交流-直流变流电路的有源逆变工作状态

3.3.1 有源逆变的概念

将直流电转变成交流电的过程，称为逆变（Invertion）。将直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。例如，电力机车下坡行驶时，使直流电动机作为发电机制动运行，机车的位能转变为电能，反送到交流电网中去。按照变流装置的交流侧是否接入交流电网，逆变可以分为两类，即有源逆变和无源逆变。有源逆变电路交流侧接在交流电网上，常用于高压直流输电、直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机的串级调速、风力发电、太阳能发电等方面；无源逆变电路交流侧直接与用电设备连接，即把直流电逆变成为频率固定或可调的交流电供用电设备使用。本节主要讨论的内容是有源逆变。

下面以直流发电机-电动机系统（G-M系统）电能的双向流转为例，阐明整流和逆变的工作过程，再通过分析单相全波电路在整流和有源逆变两种工作状态下的电能流转关系，掌握有源逆变的工作原理和实现条件。

1.直流发电机-电动机系统（G-M系统）功率的双向传递

图3-25中所示直流发电机-电动机系统中，G为发电机，M为电动机，励磁回路未画出。EG为发电机电动势，EM为电动机反电动势，RΣ为回路总电阻，Id为回路电流，控制发电机电动势的大小与方向，可以实现电动机四象限的运转。

在图3-25（a）中，电动机M运行在电动状态，EG＞EM，电流Id从G流向M，Id的值为

图3-25 直流发电机-电动机系统功率的双向传递

Id和EG同向，和EM反向，所以G输出电功率EGId，M吸收电功率EMId，电能由G流向M。从能量传递的角度上看，变流器工作于整流状态。

在图3-25（b）中，电动机M运行在发电状态，EG＜EM，电流Id从M流向G，Id的值为

Id和EM同向，和EG反向，所以M输出电功率EMId，G吸收电功率EGId，电能由M流向G。从能量传递的角度上看，变流器工作于逆变状态。

在图3-25（c）中，两个电动势顺向串联，G和M均输出功率向RΣ供电，由于实际中R Σ的取值很小，使得回路电流Id很大，接近短路，易损坏设备，所以要严防此种情况的出现。

总结上面的分析可以得出如下结论：

两个电动势同极性相连时，电流总是从电动势高的流向电动势低的。由于回路电阻很小，即使两者之间电动势差值很小，电路中仍然会出现很大的功率交换。改变电动势差的大小和极性，可以控制交换功率的大小和传输方向。

2.有源逆变的工作原理和实现条件

以单相桥式全控电路代替发电机G给电动机M供电，回路中串入了平波电抗器L，使电流连续平稳。单相桥式全控电路的整流与逆变工作状态及波形如图3-26所示。

图3-26 单相桥式全控电路的整流与逆变工作状态及波形

在图3-26（a）中，桥式电路工作于整流状态，α的范围是0～π/2，M运行在电动状态，直流侧输出的Ud为正值，并且Ud＞EM，回路电流Id从整流电路流向电动机M，其值为

RΣ一般很小，因此电路经常工作在Ud≈EM的条件下。交流电网输出电功率，电动机吸收电功率。

在图3-26（b）中，桥式电路工作于逆变状态，电动机M运行在发电制动状态。由于晶闸管具有单向导电的特性，回路中电流Id的方向不能改变，若改变电能的输送方向，只能改变EM的极性。同时为了防止两电动势顺向串联，直流侧输出Ud的极性也必须反过来，即Ud为负值（上负下正），且|EM|＞|Ud|，这样才能把电能从直流侧回送到交流侧，实现逆变。此时Id为

电路内电能的流向与整流时相反，电动机输出电功率，电网吸收电功率。电动机轴上输入的机械功率越大，逆变回馈的功率就越大。为防止过电流的发生，同样应满足Ud≈EM的条件。EM的大小由转速高低决定，而直流侧输出Ud可以通过调节触发角α的大小来完成。由于逆变状态下Ud必须为负值，所以α的范围在π/2～π之间。

