路，若回路电阻R很小，则回路电流会非常大，这种情况在实际应用中应当避免。

（2）有源逆变的工作原理

在上述两电源回路中，若用晶闸管变流装置的输出电压代替E1，用直流电机的反电动势代替E2，就成了晶闸管变流装置与直流电机负载之间进行能量交换的问题，如图4－50所示。

(a) 电路图 (b) 整流状态下的波形图 (c) 逆变状态下的波形图

图4－50 单相桥式变流电路整流与逆变原理

图4－50（a）中有两组单相桥式变流装置，均可通过开关S与直流电动机负载相连。将开关拔向位置1，且让Ⅰ组晶闸管的控制角αI＜90°，则电路工作在整流状态，输出电压UdI上正下负，波形如图4－50（b）所示。此时，电动机作电动运行，电动机的反电动势E上正下负，并且通过调整角αI使UdI＞∣E∣，则交流电压通过I组晶闸管输出功率，电动机吸收功率。负载中电流Id值为

REUIdId

将开关S快速拔向位置2，由于机械惯性，电动机转速不变，则电动机的反电动势E不变，且极性仍为上正下负。此时，若仍按控制角αII＜90°触发Ⅱ组晶闸管，则输出电压UdII为上正下负，与E形成两电源顺串连接。这种情况与图4－49（c）所示相同，相当于短路事故，因此不允许出现。

若当开关S拔向位置2时，又同时触发脉冲控制角调整到αII＞90°，则Ⅱ组晶闸管输出电压UdII将为上负下正，波形如图4－50（c）所示。假设由于惯性原因电动机转速不变，反电动势不变，并且调整角αII使∣UdII∣＜∣E∣，则晶闸管在E与u2的作用下导通，负载中电流为

RUEIdd

这种情况下，电动机输出功率，运行于发电制动状态，Ⅱ组晶闸管吸收功率并将功率送回交流电网，这种情况就是有源逆变。 131 由以上分析及输出电压波形可以看出，逆变时的输出电压控制有的是与整流时相同，计算公式仍为

cos9.02UUd

因为此时控制角α大于90°，使得计算出来的结果小于零，为了计算方便，我们可以令β=180°－α，称β为逆变角，则

cos9.0)180cos(9.0cos9.0222UUUUd

综上所述，实现有源逆变必须满足下列条件：

1）变流装置的直流侧必须外接电压极性与晶闸管导通方向一致的直流电源，且其值稍大于变流装置直流侧的平均电压。

2）变流装置必须工作在β＜90°（即α＞90°）区间，使其输出直流电压极性与整流状态时相反，才能将直流功率逆变为交流功率送至交流电网。

3）为了保持逆变电流连续，逆变电路中都要串接大电感。

上述三条必须同时具备才能实现有源逆变。要指出的是，半控桥或接有续流二极管的电路，因它们不可能输出负电压，也不允许直流侧接上直流输出反极性的直流电动势，所以这样的电路不能实现有源逆变。

2．逆变失败与逆变角的限制

（1）逆变失败的原因

晶闸管变流装置工作有逆变状态时，如果出现电压Ud与直流电动势E顺向串联，则直流电动势E通过晶闸管电路形成短路，由于逆变电路总电阻很小，必然形成很大的短路电流，造成事故，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。

图4-51 有源逆变换流失败

现以单相全控桥式逆变电路为例说明。在图4-51所示电路中，原本是VT2和VT3导通，输出电压u2’；在换相时，应由VT3、VT4换相为VT1和VT2导通，输出电压为u2。但由于逆变角 β 太小，小于换相重叠角，因此在换相时，两组晶闸管会同时导通。而在换相重叠完成后，已过了自然换相点，使得u2’为正，而u2为负，VT1和VT4因承受反压不能导通，VT3和VT4则承受正压继续导通，输出u2’。这样就出现了逆变失败。

造成逆变失败的原因主要有以下几种情况：

① 触发电路故障。如触发脉冲丢失、脉冲延时等不能适时、准确的向晶闸管分配脉冲的情况， 132 均会导致晶闸管不能正常换相。

② 晶闸管故障。如晶闸管失去正常导通或阻断能力，该导通时不能导通，该阻断时不能阻断，均会导致逆变失败。

③ 逆变状态时交流电源突然缺相或消失。由于此时变流器的交流侧失去了与直流电动势E极性相反的电压，致使直流电动势经过晶闸管形成短路。

④ 逆变角 β 取值过小，造成换相失败。因为电路存在大感性负载，会使欲导通的晶闸管不能瞬间导通，欲关断的晶闸管也不能瞬间完全关断，因此就存在换相时两个管子同时导通的情况，这种在换相时两个晶闸管同时导通的所对应的电角度称为的换相重叠角。逆变角可能小换相重叠角，即 β ＜，则到了β=0° 点时刻换流还未结束，此后使得该关断的晶闸管又承受正向电压而导通，尚未导通的晶闸管则在短暂的导通之后又受反压而关断，这相当于触发脉冲丢失，造成逆变失败。

