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第四章 有源逆变电路
习题与思考题解
4-1．逆变电路必须具备什么条件才能进行逆变工作？
解：逆变电路必须同时具备下述两个条件才能产生有源逆变：
1 变流电路直流侧应具有能提供逆变能量的直流电源电势Ed，其极性应与晶闸管的导电电流方向一致。
2. 变流电路输出的直流平均电压Ud的极性必须为负（相对于整流时定义的极性），以保证与直流电源电势Ed构成同极性相连，且满足Ud<Ed。
4-2单相全控桥式逆变电路与单相桥式（二极管）整流电路有何差别？是否所有的整流电路都可以用来作为逆变电路？
解：单相全控桥式逆变电路是DC／AC变换电路，是单相全控桥式变流电路工作于逆变状态，其负载为反电动势负载，控制角为α>90°的情况。
单相桥式（二极管）整流电路是AC／DC 变换电路，是单纯的整流电路，相当于单相全控桥式变流电路工作于整流状态，控制角α=0°时的情况。
不是所有的整流电路都可以用来作为逆变电路。例如，单相、三相半控桥式变流电路，带续流二极管的变流电路都只能工作于整流状态，不能用来作为逆变电路。
4-3．逆变电路工作时为什么会产生短路事故？
解：变流器工作在逆变状态时，如果因丢失脉冲、移相角超出范围、甚至突发电源缺相或断相等情况时，都有可能发生换相失败，将使变流器输出的直流电压Ud进入正半周范围，Ud的极性由负变正，与直流侧直流电源电势Ed形成顺向串联，造成短路事故（因逆变电路的内阻R很小）。这种情况称为逆变失败。或称为逆变颠覆。
4-4．为什么要限制逆变角的最小值βmin？选择βmin值时应考虑哪些因素？
解：为了避免逆变电路发生逆变失败，所以，必须限制逆变角的最小值βmin。
最小逆变角βmin的选取要考虑三个因素，即
换相重叠角γ；
晶闸管关断时间toff对应的电角度δ；
安全裕量角θ0。
故有
βmin≥γ+δ+θ0
4-5．在图4-2（c）中，当α>90°时,为什么必须Ed>Ud才能正常逆变工作，Ed与Ud间的差值由何因素决定。如果Ed=Ud和Ed<Ud则有何结果？
解：因为当α>90°,必须Ed>Ud时，才能满足逆变工作条件。只有当Ed>Ud时，变流电路直流侧的电源电势Ed才能提供逆变能量，进而实现有源逆变。
Ed与Ud间的差值由主电路所限制的电流的大小决定，即通过控制角α(逆变控制角β)的大小来确定。
Ed=Ud时，变流电路将处于等待状态，Ed<Ud时，处于待逆变工作状态。
4-6．在图4-2中，设交流电源变压器二次电压U2=280V，变流电路为单相全控桥式电路，R=0.2Ω,L=∞。试求当电动机起重重物时，负载电流Id=200A且反电势Ed=180V时，变流电路的控制角α应为何值？变流电路处于什么工作状态？
解：
则 Ud=IdR+Ed=200×0.2+180=220（V）
由于α< 90°，Ud >Ed，所以，变流电路处于整流工作状态。
4-7．在题4-6所给电路条件下，设电动机降落重物时起制动作用的负载电流Id=200A，与电动机转速对应的反电势Ed为－180V，试求此时的变流器控制角应为何值？并分析其能量传输关系。
解：
则 Ud=IdR+Ed=200×0.2－180=－140V
由于，，则变流电路处于有源逆变工作状态，电动机处于发电运行，输出的直流电能通过变流器转变为交流电能反送给电网。
4-8．试绘出单相和三相全控桥式逆变电路当β=45°时的输出电压波形、晶闸管的电流波形、以及晶闸管V11的端电压波形，并分析晶闸管承受电压的情况（设L=∞）。
解：单相全控桥式的输出电压波形、晶闸管的电流波形、以及晶闸管V11的端电压波形参阅教材P66中的图4-2(c)。由于L=∞，晶闸管的电流波形可画成180°的矩形波。
晶闸管的导通角为θ=180°，此期间两端电压近似为零，关断后的β角对应期间承受反向电压，之后的α角对应期间承受正向电压。
