有源逆变概念及工作原理

有源逆变一、单相有源逆变电路逆变电路的分类整流是把交流电变换成直流电供给负载， 那么， 能不能反过来， 利用相控整流电路把直流电变为交流电呢？完全可以。我们把这种整流的逆过程称为逆变。在许多场合， 同一套晶闸管或其它可控电力电子变流电路既可作逆变， 这种装置称为变流装置或变流器。 根据逆变输出交流电能去向的不同， 所有逆变电路又分为有源逆变和无源逆变两种。 前者以电网为负载， 即逆变输出的交流电能回送到电网，后者则以用电器为负载，如交流电机、电炉等。变流器的两种工作状态用单相桥式可控整流电路能替代发电机给直流电动机供电， 为使电流连续而平稳，在回路中串接大电感 Ld 称为平波电抗器。这样，一个由单相桥式可控整流电路供电的晶闸管－直流电动机系统就形成了。 在正常情况下， 它有两种工作状态，其电压电流波形分别示于图 3－ 1、图 3－ 2 中。1. 变流器工作于整流状态（ 0 /2 ）在图 3－ 1 中， 设变流器工作于整流状态。 由单相全控整流电路的分析可知，大电感负载在整流状态时 Ud＝ 0.9U2cos ，控制角的移相范围为 0～ 90 ， Ud为正值， P 点电位高于 N点电位，并且 Ud应大于电动机的反电势 E，才能使变流器输出电能供给电动机作电机运行。 此时， 电能由交流电网流向直流电源 （即直流电动机 M的反电势 E）。图 3－ 12. 变流器工作与逆变状态（ /2 ）在图 3－ 2 中，设电机 M作发电机运行（再生制动），但由于晶闸管元件的单向导电性， 回路内电流不能反向， 欲改变电能的传送方向， 只有改变电机输出电压的极性。在图 3－ 2 中，反电势 E 的极性已反了过来，为了实现电动机的再生制动运行， 整流电路必须吸收电能反馈回电网， 也就是说， 整流电路直流侧电压平均值 Ud也必须反过来，即 Ud 为负值， P 点电位低于 N点电位且电机电势 E应大于 Ud。 此时电路内电能的流向与整流时相反， 电动机输出电功率， 为发电机工作状态，电位则作为负载吸收电功率，实现了有源逆变。为了防止过电流，应满足 E 约等于 Ud，在恒定励磁下， E 取决于电动机的转速，而 Ud 则由调节控制角来实现。图 3－ 2实现有源逆变的条件由上述有源逆变工作状态的原理分析可知， 实现有源逆变必需同时满足两个基本条件：其一，外部条件，要有一个能提供逆变能量的直流电源。其二，内部条件，变流器在控制角 /2 的范围内工作，使变流器输出的平均电压 Ud的极性与整流状态时相反， 大小应和直流电势配合， 完成反馈直流电能回交流电网的功能。从上面的分析可以看出， 整流和逆变、 交流和直流在晶闸管变流器中互相联系着，并在一定条件下可互相转换，同一个变流器，既可以作整流器，又可以作逆变器，其关键是内部和外部的条件。不难分析， 半控桥式电路或具有续流二极管的电路， 因为不可能输出负电压，变流器不能实现有源逆变，而且也不允许直流侧出现反极性的直流电势。二、三相有源逆变电路三相半波逆变电路1. 工作原理图 3－ 3 为三相半波电机负载电路，负载回路接有大电感，电流连续。当在 0～ /2 范围内变动时，平均值 Ud总为正值，且 Ud应略大于 E。此时电流 i d从Ud正端流出，从 E的正端流入，电机作为电动机运行，吸收电能，这就是三相半波电路的整流工作状态。图 3－ 3对于逆变状态（ /2 ），选取和整流状态相对应的条件进行分析，假设此时电动机反电势的极性已反接（如图 3－ 4(a) 所示）。因为有了持续的直流电势和极大的电感 Ld，主电路电流始终连续。图 3－ 4变流器输出电压必须如图 3－ 4(b) 中粗黑线所示。当 在 /2 ～ 范围内变动时，输出平均值 Ud为负，其极性是上负下正，此时电动机的电势 E 应稍大于Ud。主电路内的电流 I d方向没有变，但是它从 E的正极流出，到 Ud的正端流入，所以电能倒送。2. 逆变角 及逆变电压的计算三相半波电路在整流和逆变范围内， 只要电流连续， 每个晶闸管的导通角都是 2 /3 ，故不论控制角 为何值，直流侧输出电压的平均值和 的关系都为为分析和计算方便起见， 电路进入逆变状态时， 通常用逆变角 表示。 