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1、会计学1有源逆变有源逆变(n bin)北京交通北京交通第一页，共54页。2023/2/26 4-2概概 述述n n什么是逆变？为什么要逆变？什么是逆变？为什么要逆变？n n逆逆变变（invertioninvertion）把把直直流流电电转转变变成成交交流流电电，整流的逆过程。整流的逆过程。n n实实例例：电电力力机机车车再再生生制制动动行行驶驶，机机车车的的动动能能转转变变为电能，反送到交流电网中去。为电能，反送到交流电网中去。n n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。n n有有源源逆逆变变电电路路交交流流侧侧和和电电网网连连结结。（本本章章介介绍）绍）n
2、n 应应用用：直直流流可可逆逆调调速速系系统统、交交流流绕绕线线转转子子异异步步电动机串级调速以及高压直流输电等。电动机串级调速以及高压直流输电等。n n无无源源逆逆变变电电路路变变流流电电路路的的交交流流侧侧不不与与电电网网联联接，而直接接到负载。（将在第接，而直接接到负载。（将在第6 6章介绍）章介绍）n n对对于于可可控控整整流流电电路路，满满足足一一定定条条件件就就可可工工作作于于有有源源逆逆变变，其其电电路路形形式式未未变变，只只是是(zhsh)(zhsh)电电路路工工作作条条件件转转变变。既既可可工工作作在在整整流流状状态态又又可可工工作作在在逆逆变状态的电路又称为变流电路。变状态
3、的电路又称为变流电路。第1页/共54页第二页，共54页。2023/2/26 4-3要要 求求 及及 重重 点点n n理解和掌握单相、三相有源逆变电路的工作原理，有源逆变的应用和整流电路的功率因数及其改善的方法。n n重点：波形分析法，有源逆变的条件和有源逆变失败的原因。n n（可沿用整流的办法来处理(chl)逆变时有关波形与参数计算等各项问题）。第2页/共54页第三页，共54页。2023/2/26 4-4本章本章(bn zhn)内容内容4.1 有源逆变电路的工作原理（概念）4.2 三相有源逆变电路4.3 有源逆变的应用4.4 整流电路的谐波(xi b)和功率因数4.6 变流电路的功率因数及改善
4、方法第3页/共54页第四页，共54页。2023/2/26 4-5一、有源逆变一、有源逆变(n bin)(n bin)的概念的概念1 1、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a M电动(din dn)运转，EGEM，电流Id从G流向M，M吸收电功率。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(li xin)G。故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。图c 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，在工作中必须严防这类事故发生。c)b)a)MGMGMGEGEM
5、IdREGEMIdREGEMIdR4.1 4.1 有源逆变电路的工作原理（有源逆变电路的工作原理（有源逆变电路的工作原理（有源逆变电路的工作原理（概念）概念）概念）概念）第4页/共54页第五页，共54页。2023/2/26 4-62、变流电路(dinl)电动机系统电能的流转用单相全波电路(dinl)代替上述发电机 单相全波电路(dinl)的整流和逆变 图图a a M M电电动动运运行行，全全波波电电路路工工作作在在整整流流状状态态，在在0 0 /2/2之之间，间，U Ud d为正值，并且为正值，并且U Ud d E EM M，才能输出，才能输出I Id d。交交流流电电网网输输出出电电功功率率
6、电动机输入电动机输入电功率电功率电电动动机机输输出出电电功功率率交流电网输交流电网输入电功率入电功率图图b M回回馈馈制制动动，由由于于晶晶闸闸管管的的单单向向导导电电性性，Id方方向向不不变变，欲欲改改变变电电能能的的输输送送方方向向，只只能能改改变变EM极极性性。为为了了防防止止两两电电动动势势顺顺向向串串联联，Ud极极性性也也必必须须反反过过来来，即即Ud应应为为负值，且负值，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,实现逆变。实现逆变。Ud可通过改变来进行调节(tioji)，逆变状态时Ud为负值，逆变时 在/2 之间。第5页/共54页第六页，共54页