三相全控桥式逆变电路的输出电压波形、晶闸管的电流波形、以及晶闸管V11的端电压波形参阅教材P74中的图4-5的中间β=45°的一段。由于L=∞，晶闸管的电流波形可在该导通期间画成120°的矩形波。
晶闸管的导通角为θ=120°，此期间两端电压近似为零，关断后本相晶闸管按相序分别承受与相邻二相的线电压各120°。例如，A相共阴极组晶闸管V11，导通的120°期间，两端电压近似为零，关断后首先承受线电压uAB120°,转而承受线电压uAC120°。其中关断后的β角对应期间承受线电压uAB首先是反向电压。
逆变电路中，晶闸管在关断后的β角对应期间承受的是反向电压，其余绝大部分时间均承受正向电压。
4-9．在图4-5的三相桥式电路中，设交流电源线电压有效值U2l=200V,L=∞，R=1.5Ω。如要求电动机在制动过程中保持制动电流Id=10A恒定不变，试问：当电动机反电势Ed=－200V时，逆变角β应为何值？当Ed降至于－100V、－50V、0V时逆变角分别应为何值？
解：
当Ed＝－200V时，
则 Ud=IdR+Ed=10×1.5－200=－185V
当Ed＝－100V时，
则 Ud=IdR+Ed=10×1.5－100=－85V
当Ed＝－50V时，
则 Ud=IdR+Ed=10×1.5－50=－35V
当Ed逐渐下降至0V时，电路电流Id亦将下降为0A，因而Ud＝0V，则β=90°，此时电流电路输出电压的正负面积相等。
4-10．试列举三种产生逆变失败的情况，并说出应注意哪些安全保护措施。
解：1.产生逆变失败的情况主要有以下几个方面：
(1)触发电路工作不可靠
触发电路不能及时、准确地为各晶闸管提供脉冲，如丢失脉冲或脉冲延迟等，均能导致换相失常或换相失败，参阅教材P72中的图4-4(b)和(c)。
脉冲延迟即使不出现图4-4 (c)的严重情况，也将使逆变角β过小，导致换相时间不足，产生逆变失败。
所谓换相时间，即是需被关断的晶闸管承受反压的时间，即逆变角β区间所对应的时间，如果这个时间短了，晶闸管承受的反压时间不够，不能恢复正向阻断能力而造成逆变失败。
(2)晶闸管出现故障
晶闸管性能不合格，或设计电路时参数选择不当，以致出现晶闸管该阻断时不能阻断，该导通不能导通，均将导致逆变失败。
(3)交流电源失常
在有源逆变工作状态下，交流电源的突然停电或缺相，由于直流电势Ed的存在，原来导通的晶闸管仍会导通，但此时变流电路交流侧已失去了同直流电势极性相反的交流电压，直流电势将通过晶闸管短路，或原来导通的晶闸管使ud进入导通相的正半周（缺相时）极性变正，造成逆变失败。
2.逆变失败将造成严重的后果，应采取的安全保护措施如下：
(1)正确选择晶闸管参数和缓冲保护电路
(2)正确设计稳定可靠的触发电路
例如具有不丢脉冲，最小逆变角βmin限制、抗干扰能力强等性能。
(3)设置完善的系统保护装置
例如能对系统过流、过压、交流电源缺相、欠压、断电等故障及时检测，并采取相应的保护操作。
4-11．换流重叠角的产生给逆变电路带来哪些不利影响？
解：由于变压器漏感和线路电感等因素的影响，晶闸管的换流（换相）不能瞬时完成，均需一定的时间即换相重叠角γ所对应的时间。如果逆变角β<γ，将使换相不能完成，造成逆变失败。
4-12．单相全控桥反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，U2=100V，当Ed=－99V，β=60°时，求Ud、Id的数值。
解： (V)
(A)
4-13．三相半波变流电路，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，U2=100V，当Ed=－150V，β=30°时，求Ud、Id的数值。
解： (V)
(A)
4-14．三相全控桥式变流电路，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，U2=220V，当Ed=－400V，β=60°时，求Ud、Id的数值。此时送回电网的平均功率为多少？
解： (V)
(A)
由于L=∞，输出电流有效值（忽略谐波）
