相控整流器中的有源逆变工作状态分析

整流电路是利用晶闸管把交流电变成直流电供给负载的电路，但是在生产实践中，还需要有相反的过程，即利用晶闸管把直流电转变成交流电反送到交流电网，这种对应于整流的逆变过程，称为有源逆变。例如，应用晶闸管的电力机车，当下坡行驶时，使直流电动机作为发电运行（制动），机车的位能转变为电能，并把它反送到交流电网中。再如运行着的直流电动机，要使它迅速地制动，也可让电动机作为发电运行，把电动机的动能转变为电能，反送到电网中。有源逆变电路还常用于交流绕线转子异步电动机串级与双馈调速，以及高压直流输电等方面。

1.有源逆变产生的条件

（1）逆变过程的能量关系

为进一步说明晶闸管供电电路的特殊性，以下先从直流发电机-电动机系统入手，研究期间能量关系，再转入变流器中分析交流电和直流电之间电能的转换关系，得出有源逆变的条件。

图3-49所示直流发电机-电动机（G-M）系统中，M为他励直流电动机，G为他励直流发电机，图中均未画出励磁回路。控制发电机电动势的大小和极性，可实现电动机四象限的运行状态。现就以下几种情况分析电路中的能量关系。

图3-49 G-M机组间的能量关系

在图3-49a中，电动机M作电动运行，发电机的电动势E_G大于电动机的反电动势E_M，于是产生的电流数值为

电流方向与E_G相同，而与E_M相反，此时电压方程和能量方程为

E_G=E_M+IR （3-120）

E_GI=E_MI+I²R （3-121）

发电机输出的电功率为P_G=E_GI，电动机吸收的电功率为P_M=E_MI，电阻R上消耗的电功率P_R=I²R。电能由发电机流向电动机，转变为电动机轴上输出的机械能。

如果将G的励磁电流减小使E_G小于E_M，但方向不变，如图3-49b所示。这时电流改变方向，电动机作发电运行（回馈制动）。电流从电动机M流向发电机G，其数值为

此时I和E_M同方向而与E_G反方向，故电动机变为电源输出电功率，而发电机则吸收电功率，电动机轴上输入机械能转变为电能反送给发电机，电阻总是消耗功率。

如果改变电动机励磁电流的方向使E_M的方向与E_G一致，如图3-49c所示。这时两个电动势顺向串联起来，向电阻R供电，发电机和电动机都输出功率，由于R的阻值一般都很小，实际上形成短路，产生很大的短路电流。从以上分析中可以看出有两点需要注意，一是两个电动势源同极性相接时，电流总是从高电动势源流向低电动势源，电流数值取决于两个电动势之差和回路总电阻，当回路电阻很小时，即使很小的电动势差也能产生足够大的电流；当两电动势反极性相接时，若回路电阻很小，即形成电源短路，在工作中必须严防这类事故发生。二是电流从电源正极流出的为输出功率，从电源正极流入的为输入功率。由于电功率为电流与电动势的乘积，随着电动势或电流方向的改变，电功率的流动方向也改变。

（2）逆变产生的条件

以三相半波电路为例，用以代替发电机给电动机供电，如图3-50所示。分析此电路内电能的流向关系。设电动机M作电动运行，三相半波电路应工作在整流状态，α的范围在0°～90°之间，直流侧输出U_d为正值，且U_d＞E_M，如图3-50a所示才能输出I_d，其值为

一般情况下R很小，因此电路经常工作在U_d≈E_M的条件下，交流电网输出电功率，电动机则吸收电功率。

在图3-50b中，电动机作发电运行（回馈制动），由于晶闸管的单向导电性，电流I_d的方向不能改变，若要改变电能的输送方向，只能改变E_M的极性。为防止U_d与E_M顺向串联，U_d的极性也必须反过来，即U_d应为负值，且|E_M|＞|U_d|，才能把电能从直流侧送到交流侧，实现有源逆变。这时电流I_d为

