有源逆变电路
5-12
➢有源逆变状态时各电量的计算：
每个晶闸管导通2/3，故流过晶闸管的电流有效值
为：
IVT
Id 3
0.577Id
从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：
PdRId 2EMId
当逆变工作时，由于EM为负值，故Pd一般为 负值，表示功率由直流电源输送到交流电源。
5-13
➢有源逆变状态时各电量的计算：
2.7 整流电路的有源逆变工作状态
2.7.1 逆变的概念 2.7.2 三相桥整流电路的有源逆变工作状态 2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制
5-1
2.7.1 逆变的概念
1) 什么是逆变？为什么要逆变？
逆变（Invertion）——把直流电转变成交流电，整 流的逆过程。 逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。
2.8.1 工作于整流状态时 2.8.2 工作于有源逆变状态时 2.8.3 直流可逆电力拖动系统
5Hale Waihona Puke 22晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统。 是电力拖动系统中主要的一种。 是可控整流装置的主要用途之一。
对该系统的研究包括两个方面： 其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。 其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本 节主要从第二个方面进行分析。
bmin=d +g+q′
d ——晶闸管的关断时间tq折合的电角度
tq大的可达200~300ms，折算到电角度约4~5。
g —— 换相重叠角
随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。
q′——安全裕量角
主要针对脉冲不对称程度（一般可达5）。值约取 为10。
这样， bmin一般取30~- 35。
5-21
2.8 晶闸管直流电动机系统
5-23
2.8.1工作于整流状态时
反电动势负载： 电流连续工作状态 ud
ua
电流断续工作状态
O
a
ub
uc ud
idR
通常在电枢回路
串联一平波电抗 id ic ia
ib
ic
器，保证整流电
流在较大范围内 O 连续，如图2-48。
-
UEd
wt
wt
5-24
1) 电流连续时电动机的机械特性
a EM Cen E M 1 .1U 2 7 co - R s Id- U
1) 逆变失败的原因 触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给 各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时 等，致使晶闸管不能正常换相。 晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不 通。 交流电源缺相或突然消失。 变压器漏抗的影响，换相的裕量角不足，引 起换相失败。
5-16
脉冲丢失
ud
ua
ub
uc
O
uG O
5-7
2.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态 逆变和整流的区别：控制角 a 不同
0<a < /2 时，电路工作在整流状态。 /2< a < 时，电路工作在逆变状态。
5-8
➢逆变角b
把a > /2时的控制角用- a = b表示，b 称为
逆变角。
逆变角b和控制角a的计量方向相反，其大小自 b =0的起始点向左方计量。
u
u
a
b
O
p
wt
i di
VT2 O
a i VT 3
b g b >g
i VT1
i VT2
i VT3
b g b <g
wt
如果b <g 时（从右下角的波形中可清楚地看到），该通
的晶闸管（VT2）会关断，而应关断的晶闸管（VT1)不 能关断，最终导致逆变失败。
-
5-20
2) 最小逆变角bmin的限制 ➢逆变时允许采用的最小逆变角b 应等于
脉冲延时
ud
ua
ub
uc
O
uG
O
-
wt wt
wt wt
5-17
晶闸管发生故障
ud
ua
ub
uc
O
uG O
交流电源缺相自行分析
-
wt wt
5-18
➢ 考虑变压器漏抗换相重叠角的影响：
5-19
➢ 考虑变压器漏抗换相重叠角的影响：
当b >g 时，换相结束时，晶闸管
能承受反压而关断。
u d
u
u
a
b
u c
有源逆变电路——交流侧和电网连结。 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异
步电动机串级调速以及高压直流输电等。 无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联 接，而直接接到负载。
5-2