I =Id
网恻有功功率为
=(W)≈-36.7(KW)
送回电网的平均功率为36.7(KW)
4-15．三相桥式变流电路，已知U2L=230V，反电势阻感负载，主回路R =0.8Ω，L=∞，假定电流连续且平滑，当Ed=-290V，β=30°时，计算输出电流平均值、输出电流有效值（忽略谐波）、晶闸管的电流平均值和有效值。
解：
输出电流平均值
(A)
输出电流有效值
（Ａ）
晶闸管的电流平均值为
（Ａ）
晶闸管电流有效值为
(A)
4-16．试叙述反并联（双重）变流电路的四象限运行条件。
解：反并联（双重）变流电路参阅教材P69中的图4-3（a）。其四象限运行条件如下：
第一象限，电动机正转作电动运行，变流器1工作在整流状态，α1<π/2，Ed<Ud1。此时Ud1、Ed的极性均为上正下负，电网经变流器1供出电能，电动机吸收电能。
第二象限，电动机正转作发电运行，变流器2工作在逆变状态，α2>π/2，Ed>Ud2。此时Ud2、Ed的极性均为上正下负，电动机供出电能，经变流器2回馈给电网。
第三象限，电动机反转作电动运行，变流器2工作在整流状态，α2<π/2，Ed<Ud2。此时，Ud2、Ed的极性均为上负下正，电网经变流器2供出电能，电动机吸收电能，电动机两端电压和电流方向均与第一象限运行时相反。
第四象限，电动机反转作发电运行，变流器1工作在逆变状态α1>π/2，Ed>Ud1，此时，Ud1、Ed的极性均为上负下正，电动机供出电能，经变流器1回馈给电网。流过电动机的电流与第二象限工作时相反。
可见，由反并联（双重）变流电路控制的可逆系统中，电动机从电动运行转变为发电制动运行，由于电动机的旋转方向不变，故电动机电势Ed的方向不变，相应工作于整流和逆变状态的变流器不能在同一组全控桥内实现。具体地说，由一组桥整流，电网供出能量使电动机作电动运转，逆变必须通过反并联的另一组桥来实现，将电动机作发电制动运行产生的直流电能回馈给电网。
4-17．试指出晶闸管相控变流器的主要特征。
解：几种典型晶闸管相控变流器的主要特征如下：
接续流二极管的单相半波可控变流电路——脉动频率为fS；可工作于第一象限
接续流二极管的单相半控桥式变流电路——脉动频率为2fS；可工作于第一象限
单相全控桥式变流电路——脉动频率为2fS；可工作于第一象限和第四象限
单相反并联（双重）全控桥式变流电路——脉动频率为2fS；可工作于第一、二、三、四象限
三相半波可控变流电路脉动频率为3fS；可和第四象限
接续流二极管的三相半控桥式变流电路——脉动频率为3fS；可工作于第一象限
三相全控桥式变流电路脉动频率为6fS；可工作于第一象限和第四象限
三相反并联（双重）全控桥式变流电路——脉动频率为6fS；可工作于第一、二、三、四象限
其中，fS为交流电源频率。
可见，接续流二极管的变流电路只能工作于第一象限。
4-18．试根据高压直流输电的功率流向，指出中间直流环节两侧变流器的工作状态。
解：高压直流输电系统原理结构参阅教材P79中的图4-6（a）。
变流器Ⅰ和变流器Ⅱ均可根据功率的流向工作在整流状态或逆变状态。若使功率从左向右传输，则调整控制角α，使变流器Ⅰ工作于整流状态，变流器Ⅱ工作于有源逆变状态，Ud1和Ud2的极性均为上正下负，且满足Ud1>Ud2。若使功率从右向左传输，则变流器Ⅱ整流，变流器Ⅰ逆变，Ud1和Ud2的极性均为上负下正，且满足Ud1<Ud2。
4-19．试说明大型同步发电机励磁系统在“励磁”和“灭磁”两种工况下，变流器的工作状态和能量流向。
解：大型同步发电机励磁系统结构简图参阅教材P79中的图4-7。
(1）励磁运行时，励磁变压器TF接于母线，变流器工作于整流状态，系统母线提供的交流电能，通过变流器U整流，转变为直流电能，供给发电机励磁绕组进行励磁。
(2）灭磁运行时，增大控制角α>90°将变流器U拉入有逆变工作状态，励磁绕组内储存的磁场能通过工作于有源逆变状态的变流器，经TF以电能形式反馈回电网。
4-20．试述过电压保护的两种基本方法。
