有源逆变电路基本知识

第一节 有源逆变电路基本知识

一、 整流与逆变的关系

前面两章讨论的是把交流电能通过晶闸管变换为直流电能并供给负载的可控整流电路。但生产实际中，往往还会出现需要将直流电能变换为交流电能的情况。例如，应用晶闸管的电力机车，当机车下坡运行时，机车上的直流电机将由于机械能的作用作为直流发电机运行，此时就需要将直流电能变换为交流电能回送电网，以实现电机制动。又如， 运转中的直流电机，要实现快速制动，较理想的办法是将该直流电机作为直流发电机运行，并利用晶闸管将直流电能变换为交流电能回送电网，从而实现直流电机的发电机制动。

相对于整流而言，逆变是它的逆过程，一般习惯于称整流为顺变，则逆变的含义就十分明显了。下面的有关分析将会说明，整流装臵在满足一定条件下可以作为逆变装臵应用。即同一套电路，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态， 这样的电路统称为变流装臵。

变流装臵如果工作在逆变状态，其交流侧接在交流电网上，电网成为负载， 在运行中将直流电能变换为交流电能并回送到电网中去， 这样的逆变称为“有源逆变”。

如果逆变状态下的变流装臵，其交流侧接至交流负载，在运行中将直流电能变换为某一频率或可调频率的交流电能供给负载，这样的逆变则称为“无源逆

变”或变频电路。

二、 电源间能量的变换关系图 4-1 两个电源间能量的传送

(a) 同极性连接E 1>E 2； (b) 同极性连接E 2>E 1； (c) 反极性连接

图4-1(a)表示直流电源E 1和E 2同极性相连。当E 1＞E 2时， 回路中的电流为

式中R 为回路的总电阻。此时电源E 1输出电能E 1I ，其中一部分为R 所消耗的I 2R ，

其余部分则为电源E 2所吸收的E 2I 。

注意上述情况中，输出电能的电源其电势

E 2

(a)E 12

(b)E 12

(c)

R

E E I 2

1-=

方向与电流方向一致，而吸收电能的电源则二者方向相反。

在图4-1(b)中，两个电源的极性均与图4-1(a)中相反，但还是属于两个电

源同极性相连的形式。如果电源E 2＞E 1，则电流方向如图，回路中的电流I 为 此时，电源E 2输出电能，电源E 1吸收电能。 在图4-1(c)中，两个电源反极性相连， 则电路中的电流I 为 此时电源E 1和E 2均输出电能，输出的电能全部消耗在电阻R 上。如果电阻值很小，则电路中的电流必然很大；若R =0，则形成两个电源短路的情况。 综上所述， 可得出以下结论：

(1) 两电源同极性相连，电流总是从高电势流向低电势电源， 其电流的大小取决于两个电势之差与回路总电阻的比值。如果回路电阻很小，则很小的电势差也足以形成较大的电流，两电源之间发生较大能量的交换。

(2) 电流从电源的正极流出，该电源输出电能；而电流从电源的正极流入，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，若电势或者电流方向改变，则电能的传送方向也随之改变。

(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。 三、有源逆变电路的工作原理

图 4-2 直流卷扬系统 (a) 提升重物； (b) 放下重物

1．整流工作状态

由第１章的学习已知，对于单相全控整流桥，当控制角α在0～π/2之间的某个对应角度触发晶闸管时，上述变流电路输出的直流平均电压为U d =U do cos α，因为此时α均小于π/2，故U d 为正值。在该电压作用下，直流电机转动，卷扬机将重物提升起来，直流电机转动产生的反电势为E D ，且E D 略小于输出直流平

R

E E I 1

2-=R E E I 21+=

I I

均电压U d ，此时电枢回路的电流为

2． 中间状态（α=π/2） 当卷扬机将重物提升到要求高度时，自然就需在某

个位臵停住，这时只要将控制角α调到等于π/2的位臵，变流器输出电压波形中，其正、负面积相等，电压平均值U d 为零， 电动机停转（实际上采用电磁抱闸断电制动），反电势E D 也同时为零。此时，虽然U d 为零，但仍有微小的直流电流存在，有关波形如图4-3(b)所示。注意，此时电路处于动态平衡状态，与电

路切断、电动机停转具有本质的不同。

3． 有源逆变工作状态（π/2＜α＜π＝ 上述卷扬系统中，当重物放下时，由于重力对重物的作用， 必将牵动电机使之向与重物上升相反的方向转动，电机产生的反电势E D 的极性也将随之反相。如果变流器仍工作在α ＜π/2 的整流状态，从上面曾分析过的电源能量流转关系不难看出，此时将发生电源间类似短路的情况。为此，只能让变流器工作在α＞π/2的状态，因为当α＞π/2时，其输出直流平均电压U d 为负，出现类似图4-1(b)中两电源极性同时反向的情况，此时如果能满足E D ＞U d ，则回路中的 电流为

电流的方向是从电势E D 的正极流出，从电压U d 的正极流入，电流方向未变。显然，这时电动机为发电状态运行，对外输出电能，变流器则吸收上述能量并馈送回交流电网去，此时的电路进入到有源逆变工作状态。

上述三种变流器的工作状态可以用图4-3所示波形表示。 图中反映出随着控制角α的变化，电路分别从整流到中间状态，然后进入有源逆变的过程。

R

E U I D

d d -=

R

U E I d

D d -=

图 4-3 直流卷扬机系统的电压电流波形

(a) 整流； (b) 中间状态； (c) 有源逆变

现在应深入分析的问题是，上述电路在α＞π/2时是否能够工作？如何理解此时输出直流平均电压U d为负值的含义?

上述晶闸管供电的卷扬系统中，当重物下降，电动机反转并进入发电状态运行时，电机电势E D实际上成了使晶闸管正向导通的电源。当α＞π/2时，只要满足E d＞|u2|，晶闸管就可以导通工作，在此期间，电压u d大部分时间均为负值，其平均电压U d自然为负，电流则依靠电机电势E D及电感L d两端感应电势的共同作用加以维持。正因为上述工作特点，才出现了电机输出能量，变流器吸收并通过变压器向电网回馈能量的情况。