规定角计算的起始点为控制角 ＝ 处， 计算方法为自 ＝ （ ＝ 0） 的起始点向左方计算，因此控制角和逆变角的关系是 ＋ ＝ ，或 ＝ － 。三相桥式全控有源逆变电路1. 逆变电路波形分析图 3－ 5(a) 为三相有源逆变电路。根据以前的分析，在区间 0 /2 ，电路工作于整流状态； ＝ /2 时， Ud＝ 0；在 /2 时，电路工作于有源逆变状态。 图 3－ 5(b ～ d) 表示 ＝ 5/6 时的典型工作情况下电路中各点的波形。图 3－ 52. 逆变电路电量计算考虑变压器漏抗时，逆变器输出电压为在三相逆变电路中， 其它的电量， 如电流平均值、 晶闸管电流的平均值和有效值、变压器的容量计算等，均可按照整流电流的计算原则进行。三、逆变失败的原因逆变失败的定义逆变运行时， 一旦发生换相失败， 使整流电路由逆变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晶闸管电路形成短路， 这种情况称为逆变失败， 或称为逆变颠覆， 这是一种事故状态，应当避免。逆变失败的原因造成逆变失败的原因很多， 大致可归纳为四类， 今以三相半波逆变电路为例，加以说明。1. 触发电路工作不可靠触发电路不能适时地， 准确地给各晶闸管分配脉冲， 如脉冲丢失， 脉冲延迟等，致使晶闸管工作失常。如图 3－ 6 所示，当 a 相晶闸管 T1导通到 t 1 时刻，正常情况时 ug2触发 T2 管，电流换到 b 相，如果在 t 1 时刻，触发脉冲 ug2遗漏，T1管不受反压而关不断， a 相晶闸管 T1将继续导通到正半周，使电源瞬时电压与直流电势顺向串联，形成短路。图 3-6图 3－ 7 表明脉冲延迟的情况， ug2延迟到 t 2时刻才出现，此时 a 相电压 ua已大于 b 相电压 ub，晶闸管 T2 承受反向电压，不能被触发导通，晶闸管 T1 也不能关断，相当于 ug2遗漏，形成短路。图 3-72. 晶闸管发生故障在应该阻断期间，元件失去阻断能力；或在应该导通时刻，元件不能导通，如图 3－ 8 所示。在 t 1 时刻之前，由于 T3承受的正向电压等于 E 和 uc 之和，特别是当逆变角较小时，这一正向电压较高，若 T3 的断态重复峰值电压裕量不足，则到达 t 1 时刻，本该由 T1 换相到 T2，但此时 T3 已导通， T2 因承受反压而无法导通，造成逆变失败。图 3-83. 换相的裕量角不足存在重叠角或给逆变工作带来不利的后果， 如以 T1和 T2 的换相过程来分析，当逆变电路工作在 时，经过换相过程后， b 相电压 ub 仍高于 a 相电压 ua，所以换相结束时，能使 T1 承受反压而关断。如果换相的裕量角不足，即当时，从图 3－ 9 的波形中可以看出，当换相尚未结束时，电路的工作状态到达 P点之后， a 相电压 ua将高于 b 相电压 ub， 晶闸管 T2 则将承受反向电压而重新关断，而应该关断的 T1 却还承受正电压而继续导通，且 a 相电压随着时间的推迟愈来愈高，致使逆变失败。图 3-94. 交流电源发生异常现象在逆变运行时， 可能出现交流电源突然断电， 缺相或电压过低等现象。 如果在逆变工作时， 交流电源发生缺相或突然消失， 由于直流电势 E 的存在， 晶闸管仍可触发导通，此时变流器的交流侧由于失去了同直流电势极性相反的交流电压，因此直流电势将经过晶闸管电路而被短路。最小逆变角的确定由上可见， 为了保证逆变电路的正常工作， 必须选用可靠的触发器， 正确选择晶闸管的参数， 并且采取必要的措施， 减少电路中 du/dt 和 di/dt 的影响， 以免发生误导通。 为了防止意外事故， 与整流电路一样， 电路中一般应装有快速熔断器或快速开关， 以资保护。 另外， 为了防止发生逆变颠覆， 逆变角 不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。逆变时允许采用的最小逆变角 应为＝ ＋ ＋ 式中--- 晶闸管的关断时间 t q折合的电角度，称恢复阻断角， ＝ t q；--- 换相重叠角； --- 安全裕量角。电流跟踪 PWM（ CFPWM， Current Follow PWM ）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的 SPWM获得更好的性能