解：常用的抑制过电压的基本方法有二种，即用非线性元件限制过电压的幅值；用储能元件吸收可能产生过电压的能量，并用电阻将其消耗。实际应用时，要视电路的不同部位的需要采用不同的方法，同一部位也可同时采用二种方法。
4-21．试说明交流侧阻容过电压保护和非线性元件过电压保护电路的几种接线形式。
解：交流侧阻容保护电路连接方式参阅教材P81中的图4-8。图4-8(a)为单相接法，图4-8(b)和图4-8(c)分别为三相U形和D形连接方法，图4-8(d)为整流式接法。
交流侧非线性元件过电压保护电路，如压敏电阻保护电路参阅教材 P82中的图4-10，接线方式与图4-8(a)、(b)、(c)相同。其他非线性元件保护的连接方法也都与此类同。
4-22．试述直流侧过电压保护电路的连接方法。
解：直流侧的过电压保护，同样可采用阻容保护和非线性元件保护方法，其连接位置为变流装置的直流侧的快速开关或熔断器FU 之前，参阅教材P82中的图4-11。图4-11中的P和M之间即为阻容或非线性保护元件所连接的位置，图中所连接的保护元件是压敏电阻。
4-23．试说明晶闸管关断过电压RC保护电路的原理。
解：晶闸管在关断过程中，电流从最大值很快下降为0，将在变压器的漏电感Lc上产生很大的过电压LC.div/dt，作用在晶闸管上。并联在每只晶闸管上的RC回路可抑制晶闸管的关断过电压。当晶闸管关断过程中，变压器电流可以通过RC续流，减小了div/dt，从而抑制了过电压。电阻可以限制晶闸管再导通时，电容C向晶闸管放电的电流上升率，并阻尼可能产生的LC振荡。
4-24．用作过电流保护的三种常用电器是什么？其速度的快慢有何差别。
解：可用作过电流保护的三种常用电器有快速熔断器、快速开关和过流继电器。
快速熔断器流过的电流越大，其熔断时间越短，当流过短路电流时，其熔断时间可达5ms(目前最快的可达1ms量级)。在额定电流下，工作时不熔断，可长期工作。
快速开关的全分断时间为10ms，只用于直流电路。
过流继电器的动作时间一般为几百毫秒(ms)，分为直流和交流两种。
4-25．试述反馈控制过电流保护电路的原理及特点？
解：反馈控制过流保护原理框参阅教材P83中的图4-12。
正常工作时，电压比较器整定为输出高电平，控制变流装置工作于a<90°的整流工作状态。当变流器发生短路时，来自电流互感器的过流信号，经整流后，与过流整定值比较，使比较器输出低电平，控制变流器装置立即转入a>90°的逆变工作状态。由于a突然增大，使变流器输出电压迅速降低，不仅控制了短路电流，还可将储存在电感中的能量以电能的形式反馈给电网。当能量释放完毕，晶闸管的电流下降到维持电流以下自行关断，且无触点。所以，不存在快速熔断器、快速开关和过流继电器等保护电器那种分断大电流动作过程产生的过电压现象。动作速度比上述任何一种过流保护电器都快。
4-26．为什么说快速熔断器用作晶闸管的最终过流保护手断比较合适？
解：因为晶闸管的过载能力受结温限制，我国标准规定风冷器件的额定结温为115°C，水冷器件为100°C。在规定的冷却条件下，晶闸管通过2倍额定通态平均电流时，可耐受的时间为0.5S；通过3倍时，可耐受时间为60ms；通过6倍时，可耐受时间为20ms。所以可根据不同过载程度晶闸管的耐受能力，采取分级过电流保护措施。
快速熔断器之所以用作最终保护手段比较合适，是因为三种保护电器的动作时间各不相同，快速熔断器的动作时间最短，速度最快。为了避免快熔的频繁熔断和更换，使快熔只在发生可能危及晶闸管的更大过流时才熔断，起到最后的保护作用。。
因此，在留有适当的裕量选定了晶闸管及与其配合的快熔之后，将同时装设的快速开关或过流继电器的动作值整定得稍低一些（过流继电器最低）。这样，当发生过流时，过流继电器或快速开关会首先动作，虽然动作速度不如快熔，但只要整定电流不超过晶闸管过载耐受时间区段，就不会危害晶闸管，同样也不会使快熔熔断。
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