7、。2023/2/26 4-73、实现(shxin)有源逆变的条件从上述分析中，可以归纳出要实现(shxin)有源逆变，必须满足下列条件：（1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一 致，其值大于变流器直流侧平均电压。（2）晶闸管的控制角/2，使Ud为负值。半控桥或输出端有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现(shxin)有源逆变。欲实现(shxin)有源逆变，只能采用全控电路。第6页/共54页第七页，共54页。2023/2/26 4-84、改变电枢电势 E 极性的方法（1）某些机械能随着工况的不同自动改变E的 极性（如直流卷扬机）。（2）
8、改变励磁电流方向。（3）反接电枢回路。在可逆拖动系统中，通常(tngchng)采用两套变流器相互切换。第7页/共54页第八页，共54页。2023/2/26 4-95、逆变角 为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆变角 （或称引前触发角）表示相控角度。规定：角计算的起始点为控制(kngzh)角 =处，计算方法为：自 =（=0）的起始点向左方计量。、的关系：=或 =第8页/共54页第九页，共54页。2023/2/26 4-10二、单相(dn xin)桥式有源逆变电路1、变流器工作于整流状态（0 2）Ud 0,E 0，Ud E，M工作于电动状态第9页/共54页第十页，共54页。2023/2/26 4
9、-112、变流器工作于逆变状态（2 ）电动机工作于发电状态，由于Id方向不能改变，因而(yn r)要求：E 0（反极性），Ud 0（反极性）且Ud E 第10页/共54页第十一页，共54页。2023/2/26 4-123、单相桥式电路(dinl)逆变电压的计算变流器直流侧电压计算公式考虑换相重叠角其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路(dinl)的计算原则进行。第11页/共54页第十二页，共54页。2023/2/26 4-13本章本章(bn zhn)内容内容4.1 有源逆变电路的工作原理（概念）4.2 三相有源逆变电路4.3 有源逆变的应用
10、4.4 整流电路的谐波和功率因数4.6 变流电路的功率因数及改善(gishn)方法第12页/共54页第十三页，共54页。2023/2/26 4-144.2 三相三相(sn xin)有源逆变电有源逆变电路路 一、一、三相半波有源逆变电路三相半波有源逆变电路(dinl)(dinl)1 1、变流器工作于整流状态（、变流器工作于整流状态（0 0 2 2）Ud Ud 0,E 0,E 0 0，Ud Ud E E，M M工作于电工作于电动状态动状态第13页/共54页第十四页，共54页。2023/2/26 4-15三相三相(sn xin)半波有源逆变电半波有源逆变电路（续）路（续）2 2、变流器工作于逆变状态
11、（、变流器工作于逆变状态（2 2 ）电动机工作于发电状态，由于电动机工作于发电状态，由于IdId方向不能改变，因而方向不能改变，因而(yn(yn r)r)要求：要求：Ud Ud 0 0（反极性）（反极性）,E ,E 0 0（反极性）（反极性）UdUd E E 第14页/共54页第十五页，共54页。2023/2/26 4-16 三相半波三相半波(bn b)有源逆变电路有源逆变电路（续）（续）第15页/共54页第十六页，共54页。2023/2/26 4-173、三相半波电路逆变电压的计算变流器直流侧电压计算公式考虑(kol)换相重叠角其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值，变压器的
12、容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行。第16页/共54页第十七页，共54页。2023/2/26 4-18二、三相二、三相(sn xin)桥式全控有桥式全控有源逆变电路源逆变电路1、变流器工作(gngzu)于逆变状态（2 ）Ud 0,E 0 Ud E第17页/共54页第十八页，共54页。2023/2/26 4-192、三相桥式电路逆变(n bin)电压的计算变流器直流侧电压计算公式考虑换相重叠角其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计算原则进行。第18页/共54页第十九页，共54页。2023/2/26 4-20三、逆三、逆 变变 失失