电路中电能的流向与整流相反，电动机M输出电功率，电网吸收电功率。为防止电路中过电流，同样满足|E_M|≈|U_d|条件。E_M的大小由电动机转速的高低来决定，而使U_d变为负值，值的大小可以通过改变α来实现。例如α=120°，如图3-50b所示，ωt₁时触发晶闸管VT₁使其导通，到ωt₂后u_d开始变负，但因电动机电动势给晶闸管提供正压，且E_M＞U_d，VT₁继续导通，ωt₁～ωt₃之间，电抗器L储能。ωt₃时刻后，|E_M|＜|U_d|，电流i_d减小，电抗器中的感应电动势e_L改变方向，电抗方能维持VT₁继续导通，电抗器的电感量足够大，因而电流连续，VT₁导通120°，直至ωt₄时触发VT₂，VT₂与VT₁换相，VT₂、VT₃也按此规律导通120°，由图3-50b可见输出电压u_d为负的部分多于正的部分，故平均值U_d为负值，如取α的范围在90°～180°之间，同样分析可得出U_d始终为负值。

从上述分析中，可归纳出产生逆变要有两个条件：一是要有一个直流电源，如直流电动机的电枢电动势或蓄电池等，这个电动势的极性要和晶闸管的导通方向一致，数值上应大于变流器直流侧输出电压；二是要求晶闸管电路的触发延迟角α＞90°，使得变流器的直流侧出现一个负的平均电压。以上两个条件必须同时具备才能实现有源逆变。

图3-50 三相半波电路的整流与逆变

（3）逆变角β

在分析逆变产生条件中，已分析了三相半波逆变电路的工作原理，进一步分析会发现电路在整流时输出电压与触发延迟角存在着余弦函数关系，即

U_d=U_d0cosα

在逆变工作时，此式仍成立，为实现逆变，反电动势E_M需反向，而U_d由于α＞90°已自动变为负值，完全满足逆变的条件。可见逆变和整流的区别仅在于触发延迟角α不同，0°＜α＜90°时，电路工作在整流状态；90°＜α＜180°时，电路工作在逆变状态。因此，完全可以沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等问题。

当变流器运行于逆变状态时，触发延迟角α＞90°，计算cosα有些不便，为分析和计算方便起见，通常把α＞90°的触发延迟角改用β表示，令α=180°-β，则cosα=cos（180°-β）=-cosβ，整流电压可以写成

可以较方便地计算U_d，因β用于逆变电压的计算，故称为逆变角。

因为α=180°-β，即β=180°-α，所以当α=180°时β=0°，由于触发延迟角α是以自然换相点作为计算起始点的，依次向右方计量，所以逆变角β和触发延迟角α的计量方向相反，自β=0°向左方计量，两者关系是α+β=180°。例如α=120°时，对应的β=60°。逆变工作时，α位于90°～180°，而β位于90°～0°，当α=β=90°时，是整流和逆变的中间状态，整流输出电压平均值U_d=0。

2.三相全控桥式相控整流电路有源逆变工作状态

通常将工作在有源逆变状态的整流电路称为逆变电路。三相全控桥式逆变电路相当于一组共阴极三相半波电路和一组共阳极三相半波电路的串联，这样整流变压器的绕组在电源正、负半周内都有电流通过，消除了直流磁动势，提高了利用率。

（1）三相全控桥式逆变电路的工作原理

图3-51 三相全控桥式逆变电路和电压波形

三相全控桥式逆变电路的分析方法与三相半波逆变电路的分析方法基本相同，讨论中同样假定直流侧具有足够大的电感，直流电流波形连续平直。图3-51是三相全控桥式逆变电路和电压波形，输出电压u_d仍为线电压，每相线电压的第一个字母代表共阴极组晶闸管的供电电压，第二个字母代表共阳极组晶闸管的供电电压，共阴极组VT₁、VT₃、VT₅的自然换相点分别为1、3、5各点，VT₂、VT₄、VT₆的自然换相点分别为2、4、6各点，即分别为α=0°的起算点，沿着各相线电压向后推移180°处，就是相应的各晶闸管的β起始点。例如1为VT₁的α=0°点，沿着线电压u_ab向右计量180°处，便为β=0°点，如分析β=30°的波形，则从β=0°处起，沿着线电压u_ab向左计量30°处，在此存在着VT₁触发主脉冲和VT₆触发的补脉冲，VT₁和VT₆导通，输出电压瞬时值u_d=u_ab，同理，间隔60°处，存在着VT₁的补脉冲和VT₂的主脉冲，VT₁和VT₂导通，VT₂和VT₆换相，输出电压u_d=u_ac，以此类推，每隔60°，电路中出现一次换相。在整个周期内，输出电压波形由六段形状相同的电压波形组成，波形中交流分量最低频率是六倍基频，电压纹波因数比三相半波电路要小得多。