对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有 源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转 变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为 变流电路。
5-9
逆变状态的晶闸管导通角是： 单相电路：180 三相逆变电路：120
逆变电路的数量关系： 可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数 计算等各项问题
5-10
u2 ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua
ub
uc
ua ub
O
wt
b
=
3
b
=
4
b
=
6
ud uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba uca ucbuab uac ubc
u d
u 10
u 20
u 10
O
ia d
i VT 2 O
i VT 1
b)
wt U <E
dM
I
i
d
VT 2
wt
5-6
➢从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条 件有二：
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。
晶闸管的控制角a > /2，使Ud为负值。
半控桥或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，故不能实现有源逆变。 欲实现有源逆变，只能采用全控电路。
在三相桥式电路中，变压器二次侧线电流的有效值 为：
I2 2IVT 32Id0.81I6d
5-14
2.7.3逆变失败与最小逆变角的限制 ➢逆变失败（逆变颠覆）
逆变时，一旦换相失败，外接直流电源 就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输 出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形 成很大短路电流。
5-15
2.7.3逆变失败与最小逆变角的限制
wt1 wt2 wt3
O
wt
b
=
3
b
=
4
b
=
6
-
5-11
➢有源逆变状态时各电量的计算：
输出平均电压：
Ud 0.9U2cosa-0.9U2cosb Ud 1.17U2cosa-1.17U2cosb Ud 2.34U2cosa-2.34U2cosb
输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即
Id
U -E R
5-3
2) 直流发电机—电动机系统电能的流转
同极性EG >EM 同极性EM >EG 反极性，形成短路
5-4
3) 逆变产生的条件 单相全波电路代替上述发电机
交流电 网输出 电功率
电动机 输出电
功率
5-5
u
u
u
u
d a 10
20
10
U >E dM
O
wt
i
d
I
i
i
i
d
VT 1
VT 2
VT 1
O
wt
a)
第4章 有源逆变电路
图4-2 全波电路的整流和逆变
（a）α=45°；β=45°
因Ra阻值很小，其电压也很小，因此Ud≈E。电流Id从Ud 的正端流出，从电动机反电动势E的正端流人，故由交流电源经 变流器输出电功率，直流电动机吸收电功率并将其转换为轴上的 机械功率以提升重物。如在提升运行中突然使晶闸管的控制角α 减小，则Ud增大，瞬时引起电流Id增大，电动机产生的电磁转矩 也增大，因电动机轴上重物产生的阻转矩不变，所以电动机转速 升高，提升加快。随着转速的升高，电动机的反电动势E=Ceφn 也增大，使Id恢复到原来的数值，此时电动机稳定运行在较高转 速。反之α增大，电动机转速减小所以改变晶闸管的控制角.可 以很方便地对电动机进行无级调速，从而改变提升的速度。 • 当α增大到某值如α3值，如图4一3所示，如此时电动机转矩 M1恰好与负载转矩相等，则电动机稳定在n=0处a点。如图4一3中 曲线①，这相当干整流器供电给电阻和电感，仍运行在整流状态。 如α再增大到90°，如图4-3中曲线②，则电动机转矩小于负载 转矩，于是在重物作用下电动机反转，E改变方向，E使Id增加， 最后稳定在b点，此时电动机运行在能耗制动状态，向整流器输 出的平均功率为零。
图4-6 有源逆变环流失败波形
• 二、最小逆变角的确定及限制 • 根据上述各种逆变失败原因的分析，可以总结出这样一条规 律:为了保证逆变能正常工作，除了选用可靠的触发器不丢失脉 冲外，同时对触发脉冲的最小逆变角β min，必须要有严格的限 制。 • 〔一)最小逆变角β min的确定 • 要保证在电压换相点之前完成换相，触发脉冲必须有超前的 电角度，即最小逆变角β min 应根据下面的因素来考虑。
•
公式与整流时一样。由于逆变运行时α>90°，cosα计算不 太方便，于是引入逆变角β，令α=π-β，用电度表表示时为 α=180°-β，所以