13、 败及最小败及最小逆变逆变(n bin)角的限制角的限制1、定义：逆变(n bin)运行时，一旦发生换相失败，使整流电路由逆变(n bin)工作状态进入整流工作状态，Ud又重新变成正值，使输出平均电压和直流电势变成顺向串联，外接的直流电源通过SCR电路形成短路，这种情况称为逆变(n bin)失败，或称为逆变(n bin)颠覆。第19页/共54页第二十页，共54页。2023/2/26 4-212、逆变、逆变(n bin)失败的原因失败的原因（1）触发(chf)脉冲丢失T2的触发(chf)脉冲Ug2丢失第20页/共54页第二十一页，共54页。2023/2/26 4-222、逆变失败、逆变失败(sh
14、bi)的原因（续）的原因（续）（2）触发脉冲(michng)延迟T2的触发脉冲Ug2延迟第21页/共54页第二十二页，共54页。2023/2/26 4-232、逆变、逆变(n bin)失败的原因（续）失败的原因（续）（3）晶闸管发生故障（指晶闸管失去阻断(z dun)能力或失去导通能力）T3失去阻断(z dun)能力第22页/共54页第二十三页，共54页。2023/2/26 4-242、逆变、逆变(n bin)失败的原因（续）失败的原因（续）（4）换相的裕量角不足(bz)第23页/共54页第二十四页，共54页。2023/2/26 4-252、逆变失败、逆变失败(shbi)的原因（续）的原因（续
15、）（5）交流电源发生异常现象，如 交流电源突然断电 交流电源电压太低 交流电源缺相 不论什么原因，逆变失败的后果都是造成电流急剧(jj)上升！第24页/共54页第二十五页，共54页。2023/2/26 4-263、避免、避免(bmin)逆变逆变失败的措施失败的措施（1）预防措施采用可靠的触发电路；选用(xunyng)可靠的SCR，防止误导通；逆变角 不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。（2）保护措施：装快速熔断器或快速开关；第25页/共54页第二十六页，共54页。2023/2/26 4-274、确定、确定(qudng)最小最小逆变角逆变角 min 的依据的依据（1）最小逆变角 min =
16、+:SCR的关断时间 tq 折合的电角度，叫恢复阻断角，=tq :换相重叠(chngdi)角（约为1520）:安全裕量角（一般取10）tq约为200300s，折算成电角度约45最小角一般可取3035。角越大，逆变越可靠，但功率因数越低！第26页/共54页第二十七页，共54页。2023/2/26 4-28例例例例 4-14-1三相全控桥式整流电路三相全控桥式整流电路(dinl)(dinl)接阻感反电势负载。已接阻感反电势负载。已知整流变压器副边线电压知整流变压器副边线电压 UAB=220V UAB=220V，交流侧电感，交流侧电感LB=0.5mHLB=0.5mH，R=2R=2，E=-290VE=
17、-290V，=150 =150，=100 =100 ，LdLd足够大，求直流端电压、电流和交流电源的功率因足够大，求直流端电压、电流和交流电源的功率因数数KPKP。解：交流侧电抗为解：交流侧电抗为 输出直流平均电压为输出直流平均电压为 输出电压又可表示为输出电压又可表示为 所以所以 第27页/共54页第二十八页，共54页。2023/2/26 4-29例例例例 4-14-1（续）（续）（续）（续）负载侧的功率为负载侧的功率为负载功率为负值，表明负载侧实际是供出电能回馈到电网的。负载功率为负值，表明负载侧实际是供出电能回馈到电网的。PdPd又可解为又可解为 所以所以(su(su y y)交流电源的
18、功率因数为交流电源的功率因数为 第28页/共54页第二十九页，共54页。2023/2/26 4-30例例例例 4-24-2三三相相半半波波整整流流电电路路如如图图例例4.24.2所所示示，已已知知电电动动机机处处于于稳稳定定的的发发电电制制动动状状态态，滤滤波波电电抗抗XdXd足足够够大大，输输出出电电流流(dinli)(dinli)连连续续而而平平直直，电电枢枢回回路路总总电电阻阻RaRa0.50.5，电电机机端端压压UaUa220V220V，变变压压器器副副边边相相电电压压U2U2220V220V，交交流流侧侧换换流流电电抗抗XBXB0.210.21。试完成下列要求：。试完成下列要求：1阐
19、明图中整流器输出电压Ud和电动机端电压Ua的极性；2阐明变流器控制角的调节范围；3如何调节电动机的制动强度？4当制动电流Ia103A时，系统(xtng)向交流电网回馈的功率有多大？此时变流器的逆变角为多少？第29页/共54页第三十页，共54页。2023/2/26 4-31例例例例 4-24-2（续）（续）（续）（续）解解：1.1.由由于于电电机机处处于于稳稳定定的的再再生生制制动动状状态态，电电动动机机向向交交流流电电网网回回馈馈电电能能 ，且且晶晶闸闸管管不不能能逆逆向向导导通通电电流流，据据此此可可以以确确定定整整流流器器输输出出电压电压UdUd和电动机端电压和电动机端电压UaUa的极性为