关于有源逆变状态时各电量的计算归纳如下：

输出电压平均值为

U_d=-2.34U₂cosβ=-1.35U_2Lcosβ （3-126）

输出电流的平均值亦可用整流公式，即(www.xing528.com)

在逆变状态时，U_d和E_M的极性都与整流状态时相反，均为负值。每个晶闸管导通120°，故流过晶闸管电流的平均值为

流过晶闸管电流的有效值为

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E_M为负值，故P_d为负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。

在三相桥式电路中，每个周期内流过变压器二次绕组的电流为正、负各120°，且电流波形正、负面积相等，无直流分量，其有效值为

（2）晶闸管两端电压波形的分析

图3-52a给出了α=120°（β=60°）时三相全控桥式逆变电路晶闸管VT₁两端电压u_T1波形。线电压包络线u_cb与u_ab交点为VT₁自然换相点，α=0°。沿线电压u_ab向后推移120°即ωt₁处，VT₁开始导通。同理，ωt₂处，VT₃开始导通，VT₁与VT₃换相；ωt₃处，VT₅开始导通，VT₃与VT₅换相；ωt₄处，VT₁又重新导通，VT₅与VT₁换相进入周期性循环。ωt₁～ωt₂期间，VT₁导通120°，u_T1=0；ωt₂～ωt₃期间，VT₃导通120°，u_T1=u_ab；ωt₃～ωt₄期间，VT₅导通120°，u_T1=u_ac，以后波形如同前一个周期进行循环。

图3-52 三相全控桥式逆变电路晶闸管VT₁和VT₂的端电压波形

a）α=120°（β=60°）时u_T1波形 b）α=150°（β=30°）时u_T2波形

图3-52b中画出了α=150°（β=30°）时共阳极晶闸管电压波形u_T2。线电压包络线u_ab与u_ac的交叉点为VT₂自然换相点，α=0°，沿线电压u_ac向后推移150°即ωt₁处，VT₂开始导通。同理，ωt₂处，VT₄开始导通，ωt₃处，VT₆开始导通，ωt₄处，VT₂又重新导通进入循环。ωt₁～ωt₂期间，u_T2=0；ωt₂～ωt₃期间，u_T2=u_ac；ωt₃～ωt₄期间，u_T2=u_bc，以后波形出现周期性循环。由以上分析可见，当触发延迟角α（β）改变时，晶闸管两端电压波形形状随之改变。

通过波形图分析可知，当变流器整流工作时（α＜90°），晶闸管在阻断状态下主要承受反向电压，而在逆变工作时（β＜90°），晶闸管主要承受正向电压。在三相全控桥式电路中，不论整流还是逆变，晶闸管承受正、反向电压的最大值都是2U_2L。另外，由图3-52中也可以看出，晶闸管关断时承受反向电压的时间（p-q）的大小也都与β有关，在（p-q）段对应的时间里，晶闸管应恢复阻断，否则过了q点以后，晶闸管将重新承受正压而关断不了，从而造成逆变失败。很明显随着逆变角β的减小，反压时间将很短，当β=0时，反压时间及反压都为零。

3.逆变失败及最小逆变角限制

变流器在逆变运行时，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，或者使交流电源与直流电动势顺极性串联，由于逆变电路电阻很小，超过一定时限，便会形成很大的短路电流，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。

图3-53 三相半波电路逆变失败的波形分析

（1）逆变失败的原因

造成逆变失败的原因有很多，大致可归纳为以下几种：

1）触发电路不可靠。触发电路不能适时、准确地给晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延迟等，导致晶闸管不能正常换相。如在图3-53b中，在ωt₁以前，电路处于正常逆变工作中，逆变角β为某一定值（90°＞β＞0°），但在ωt₁时刻，触发脉冲U_g2丢失，则a相晶闸管VT₁由于没有b相晶闸管VT₂接替而继续导通至相电压u_a变正，且u_a随着时间的推移越来越高，u_a和直流电动势顺向串联，导致逆变失败。另外，如果触发脉冲延迟至ωt₂才出现，如图3-53c所示，此时逆变角β＜0°，a相电压u_a大于b相电压u_b，晶闸管VT₂承受反向电压，不能被触发导通，因而VT₁不能关断导致逆变失败。