在逆变工作状态下，虽然晶闸管的阳极电位大部分时间处于交流电压的负半周期，但由于外接直流电动势EM的存在，使得晶闸管仍可以承受正向电压而导通。

通过上述分析，可以归纳出全控整流电路可以工作于逆变状态的条件：

（1）变压器的直流侧要有直流电动势EM，其极性要同晶闸管导通方向一致，其值要大于直流侧的平均电压。

（2）α的范围是π/2～π，使得变流器输出的电压为负值。

以上两个条件必须同时具备，才能使全控整流电路工作于有源逆变状态。

3.3.2 三相整流电路的有源逆变工作状态

从上述分析可知，全控整流电路工作于整流还是逆变状态，区别仅仅是触发角α的取值不同。0<α＜π/2时，电路工作于整流状态，π/2＜α＜π时，电路工作于有源逆变状态。

为了区别整流和逆变两种不同的工作状态，通常把α＞π/2时的控制角用逆变角β表示，且令β=π－α。触发角α 是以自然换相点为计量起点的，由此向右计量；逆变角β和触发角α的计量方向相反，其大小是自β=0°（即α=180°）为起点从右向左计量。两者满足关系α＋β＝π。(www.xing528.com)

三相桥式全控整流电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形如图3-27所示。逆变角的计算起点（β=0°）位于线电压负半轴的交点处，β的大小自该点向左计量。随着β的变化，整流输出电压平均值Ud也在变化。在实际运行中，应根据直流电动势EM的值，随时调节β的大小，使EM－Ud的大小保持不变，从而保持输出电流稳定。

有源逆变状态下各电量的计算，有如下公式

负号代表整流器在有源逆变状态时输出电压与整流状态时相反。

输出直流电流的平均值公式如下，其中EM与Ud的极性与整流状态时相反，均为负值。

每个晶闸管导通角度为2π/3，故流过晶闸管的电流有效值为（忽略电流脉动）

从交流电源送到直流侧负载的有功功率为

当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为负值，表示功率从直流电源输送到交流电源。

图3-27 三相桥式全控整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形

3.3.3 逆变失败与最小逆变角的限制

三相半波整流电路如图3-28所示，逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，形成很大的短路电流，这种情况称为逆变失败。

图3-28 三相半波整流电路

1.逆变失败的原因

造成逆变失败的主要原因有以下几种：

（1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各种晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相，使交流电源电压和直流电动势顺向串联，形成短路。

（2）晶闸管发生故障，在应该阻断期间，器件失去阻断能力，或在应该导通期间，期间不能导通，造成逆变失败。

（3）在逆变工作时，交流电源发生缺相或者突然消失，由于直流电动势EM的存在，晶闸管仍可导通，此时交流器的交流侧由于失去了同直流电动势极性相反的交流电压，因此直流电动势将通过晶闸管使电路短路。

（4）换相的裕角量不足，引起换相失败，应考虑变压器漏抗引起重叠角对逆变电路换相的影响，如图3-29所示。

图3-29 交流侧电抗对逆变换相过程的影响

由于换相有一过程，且换相期间的输出电压是相邻两电压的平均值，故逆变电压Ud要比不考虑漏抗时的更低（负的幅值更大）。存在重叠角会给逆变工作带来不利的后果，如以VT3和VT1的换相过程来分析，当逆变电路工作在β>γ时，经过换相过程后，相电压ua仍高于c相电压uc，所以换相结束时，能使VT3承受反压而关断。如果换相的裕角量不足，即当β<γ时，从图3-29右下角的波形中可清楚看到，换相尚未结束，电路的工作状态达到自然换相点P点之后，uc将高于ua，晶闸管VT1承受反压而重新关断，使得应该关断的VT3不能关断却继续导通，且c相电压随着时间的推迟愈来愈高，电动势顺向串联导致逆变失败。为了防止逆变失败，不仅逆变角β不能等于零，而且不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。

2.最小逆变角βmin的确定依据

逆变时允许采用的最小逆变角βmin应为

式中，δ为晶闸管的关断时间tq折合的电角度，约4°～5°，θ'为安全裕量角，主要针对脉冲不对称程度（一般可达5°），约取为10°。γ为换相重叠角，可查阅相关手册，也可根据3.2节中给出的公式计算，即

根据逆变工作时α=π－β，并设β=γ，上式可改写成

重叠角γ与Id和XB有关，当电路参数确定后，重叠角就有定值。设计逆变电路时，必须保证β≥βmin，因此常在触发电路中附加一保护环节，保证触发脉冲不进入小于βmin的区域内。