整流电路有源逆变的条件
整流电路有源逆变的条件
有源逆变是指使用有源元件（如晶体管或MOSFET等）将直流电源的电流和电压转换为
交流信号输出。
有源逆变的条件如下：
1. 有源元件：需要使用有源元件（如晶体管或MOSFET等）作为开关，以控制输入电源的电
流和电压。
2. 控制电路：需要有一定的控制电路，用于控制有源元件的开关操作，使其能够按照一定的规
律进行开关，从而实现电流和电压的转换。
3. 高频变压器：有源逆变一般需要使用高频变压器，用于将输入电源的电流和电压进行隔离和
转换。
4. 电容滤波器：有源逆变输出的交流信号中会含有一定的谐波成分，为了使输出信号更加纯净，通常需要使用电容滤波器对输出信号进行滤波。
综上所述，有源逆变的条件包括有源元件、控制电路、高频变压器以及电容滤波器等。
有源逆
变可以实现将直流电源的电流和电压转换为交流信号输出，广泛应用于电力电子领域。
无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？
无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？
无源逆变电路和有源逆变电路是两种常见的逆变电路，它们在工作原理和特点上有一些不同之处。
无源逆变电路（Passive Inverter）：
1.无源逆变电路是基于电容、电感和二极管等被动元件构成
的。
2.无源逆变电路依赖于负载的特性或外部电源提供的能量，
并通过切换元件改变电流和电压的方向来实现逆变。
3.无源逆变电路没有独立的功率放大器或控制元件，不能主
动控制输出波形，输出波形受限于其负载和电源的特性。
4.无源逆变电路一般适用于低功率、较简单的应用场景，例
如小功率逆变器、逆变电路的充电和放电等。
有源逆变电路（Active Inverter）：
1.有源逆变电路基于晶体管、MOSFET、IGBT等有源元件构
成的。
2.有源逆变电路包含独立的功率放大器和控制元件，能够主
动控制输出波形，实现精确的逆变操作。
3.有源逆变电路能够提供较高的功率密度、高效率和更精确
的电压/频率输出。
4.有源逆变电路通常适用于高功率、高精度的逆变应用，例
如工业变频器、UPS电源、太阳能逆变器等。
总体而言，无源逆变电路是基于被动元件，无法主动控制输出
波形，适用于低功率场景；而有源逆变电路则使用主动元件，具备主动控制能力，适用于高功率和高精度的逆变需求。
选择适用的逆变电路取决于所需功率、精度和控制要求等因素。
电力电子技术第3章 有源逆变电路
第3章 有源逆变电路
28
晶闸管流过电流的平均值为
晶闸管流过电流的有效值为
(3-9)
(3-10) 其他参数的计算均可依照整流电路的计算方法进行。
第3章 有源逆变电路
29
3.4 逆变电路的应用
有源逆变最典型的实际应用之一就是绕线式异步电动机 的串级调速系统。
第3章 有源逆变电路
8
在图3-1(b)中，两个电源的极性均与图3-1(a)中相反，但 还是属于两个电源间同极性相连的形式。如果电源E2＞E1， 则电流方向如图3-2(b)中所示，回路中的电流I为
(3-2)
此时，变为电源E2输出电能，电源E1却吸收电能。
第3章 有源逆变电路
9
图3-2 (a) 提升重物；(b) 下放重物
(3-4)
第3章 有源逆变电路
13
2． 中间状态
当卷扬机将重物提升到要求高度时，自然就需在某个位
置停住，这时只要将控制角α调到等于π/2的位置，在变流器 输出电压波形中，其正、负面积相等，电压平均值Ud为零， 电动机停转(实际上采用电磁抱闸断电制动)，反电势ED也同 时为零。此时，虽然Ud为零，但仍有微小的直流电流存在， 有关波形如图3-3(b)所示。
串级调速系统的主电路如图3-6所示。
第3章 有源逆变电路
30
图3-6 串级调速系统的主电路
第3章 有源逆变电路
31
通过分析可得整流后电机转子直流回路电压平衡方程式:
(3-11)
式中，Ud— 转子相电动势整流后的直流电压；Ui— 逆变器直 流侧电压(即直流附加电动势)；Id— 转子直流回路电流；R— 转子直流回路总电阻。
第四章 有源逆变电路
逆变状态和整流状态的区别：控制角 a 不同 0<a < /2 时，电路工作在整流状态
/2< a < 时，电路工作在逆变状态
第二节
三相有源逆变电路
2.逆变角的概念：
为实现逆变，需一反向的EM ，而Ud因a﹥π/2已自动变为负值，满足逆 变条件。因而可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等 各项问题。 把 a >π /2时的控制角用π - a =β 表示，β称为逆变角。 整流状态：α＜π/2， 相应的β＞π/2；
第三节
结论：
逆变失败与最小逆变角的限制
1.β不能等于零。
2.β不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。
第三节
逆变失败与最小逆变角的限制
二、 确定最小逆变角βmin的依据