（2）逆变失败的限制

为了防止逆变失败，应当合理选择晶闸管的参数，对其触发电路的可靠性、元件的质量以及过电流保护性能等都有比整流电路更高的要求。逆变角的最小值也应严格限制，不可过小。

逆变时允许的最小逆变角 βmin应考虑几个因素：不得小于换向重叠角，考虑晶闸管本身关断时所对应的电角度，考虑一个安全裕量等，这样最小逆变角 βmin的取值一般为

βmin ≥30°～35°

为防止 β小于βmin ，有时要在触发电路中设置保护电路，使β减小时，不能进入β＜βmin的区域。此外还可在电路中加上安全脉冲产生装置，安全脉冲位置就设在βmin处，一旦工作脉冲就移入βmin处，安全脉冲保证在βmin处触发晶闸管。

二、三相有源逆变电路

常用的有源逆变电路，除单相全控桥电路外，还有三相半波和三相全控桥电路等。三相有源变电路中，变流装置的输出电压与控制角之间的关系仍与整流状态时相同，即

cos0ddUU

逆变时90°<<180°，使Ud < 0。

1．三相半波有源逆变电路

(a) 电路 （b）输出电压波形 （c）晶闸管两端电压波形

图4-52 三相半波有源逆变电路 133 图4－52所示为三相半波有源逆变电路。电路中电动机产生的电动势E为上负下正，令控制角 > 90°，以使为上负下正，且满足∣E∣∣Ud∣，则电路符合有源逆变的条件，可实现有源逆变，逆变器输出直流电压Ud (Ud的方向仍按整流状态时的规定，从上至下为Ud 的正方向) 的计算式为：

dU=cos17.1coscos200UUUdd (α>90°)

式中，Ud 为负值，即Ud 的极性与整流状态时相反。输出直流电流平均值为

RUEIdd

式中，R为回路的总电阻。电流从E的正极流出，流入Ud的正端，即E端输出电能，经过晶闸管装置将电能送给电网。

下面以β=60°为例对其工作过程作一分析。在β=60°时，即1t时刻触发脉冲Ug1触发晶闸管VT1导通。即使uU相电压为零或负值，但由于有电动势E的作用，VT1仍可能承ud=uU受正压而导通。则电动势E提供能量，有电流Id流过晶闸管VT1，输出电压波形。然后，与整流时一样，按电源相序每隔120°依次轮流触发相应的晶闸管使之导通，同时关断前面导通的晶闸管，实现依次换相，每个晶闸管导通120°。输出电压ud的波形如图4－50 (b)所示，其直流平均电压Ud为负值，数值小于电动势E。

图4－52 (c)中画出了晶闸管VT1两端电压uT1的波形。在一个电源周期内，VT1导通120°角，导通期间其端电压为零，随后的120°内是VT2导通，VT1关断，VT1承受线电压uUV，再后的120°内是VT3导通，VT1承受线电压uUW。由端电压波形可见，逆变时晶闸管两端电压波形的正面积总是大于负面积，而整流时则相反，正面积总是小于负面积。只有α=β时，正负面积才相等。

下面以VT1换相到VT2为例，简单说明一下图中晶闸管换相的过程。在VT1导通时，到ωt2时刻触发VT2，则VT2导通，与此同时使VT1承受U、V两相间的线电压。由于uUV<0。故VT1承受反向电压而被迫关断，完成了VT1向VT2的换相过程。其它管的换相可由此类推。

2．三相全控桥有源逆变电路

图4－53所示为三相全控桥带电动机负载的电路，当<90°时，电路工作在整流状态，当>90°时，电路工作在逆变状态。两种状态除角的范围不同外，晶闸管的控制过程是一样的，即都要求每隔60°依次轮流触发晶闸管使其导通120°，触发脉冲都必须是宽脉冲或双窄脉冲。逆变时输出直流电压的计算式为: