深入探讨三相桥有源逆变电路的工作原理

由式（2-16）可知：当整流器的触发延迟角α逐渐增大时，直流输出电压便要下降，当α=90°时直流输出电压为零，随着进一步的触发延迟；当α>90°时直流平均电压变为负值，即V_PQ=V_d0 cosα<0，原正极P的电位低于负极Q的电位。由于阀的单向导电性能，电流仍从阳极流向阴极，这时换流器进入逆变工作状态。如图2-12a所示α<90°整流工况时，直流电流I_d从变流器正极P流出，向直流侧（负载）输出直流功率。图2-13a所示α>90°逆变工况时，直流电流I_d从直流电源E流入变流器高电位的Q+极，向变流器输出直流功率。

图2-13 三相相控有源逆变器的电压和电流波形图（图中α=120°，β=60°）

现在分析桥阀的工作状态。由图2-13b可见，从ωt=30°（C₁点）到ωt=210°（C₄点）的范围内，v_A>v_C，v_AC=v_A-v_C>0，阀VT₁都处于正向电压作用下。6个阀的导通顺序是：VT₅、VT₆—VT₆、VT₁—VT₁、VT₂—VT₂、VT₃—VT₃、VT₄—VT₄、VT₅—VT₅、VT₆……。每隔60°按VT₁、VT₂、VT₃、VT₄、VT₅、VT₆的顺序，下一个开关管导通，上一个开关管关断。因此在阀VT₁导通前，阀VT₅和VT₆处于通态，整流电压v_d=v_C-v_B=v_CB。在90°<α<180°时发出触发脉冲，如图中ωt=α=120°的G点使阀VT₁开通。由于v_A>v_C，于是阀VT₅便因承受反向电压而开始关断，在G→F点的换流期间，VT₅、VT₆、VT₁同时导通的γ期间，v_d=（v_A+v_C）/2-v_B=（v_A-v_B）/2+（v_C-v_B）/2=（v_AB+v_CB）/2，在F点换流结束后，仅VT₆、VT₁导通，v_d=v_A-v_B=v_AB，这与α<90°的v_d完全相同，因此式（2-23）、式（2-24）也适用α>90°的逆变工况。逆变器和整流器虽然作用相反，但是从原理上讲两者都是换流器，只是由于触发延迟角α取值不同，因而表现出不同的运行特性。前面对于整流器导出的直流侧电压和交流电流的关系式仍适用于逆变器，在相控逆变工况下运行时，触发延迟角α>90°，将α=180°-β、β=γ+δ代入式（2-24），即可得到直流输出电压V_d2的平均值V_D2，即

式中，V为交流电源线电压有效值。空载（I_d=0）、α=0（β=180°）时整流电压V_d02为

R₂为有源逆变换相等效电阻，即

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当α>90°（β<90°）时，V_D2为负值，图2-13a中Q₊电位高于P_-，Q₊为正，P_-为负。V_Q+P-为正，V_P-Q+为负。

逆变器交流侧相电压和相电流的波形如图2-13d所示（只画出A相）。定义功率因数角φ为电流基波落后电压基波的相位角，因此α>90°有源逆变时，如图2-13b～d所示，电流i_a的基波i_a1要比电压v_A落后φ，即

φ=α+γ/2=180°-β+γ/2=180°-（β-γ/2）=180°-（δ+γ-γ/2）=180°-（δ+γ/2）=180°-φ′

或

当α>90°时，φ>90°，φ′<90°。P=3VI₁ cosφ<0，Q=3VI₁ sinφ>0。因此，逆变器从其交流系统接受负的有功功率和滞后的无功功率，也就是说，逆变器将向交流系统输出有功功率，而仍从交流系统吸取感性无功功率。

由图2-13b和c中可以看出，ωt=α（α>90°，有源逆变）时开通VT₁，经换相重叠期γ（ωt=α+γ）后，VT₅被关断。VT₅关断后，VT₅受到反压v_AC=v_A-v_C>0的时期很短，因为到C₄点时v_AC=0。此后v_C>v_A，VT₅又有正向电压作用。由于α>90°，若β=180°-α不大，则换流结束（γ）后的剩余关断角δ=180°-α-γ=β-γ不大，即VT₅关断i_T5=0后，阀VT₅承受反向电压作用的时间很短，在运行中必须保证可靠的关断。如果剩余关断角δ过小，阀VT₅关断i_T5=0后的正向阻断能力将得不到完全恢复，在图2-13b的C₄点以后，v_C电位高于v_A，或v_A比v_C更负，这将使应关断的VT₅又承受正向电压，在随后的正向电压作用下，VT₅不经触发也会重新导通，并把刚刚转入通态的阀VT₁关断，导致换相失败。因此，关断角的数值应不小于某一最小容许值δ_off，或者说β不宜太小，α（>90°）不宜过大。在实际运行中，如果由于某种原因使交流侧电压下降或直流侧电流上升，都会延长换相过程，使换相重叠角γ增大，如果触发延迟角α未及时减小，或者说逆变角β未及时增大，则将使关断角δ=180°-α-γ减小，如果晶闸管关断后仍需须有外加反压，历时时间t_off才能使其完全恢复阻断能力，t_off所对应的角度为δ_off=ωt_off。在实际运行时，必须δ>δ_off，若δ<δ_off时，就会使逆变器换相失败。

图2-13中，如果α=150°，则逆变角β=180°-α，如果在额定负载下换流重叠角γ=15°，则能提供的关断角δ=15°，如果晶闸管断流后使其完全回复阻断能力所需的反压时间t_off=300μs，则300μs相当的角度δ_off=ωt_off=314×300μs×10^-6rad=5.4。由于δ=15°>δoff=5.4，所以能够使α=150°，β=30°，γ=15°在额定负载下安全换流。如果α=160°，δ=5°，则额定负载下运行时若选用的晶闸管t_off仍为300μs，则不能实现逆变工况安全换流。