有源逆变时允许采用的最小逆变角 应等于
min=d +g+q′
d ——晶闸管的关断时间tq折合的电角度
tq大的可达200~300ms，折算到电角度约4~5。
极流入，该电源吸收电能。电源输出或吸收功率的大小由电势与电流
的乘积来决定。 （ EG ﹥ EM,整流； EG ﹤ EM ：逆变 ） (3) 两个电源反极性相连，如果电路的总电阻很小，将形成电源间 的短路， 应当避免发生这种情况。
第一节 逆变的概念
三、 有源逆变产生的条件
改变EM的极性； Ud极性也必须相反。 怎样使Ud方向相反？
有源逆变电路的控制电路在设计时，应充分考虑变压器漏电 感对晶闸管换流的影响以及晶闸管由导通到关断存在着关断
时间的影响，否则会由于逆变角β 太小造成换流失败，导致
逆变颠覆的发生。 以共阴极三相半波电路为例， 分析由于β 太小而对逆变电 路产生的影响。
有源逆变电路课程设计
有源逆变电路 课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解有源逆变电路的基本概念、工作原理及电路构成；2. 掌握有源逆变电路中主要元件的功能及相互关系；3. 学会有源逆变电路的参数计算和性能分析。
技能目标：1. 能够正确绘制有源逆变电路图，并进行电路仿真；2. 学会使用相关仪器、仪表对有源逆变电路进行性能测试；3. 能够运用所学知识解决实际应用中的有源逆变电路问题。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对电子技术的兴趣和爱好，激发学生的创新意识；2. 培养学生严谨的科学态度，提高学生的团队合作能力和问题解决能力；3. 引导学生关注有源逆变电路在新能源、电力电子等领域的应用，增强学生的社会责任感。
课程性质：本课程属于电子技术基础课程，以理论教学和实践操作相结合的方式进行。
学生特点：学生为高中年级学生，具有一定的电子技术基础知识和实验操作能力。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，充分调动学生的主观能动性，提高学生的实际操作能力和问题解决能力。
在教学过程中，将目标分解为具体的学习成果，便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 有源逆变电路基本概念：介绍有源逆变电路的定义、功能及其在电力电子领域的应用。
- 教材章节：第二章第五节- 内容列举：逆变电路的定义、类型、基本原理及应用场景。
2. 有源逆变电路工作原理：分析有源逆变电路的工作原理，包括开关元件、控制策略等。
- 教材章节：第二章第六节- 内容列举：开关元件的工作原理、控制策略、逆变电路的调制方法。
3. 有源逆变电路的电路构成：讲解有源逆变电路的主要组成部分，包括开关器件、滤波器、控制器等。
- 教材章节：第二章第七节- 内容列举：开关器件的种类、滤波器的设计、控制器的功能。
4. 有源逆变电路参数计算：学习有源逆变电路主要参数的计算方法。
- 教材章节：第二章第八节- 内容列举：输出电压、输出电流、开关频率等参数的计算。
5. 有源逆变电路性能分析：分析影响有源逆变电路性能的因素，包括效率、稳定性等。
有源逆变
1、逆变失败
（1）触发脉冲丢失引起的 逆变失败
（2）逆变电路工作时逆 变角太小引起失败与逆变角的限制
（1）逆变失败的原因： 晶闸管损坏、触发脉冲丢失、 1 快速熔断器烧坏 逆变电路工作时，逆变角太小 2 （2）最小逆变角的确定 0~250） 换相重叠角γ（ 15 1 2 晶闸管关断时间所对应的电度角δ0 安全余量角θa(100左右) 3 所以βmin≥ γ+δ0+θa≈300~350 4
1、无源逆变电路：将直流电能变为交流能输出 至负载。感应加热、电火花加工、列车照明高频电 子镇流器等,主要用于变频电路
2、有源逆变电路：将直流电能变为交流电能输出
给交流电网。直流电动机可逆调速、绕线转子感应 电动机的串级调速、高压直流输电 3、有源逆变器：完成有源逆变的装置称为有源 逆变器。
一、单相桥式可控整流反电动势负载电路 u
id
d
VT1
VT2
E M E
Ud
E
0
u2
Rd VT4 VT3 Rd
ug
id Id id Ld uL
E M
0
α 1.3 θ
2.4
ω t 1.3
ωt
Ud 1 ud uL
ud
E
0
VT1
VT2
u2
ud
VT3
Ud 1
Rd
ug
id
α θ
1.3 2.4
ωt
1.3
VT4
0
ωt
３－１ 有源逆变的工作原理
一、有源逆变的工作原理
１、重物提升，变流器 工作于整流状态
2、重物下放，变流器 工作于逆变状态
结论：有源逆变的条件
（1）外部条件：一定要有直流电源E，其极性必须与晶 闸管的导通（直流电流）方向一致，其值应稍大于变流器 直流侧的平均电压Ud。 （2）内部条件：变流器必须工作在α＞2 的区域内，使 Ud ＜ 0 。
第四章：有源逆变
2020/4/10
北京交通大学电气工程学院
4-25
有源逆变
4、确定最小逆变角 min 的依据
（1）最小逆变角 min = + +