2）晶闸管发生故障。如果在应该阻断期间，器件失去阻断能力，或在应该导通期间器件不能导通，导致逆变失败。如图3-53d所示，ωt₁时刻触发脉冲正常，但VT₁因失去阻断能力而不关断，达到ωt₂后，u_a重新高于u_b，则迫使VT₂承受反压重新关断，形成换相失败，从而造成逆变失败。而在应该导通期间因器件损坏而不能导通时，原导通晶闸管因无法换相而继续导通，结果同脉冲丢失一样。

3）交流电源发生异常现象。该现象是指在逆变过程中交流电源出现断电、断相等情况。如果在逆变工作时，交流电源突然断电或断相，由于直流电动势E_M依然存在，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动势极性相反的交流电压，因此直流电动势将经过晶闸管被短路。

4）换相裕量角不足。在设计有源逆变电路时，对于漏抗引起换相重叠角的影响估计不足，造成换相的裕量时间小于晶闸管关断时间造成逆变失败。

前几种情况都是在忽略交流侧电抗的情况下进行讨论的，实际上交流侧各相都有电抗存在，如变压器的漏抗和线路的电抗等。因而晶闸管换相不能瞬时完成，存在一个换相重叠角γ，重叠角的存在会给逆变工作带来不利的结果。如图3-54所示，在VT₁和VT₂换相过程中，当逆变电路工作在β＞γ时，经过换相过程后，b相电压u_b仍高于a相电压u_a，所以VT₁承受反压而关断。如果换相裕量不足，即当β＜γ时，如图3-54b中VT₂和VT₁换相时的波形可以看到，当换相尚未结束时，电路的工作状态达到P点后，a相电压u_a将高于b相电压u_b，晶闸管VT₂承受反向电压而重新关断，而应该关断的VT₁却仍承受正向电压而继续导通，且a相电压随着时间的推移越来越高，变为与电动势顺向串联而导致逆变失败，所以在逆变过程中β不能过小。

图3-54 交流侧电抗对逆变换相过程的影响

（2）逆变角β的限制

找出逆变失败的原因后，则可着手制定防止逆变失败的措施。除采用优良可靠的触发电路，正确选择晶闸管参数，采取合理保护措施，保证正常供电外，还应给逆变角规定一个安全变化的范围，然后在电路上采取措施，保证逆变角不超出这个规定范围。

逆变时允许采用的最小逆变角β_min为

β_min=δ+γ+θ′ （3-132）

式中，δ为晶闸管关断时间t_q折合的电角度；γ为换相重叠角；θ′为安全裕量角。

对于一般晶闸管，t_q在200～300μs之间，折算到工频电路中对应电角度4°～5°。换相重叠角γ随着直流平均电流和换相电抗（主要是变压器漏抗）增大而增大，即

根据逆变工作时α=180°-β，并设β=γ，则有

式中，m为一个周期内的波头数，三相半波m=3；三相全控m=6；U₂为变压器二次电压有效值，但三相全控桥式电路时，U₂以线电压有效值代入计算。

重叠角γ与I_d和X_B有关，当电路参数确定后，重叠角就为定值。

留有安全裕量角也是保证逆变安全的重要措施，如三相桥式逆变电路中，触发器输出的6个脉冲，它们的相位角间隔不可能完全相等，有的比中心线偏前，有的偏后，这种脉冲不对称度一般可达5°，偏后的那些脉冲相当于β变小，进入小于（γ+δ）范围内，造成逆变失败，所以应该考虑一个裕量角θ′，根据中小型可逆直流拖动系统的运行经验，θ′值约取10°。这样，最小β一般取30°～35°。

另外应指出，在晶闸管可逆直流拖动系统中，由于逆变角不得不小于β_min，为保证系统由整流状态转换到逆变状态时最大逆变电压和电动机反电动势的最大值平衡，满足E_M≈U_d的条件，所以对整流触发延迟角α也必须限制在α_min范围内，一般取α_min=β_min，以防止切换过程中主电路发生过电流。