20、下的极性为下“+”“+”上上“-”“-”。2.2.逆逆变变工工作作时时控控制制角角的的理理论论范范围围是是 ，为为防防止止逆逆变变颠颠覆覆，控控制制角角 有有最最大大值值的的限限制制，即即逆逆变变角角有有最最小小值值 限限制制。受受换换流流电电流流、交交流流侧侧换换相相电电抗抗及及元元件件关关断断时时间间的的影影响响，应应具具体体情情况况具具体体分分析析。根根据据一一些些(yxi)(yxi)典典型型系系统统的的运运行行经经验验，大大约约在在350350左右。因此逆变工作时控制角的范围大致是左右。因此逆变工作时控制角的范围大致是 。3.3.通通过过调调节节 角角来来调调节节制制动动强强度度，当当
21、 较较大大时时，变变流流器器输输出出逆逆变变电压较小，制动电流大，制动力就强，反之亦然。电压较小，制动电流大，制动力就强，反之亦然。第30页/共54页第三十一页，共54页。2023/2/26 4-32例例例例 4-24-2（续）（续）（续）（续）解：解：4 4 负号说明负号说明(shumng)电网吸电网吸收电功率收电功率 代入代入 得得：第31页/共54页第三十二页，共54页。2023/2/26 4-33本章本章(bn zhn)内容内容4.1 有源逆变电路的工作(gngzu)原理4.2 三相有源逆变电路4.3 有源逆变的应用4.4 整流电路的谐波和功率因数4.6 变流电路的功率因数及改善方法第
22、32页/共54页第三十三页，共54页。2023/2/26 4-34n n高压(goy)直流输电4.3 有源逆变有源逆变(n bin)的应用的应用两组晶闸管变流器的交流侧分别与两个交两组晶闸管变流器的交流侧分别与两个交流系统流系统u1u1、u2u2连接，变流器的直流侧相互连接，变流器的直流侧相互(xingh)(xingh)关联。关联。通过分别控制两个变流器的工作状通过分别控制两个变流器的工作状态，就可控制功率的流向。态，就可控制功率的流向。在送电端，变流器工作于整流工况，在在送电端，变流器工作于整流工况，在受电端变流器工作于逆变工况。受电端变流器工作于逆变工况。第33页/共54页第三十四页，共5
23、4页。2023/2/26 4-35有源逆变有源逆变(n bin)的应的应用（续）用（续）n n绕线式异步电动机晶闸管串级调速系统(xtng)转子在不同转子在不同(b tn)的转速下感应的转速下感应出转差频率的电压，经一组不控的三出转差频率的电压，经一组不控的三相桥式变流器变成直流电压，相桥式变流器变成直流电压，此电压再经一组全控桥式变流器实此电压再经一组全控桥式变流器实现有源逆变，把电能（转差功率）现有源逆变，把电能（转差功率）馈送回电网中去，馈送回电网中去，改变逆变角的大小，即可改变馈送回电网改变逆变角的大小，即可改变馈送回电网电能的多少，从而达到改变电机转速的目电能的多少，从而达到改变电机
24、转速的目的。的。第34页/共54页第三十五页，共54页。2023/2/26 4-36n n直流可逆电力(dinl)拖动系统有源逆变有源逆变有源逆变有源逆变(n bin)(n bin)的应用（续）的应用（续）的应用（续）的应用（续）第一象限，变流器第一象限，变流器的控制角的控制角 1900，Ud1E，整流状，整流状态，电机正转电动态，电机正转电动(din dn)运行；运行；第二象限，变流器第二象限，变流器的控制角的控制角 900，UdE，有源逆变状态，电机正，有源逆变状态，电机正转发电制动机运行；转发电制动机运行；第三象限，变流器第三象限，变流器的控制角的控制角 900，UdE，整流状态，电机反
25、转，整流状态，电机反转电动运行；电动运行；第四象限，变流器第四象限，变流器的控制角的控制角 1900，Ud1E，有源逆变状态，有源逆变状态，电机反转发电制动运行。电机反转发电制动运行。第35页/共54页第三十六页，共54页。2023/2/26 4-37本章本章(bn zhn)内容内容4.1 有源逆变电路的工作原理（概念）4.2 三相有源逆变电路4.3 有源逆变的应用4.4 整流电路的谐波(xi b)和功率因数4.6 变流电路的功率因数及改善方法第36页/共54页第三十七页，共54页。2023/2/26 4-384.4 整流电路的谐波整流电路的谐波(xi b)和功率因数和功率因数n n任何周期性