: SCR的关断时间 tq 折合的电角度， 叫恢复阻断角， = tq
: 换相重叠角（约为15~20 ）
: 安全裕量角（一般取10 ）
有源逆变
cos ()cos2xBId
6U2
• 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 。
2020/4/10
北京交通大学电气工程学院
4-16
有源逆变
二、三相桥式全控有源逆变电路
1、变流器工作于逆变状态（ 2 ）
Ud 0 , E 0 Ud E
❖ 有源逆变电路——交流侧和电网连结。（本章介绍）
－ 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级 调速以及高压直流输电等。
❖ 无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 （将在第6章介绍）
➢ 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其 电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状 态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。
u20
u10
O
id
id = iV T1+ iV T2
iV T2
iV T1
iV T2
O
t Ud<EM
Id t
电 动 机 输
a)单相全波电路的整流和逆变b)
出
图2-45
电
间图图只值，a能，b逆UMd改且U为电变Md变|可E回正动时ME通馈M|值运>极制过|U，性行在动改d。|并，，，变为π由才且全/了于能2U来波防晶d把～止>进电闸电Eπ两管能行M路之，电的从调工间动才单直节势作。向能流顺，导侧在输向电送逆整出串性到变流联I，交d状，。状I流dU方态侧态d极向,时实，性不现U也变d逆为必，变在负须欲。0反改值～过变，来电π，能/2即的之U输d功率送应方为向负，
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应负载，则，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<a<p /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U d＝0.9U2cosa，控制角的移相围为0～90 ° ，U d为正值，P点电位高于N点电位，并且U d应大于电动机的反电势E，才能使变流器输出电能供应电动机作电机运行。
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〔p /2<a<p 〕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应回电网，也就是说，整流电路直流侧电压平均值U d也必须反过来，即U d为负值，P点电位低于N点电位且电机电势E应大于U d。
此时电路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。
电力电子技术——有源逆变电路
其值为
E0 Ud 1.17U2 cos60 0.585U2
非线性特性
图4-10 电流断续时电动势的特性曲线
Goback
❖实际上，当Id减小至某一定值Idmin以后，电流变 为断续，真正的理想空载点远大于此值，因为
此时晶闸管触发导通时的相电压瞬时值为 2U2 。
❖考虑直流等效回路，左侧电源为脉动直流电压
ud波形，最大瞬时值为 2U 2 ，并且由于整流器
件的单向导电性，回路电流Id的方向是固定的，
只有当反电动势EM等于脉动直流电压ud的最大
峰值时，电流才能完全等于零，否则，只要EM
比ud的最大峰值略小一点，就总是存在断断续
续的电流脉冲。因此 2U2 才是实际的理想空载
no Ke
Goback
2. 电流断续时电动机的机械特性 • 由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动
机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减 小，致使电流不再连续，此时电动机的机械特 性也就呈现出非线性。
• 电流断续时电动机机械特性的第一个特点: 当 电流断续时，电动机的理想空载转速抬高。
❖由三相半波电路电流连续时反电动势表达式，
变化很小也可引起很大的转速变化。
❖ 设整流控制角一定，由于轻载时电流断续，各晶闸管 的导通角 120 ，此时ud波形将发生一定的变化，水 平直线E以下的部分作用时间将比电流连续时缩短，负 面积减小，平均面积Ud比电流连续时的计算值升高， 在电流连续的条件下得出的Ud计算公式不再适用。
整流波形
图4-11 考虑电流断续时不同时反电动势的特性曲线
➢整流输出电压ud是脉动的，可分为两部分：直 流分量Ud，和交流分量。交流电流分量的大小 主要取决于直流侧的回路电感，特别是平波电