26、波形都可以分解为直流分量(fn ling)、正弦波基波分量(fn ling)和一系列频率为基波整数倍的谐波分量(fn ling)。n n整流电路的谐波包括：n n变流器直流侧谐波n n交流电源侧谐波第37页/共54页第三十八页，共54页。2023/2/26 4-394.4.1 变流器直流侧谐波分析变流器直流侧谐波分析（=0）n n在（m m）n n傅立叶级数分析(fnx)n nud 以2 m为周期第38页/共54页第三十九页，共54页。2023/2/26 4-40直流侧谐波分析（直流侧谐波分析（=0）（续）（续）n n因此(ync)n n在整流输出电压中，谐波级次 n 一定是脉波数 m 的整数
27、倍。n n根据傅立叶级数分析n n结果第39页/共54页第四十页，共54页。2023/2/26 4-41直流侧谐波分析直流侧谐波分析（=0）（续）（续）n n两相半波(bn b)电路（m=2）n n三相半波(bn b)电路（m=3）第40页/共54页第四十一页，共54页。2023/2/26 4-42直流侧谐波分析直流侧谐波分析（=0）（续）（续）n n三相桥式电路（m=6）n n脉波数（相数）的增加使谐波中最低次谐波的频率增加，同时其幅值迅速(xn s)减少。n n增加整流器的脉波数 m，对减少直流侧谐波、改善输出波形质量有重要的作用。第41页/共54页第四十二页，共54页。2023/2/26
28、 4-43直流侧谐波分析（直流侧谐波分析（0）n n空载直流电压的 n 次谐波(xi b)的有效值n n整流器输出直流电压中的谐波(xi b)分量，将随延迟角 的增大而显著上升。第42页/共54页第四十三页，共54页。2023/2/26 4-444.4.2 交流电源侧谐波交流电源侧谐波电流电流(dinli)分析分析n n对于理想的 m 脉波整流器，则在交流侧只有下列级次的谐波电流：=mk 1n n每个谐波电流分量的幅值为基波电流的 1/，即谐波电流分量的大小与其频率成反比。n n实际应用中，当需要比较精确的检测变流器交流侧谐波电流时，必需同时考虑到脉波数 m、延迟角 和重迭(zhn di)角
29、三个参数的影响。第43页/共54页第四十四页，共54页。2023/2/26 4-45本章本章(bn zhn)内容内容4.1 有源逆变(n bin)电路的工作原理（概念）4.2 三相有源逆变(n bin)电路4.3 有源逆变(n bin)的应用4.4 整流电路的谐波和功率因数4.6 变流电路的功率因数及改善方法第44页/共54页第四十五页，共54页。2023/2/26 4-464.6 变流电路的功率变流电路的功率因数及改善因数及改善(gishn)方方法法一、变流电路(dinl)的功率因数1、定义变流电路(dinl)电网侧有功功率与视在功率之比。2、计算方法1 =P/S 若忽略变流电路(dinl)
30、损耗，P应等于整流负载功率。第45页/共54页第四十六页，共54页。2023/2/26 4-473、计算方法2 =cos cos：相位移系数（基波的有功功率(gngl)与基波的视在功率(gngl)之比）:电流畸变系数（基波电流有效值与总电流有效值之比），即：=I1/I第46页/共54页第四十七页，共54页。2023/2/26 4-48例：单相例：单相(dn xin)全控桥式电全控桥式电路功率因数计算路功率因数计算n n计算方法1第47页/共54页第四十八页，共54页。2023/2/26 4-49例：单相全控桥式电路例：单相全控桥式电路(dinl)功率因数计算功率因数计算n n计算方法2第48页
31、/共54页第四十九页，共54页。2023/2/26 4-50二、功率因数二、功率因数(n l yn sh)的的改善方法改善方法1、全控变流器的半控工作状态（提高基波功率因数）整流(zhngli)波形 逆变波形第49页/共54页第五十页，共54页。2023/2/26 4-51二、功率因数的改善二、功率因数的改善(gishn)方法（续）方法（续）2 2、强迫换相、强迫换相（1 1）熄灭角控制（使基波）熄灭角控制（使基波(j b)(j b)电流超前电电流超前电压，对整个电力系统有利）压，对整个电力系统有利）第50页/共54页第五十一页，共54页。2023/2/26 4-52二、功率因数二、功率因数(n l yn sh)的的改善方法（续）改善方法（续）2、强迫(qing p)换相（续）（2）对称角控制（使基波功率因数=1）第51页/共54页第五十二页，共54页。2023/2/26 4-53二、功率因数的改善二、功率因数的改善(gishn)方法（续）方法（续）2、强迫换相（续）（3）脉冲(michng)宽度控制（使基波功率因数=1，同时提高电流畸变系数）第52页/共54页第五十三页，共54页。2023/2/26 4-54二、功率因数的改善二、功率因数的改善(gishn)方法（续）方法（续）3、串联变流器的顺序控制（主要是提高基波(j b)功率因数）第53页/共54页第五十四页，共54页。